机载激光雷达脉冲速率调制的制作方法

本发明涉及根据权利要求1的通用术语的一种机载激光扫描器。

背景技术：

利用用于产生3d点云及衍生产品的激光测距仪扫描目标(诸如地面)通常通过移动，尤其是旋转或摆动诸如反射镜、楔形镜或棱镜的光学元件来实现。

这种类型的扫描通常会导致在扫描的条带上变化的点分布。不均匀的点密度可能会影响最终产品的质量。而且，可能存在具有不必要的高点密度的扫描区域，导致数据存储空间的浪费。对于摆动或旋转扫描，在条带的边缘处将存在显著的堆积点。

许多lidar数据过滤算法和过滤器依赖于某个点分布以最佳地工作。

而且，脉冲的堆积将生成许多最终彼此重叠激光脉冲。就眼睛安全性而言，这意味着在计算激光系统的最大允许发射时需要考虑所有重叠的脉冲。

技术实现要素：

因此，本发明旨在提供一种改进的机载激光扫描器，其允许以更均匀的测量点分布来探测目标。

该目的通过调制激光的脉冲速率来实现，使得密度的变化以及边缘上的堆积效应最小化。

在本发明的实施方式中，机载扫描器的激光器被配置成按需发射脉冲，尤其是具有几乎恒定的脉冲能量，使得所发射的脉冲的振幅与重复率无关。通用光纤激光器通常具有可随脉冲重复率的变化而显著变化的脉冲能量。

现有技术中已知的光纤激光器通常被配置成仅通过驱动到泵浦二极管中的电流来调节平均发射的光功率。脉冲能量与平均功率除以脉冲速率成比例。因此，如果脉冲速率改变而平均功率恒定，则脉冲能量随着脉冲速率的降低而增加，反之亦然。

为了按需发射具有恒定能量的脉冲，激光器必须跟踪所施加的脉冲速率并且相应地实时调整平均功率。这样，平均光功率根据所施加的脉冲速率而变化，但是每个发射的激光脉冲中包含的能量保持在恒定水平。

本发明的原理是至少根据扫描装置的位置(尤其还有取向)生成激光器的触发信号。通过应用这样的触发模式，可以在条带的边缘处实现脉冲的更大的时间间隔，这导致类似于条带的中心部分的点密度。这导致激光脉冲的更均匀的空间分布。

通过根据扫描位置生成触发，用于连续扫描的脉冲将更好地排列并且提供更清晰和更均匀的点分布。

另外，条带边缘处的较低脉冲速率减少了在相同地理位置处最终的脉冲数量，因此提高了眼睛安全性。这使得扫描装置对于地面上的观察者的有害操作更少并且激光器本身具有更高的峰值功率。

在一个实施方式中，在扫描区域的边缘区域期间完全禁用激光器以将在那里堆积的脉冲数量减少到零。当扫描在飞行方向上或多或少地移动时，有效的条带宽度将仅略微减小。

在另一实施方式中，扫描器位置可能不是实时可获得的，或者不能以期望的速率获得。那么，可以将触发事件生成为与扫描器移动保持同步的时间序列(不均匀分布)。至少可以利用犹如直接使用扫描器位置的类似性能来处理眼睛安全问题。点分布性能通常更为关键，因为它取决于将每次单独的拍摄相对于其周围准确地放置。该实施方式将需要非常严格的时间同步。

总之，本发明解决了目标表面上的不均匀的点分布问题，改善了眼睛安全条件，允许更高的激光功率并且因此提高了扫描装置的信噪比(snr)和整体灵敏度。

通过根据权利要求1和/或本发明的从属权利要求的机载激光扫描器实现这些改进中的至少一个。

本发明涉及一种机载激光扫描器，该机载激光扫描器被配置成布置在用于沿着飞行路径探测目标的飞行器上，其中该机载激光扫描器包括：发射器，该发射器被配置成朝向地面发射多个连续的激光脉冲；至少一个光学元件，所述至少一个光学元件被配置成沿着脉冲路径朝向目标偏转激光脉冲；马达，该马达被配置成通过移动光学元件来改变脉冲路径；接收器，该接收器被配置成接收从目标反向散射的激光脉冲；以及计算机，该计算机被配置成控制发射器、马达和接收器，以便确定脉冲路径的方向，并且触发发射器以发射脉冲间距基于垂直于飞行路径的方向的水平方向上的脉冲路径的方向分量变化的激光脉冲。

尤其是，计算机可以被配置成基于发射的和接收的激光脉冲确定从机载激光扫描器到目标的距离。尤其是，从机载激光扫描器到地面的距离的确定可以基于发射的和接收的激光脉冲的飞行时间。尤其是，计算机还可以被配置成基于距离和方向生成三维点云。尤其是，飞行路径可以被认为是激光扫描器的行进方向。

脉冲间距可以在最小脉冲间距和最大脉冲间距之间逐渐变化，其中，当方向分量最小时设置最小脉冲间距，并且当方向分量最大时设置最大脉冲间距。

脉冲间距可以根据正弦特性、线性z字形特性、波特性、锯齿特性、或阶梯特性逐渐变化。尤其是，脉冲间距的特性可以具有作为所述可选特性的任意组合的特性。

尤其是，增加脉冲间距等同于降低脉冲速率。

光学元件可以例如是棱镜或反射镜。棱镜可以是任何类型的棱镜，例如楔形棱镜。

马达可以被配置成使光学元件绕旋转轴旋转，从而产生锥形激光脉冲发射图案。该旋转可以连续地进行，即无限旋转，或者旋转方向可以在反向位置反转，从而产生半锥形脉冲发射图案。

根据本发明的实施方式的机载激光扫描器包括角度编码器，该角度编码器被配置成提供光学元件的位置。光学元件的所述位置尤其分别是旋转位置或角度位置。尤其是，脉冲路径在垂直于飞行路径方向的水平方向上的方向分量可以根据光学元件的位置获得。

马达可以被配置成使光学元件绕摆动轴摆动，从而产生扇形激光脉冲发射图案。

根据本发明的实施方式的机载激光扫描器包括摆动传感器，该摆动传感器被配置成提供光学元件的位置。

计算机可以被配置成计算变化的脉冲间距的基于时间的序列。可以应用所述序列而无需实时确定偏转方向。然而，在这种情况下，所应用的序列应该与光学元件的旋转或摆动同步。

光学元件可以相对于发射器布置成，使得光学元件使激光脉冲相对于旋转轴或摆动轴以规定的恒定角度偏转。

计算机可以被配置成确定马达的电流，并且基于该电流确定脉冲路径的方向。尤其是，在确定脉冲路径的方向时也考虑所规定的恒定角度。

计算机还可以被配置成从飞行器接收飞行数据，其中，所述飞行数据可以包括飞行器的飞行路径的方向。尤其是，所述飞行数据是基于时间的gnss信号。

机载激光扫描器的一个实施方式包括惯性测量单元(imu)，其中，计算机可以被配置成从imu接收航向数据并且基于该航向数据确定飞行路径的方向。

计算机和发射器可以被配置成为激光脉冲提供恒定的脉冲能量。恒定脉冲能量应被理解为至少基本上相同的脉冲能量，例如，对这种限制给予10％的容忍度。

光学元件可以被配置成使从目标反向散射的激光脉冲朝向接收器偏转。

附图说明

在下文中，将通过参照附图的示例性实施方式来详细描述本发明，在附图中：

图1示出了在地面(目标)上方飞行的飞行器、飞行器的飞行路径(轨迹)、布置在飞行器上的根据本发明的机载激光扫描器、由机载激光扫描器生成的飞行器的条带的点云、以及机载激光扫描器发射的激光脉冲；

图2a、图2b示出了机载激光扫描器的两个实施方式；

图3a、图3b示出了根据现有技术的两个示例性激光脉冲发射图案的点云；

图4a、图4b示出了根据本发明的两个示例性激光脉冲发射图案的点云；

图5a、图5b示出了机载激光扫描器的两个另外的实施方式；

图6a至图6d示出了根据本发明的脉冲调制的实施方式的四个曲线图。

具体实施方式

图1示出了在作为目标3的地面上方飞行的飞行器1、飞行器1的飞行路径6(轨迹)、布置在飞行器1上的根据本发明的机载激光扫描器2、由机载激光扫描器1发射的激光脉冲4、以及基于所述激光脉冲产生的飞行器1的条带的点云5。激光脉冲发射图案4被象征性地示出为金字塔。但实际上，它更像是一个锥形或扇形。

图2a和图2b各自象征性地示出了根据本发明的机载激光扫描器2的实施方式。图2a示出了机载激光扫描器2，其包括计算机26、发射器21和接收器25，在该示例中，它们组合在一个单元中，但是也可以单独布置。棱镜22，尤其是楔形棱镜，作为光学元件，与马达24在工作上相连接，使得它可以绕旋转轴r旋转。由马达引起的光学元件22的移动可以是连续的或者是部分旋转的移动。连续旋转的移动应理解为至少一个完整的360°旋转，尤其是永久连续的完整旋转，并且部分旋转的移动应理解为在所定义的方案中是反向的旋转，尤其是小于360°的旋转。例如，在180°旋转后，马达改变旋转方向并且返回180°，依此类推。

在光学元件22的移动期间，发射器21朝向目标发射多个连续的激光脉冲211。脉冲路径通过光学元件的移动而改变。从目标反向散射的脉冲251被接收器25接收。

计算机26连接到发射器21、接收器25和马达24，并且被配置成控制这些组件。

在实施方式中，计算机26可以另外被配置成基于飞行时间方法针对发射的和接收的激光脉冲确定从机载激光扫描器到地面的距离。由于光学元件偏转脉冲的角度以及脉冲路径的方向是已知的和/或可确定的(例如，通过角度编码器)，因此tof距离值可以与在特定测量时间的电流脉冲路径的方向(例如，诸如角度的至少一个坐标)相关联。

尤其是，基于这些关联的三维点云(点测量)可以由外部计算机在后处理中生成。在这种情况下，内部计算机26仅被配置成收集数据。该数据可以包括脉冲发射和脉冲接收的时间标记或通过所述标记计算出的距离值，以及发射/接收方向。

另选地，计算机26可以被配置成尤其是实时生成所述点云。

根据本发明，基于电流脉冲路径的垂直于飞行路径方向的水平方向上的方向分量来调制激光脉冲(或者各自的激光脉冲速率或激光脉冲间距)。

本发明允许生成具有更稳定(或：均匀)点分布并且具有更少点群的点云。

图2b中示出了机载激光扫描器2的第二实施方式，其中，该结构类似于图2a中所示的结构，但是光学元件是反射镜23而不是棱镜。而且，马达24不执行作为定位的完全旋转，而是绕摆动轴o执行摆动。尤其是，摆动轴沿着(或：平行于)反射镜的表面延伸。然而，摆动轴也可以在别处延伸。尤其是，摆动也可以理解为部分旋转的移动。

通过反射镜23的摆动定位，所发射的激光脉冲211朝向目标偏转并且沿脉冲路径返回。所述脉冲路径相对于飞行路径横向枢转。

图3a和图3b示出了根据现有技术的两个示例性激光脉冲发射图案的点云5中的不利点分布。纸平面是地面3。这些点云5由激光脉冲产生，该激光脉冲以恒定的脉冲速率或恒定的脉冲间距发射。可以认识到，马达的反向位置7的面积中的点密度与反向位置7之间的面积相比相对较高。在该反向位置7处，脉冲路径的在垂直于飞行路径的方向的水平方向上的方向分量是最大的。

图3a的图案对应于图2a的激光扫描器，其中在飞行器沿着飞行路径6移动时执行连续的完整旋转。

图3b的图案对应于图2b的激光扫描器，其中当飞行器沿着飞行路径6移动时，马达在反向位置7内摆动反射镜。

在一些实施方式中，反向位置也可以被定义为马达的位置，其中激光脉冲被光学元件以最大角度相对于飞行器的铅垂线并且在垂直于飞行器的飞行路径的平面内偏转。换句话说，在马达的反向位置中，所发射的激光脉冲测量扫描器的条带的边缘，即相对于飞行器轨迹的最大侧向面积。在该反向位置处，马达相对于图3a和图3b中垂直于飞行路径6的轴线将偏转(朝向条带的另一边缘)反转到相应的另一方向。

图4a和图4b示出了根据本发明的脉冲调制的结果。脉冲路径在垂直于飞行路径6的方向的水平方向上的方向分量越大，脉冲间距越大。换句话说，云5的点越接近反向线7，脉冲速率越低。因此，实现更均匀的点分布。

在另外的实施方式中，根据本发明的机载扫描器可以实现各种扫描图案。图5a示出了双棱镜布置，其被配置成两次偏转激光路径-一次由棱镜22偏转并且一次由棱镜22’偏转。两个棱镜可分别通过马达24和马达24’机动化。尤其是，所述马达被配置成沿相反方向旋转棱镜。

图5b示出了双光学元件布置，其被配置成两次偏转激光路径-一次由反射镜23偏转并且一次由棱镜22偏转。反射镜23和棱镜22均可以由马达24和马达24’机动化。反射镜23的摆动可以通过棱镜22的旋转而叠加。

由图5a和图5b中所示的布置(或反射镜和/或棱镜的其它组合)产生的可能的扫描图案可以具有沿着z字形路径的花或螺旋的形状。通过改变相应的旋转/摆动速度和/或方向，可以实现各种不同的图案。

根据本发明，可以是图案，脉冲越接近反向线7，脉冲速率越低，或者换句话说，脉冲路径越朝向条带的边缘。

图6a、图6b、图6c和图6d各自示出了由计算机提供给发射器的示例性脉冲调制。调制都具有共同点，它们取决于脉冲路径方向。

如果脉冲路径方向的横向(相对于飞行方向)分量达到最大值，即激光脉冲到达反向位置7，则脉冲间距8达到其最大值(或者各自：脉冲速率具有最小值)。

因此，如果马达到达一位置以便相对于飞行器的铅垂线和在垂直于飞行器的飞行路径的平面中以最小角度(尤其是0°)发射激光脉冲，则脉冲间距8达到其最小值(或者各自：脉冲速率达到其最大值)。在这种情况下，激光脉冲基本上被引导到地面上的飞行路径6上，即，脉冲路径在垂直于飞行路径的方向的水平方向上的所述方向分量是最小的，尤其是零。

脉冲间距可以根据正弦特性(图6a)、线性z字形特性(图6b)、波特性(图6c)、或锯齿特性(图6d)逐渐变化。在另一实施方式(未示出)中，脉冲间距根据阶梯特性而变化，其中，脉冲间距在一个阶梯周期内保持恒定并且然后逐步跳跃。尤其是，可以应用上述脉冲序列的任何组合。

由图6a至图6d中的箭头表示的脉冲序列4是定性图示。实际上，脉冲序列4基于相应的脉冲间距特性8略有不同。所述脉冲间距线路8也应理解为定性图示，其可能看起来是夸大的。但是，曲线图8旨在示出根据本发明在脉冲被调制的方式背后可存在各种可选的数学原理。

尽管以上部分地参照了一些优选实施方式说明了本发明，但是必须理解，可以对这些实施方式的不同特征进行多种修改和组合。所有这些修改都在所附权利要求的范围内。