CN107356930A - 一种振镜全景扫描装置及其扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种振镜全景扫描装置及其扫描方法，包括控制处理模块及与其连接的激光发射模块、扫描模块和激光接收模块；激光发射模块包括激光器、准直透镜组，激光器发射的探测激光束被准直透镜准直后发射出去；扫描模块包括振镜和第一反射器，振镜将准直后的探测激光束进行偏转发射至第一反射器，由第一反射器将探测激光束反射至目标物体上；激光接收模块包括接收望远镜和光探测器，从被目标物体表面反射或漫反射回来的激光回波入射到接收望远镜；控制处理模块，对激光器、振镜及光探测器的工作状态进行控制和感知并作数据处理分析。本发明装调难度小，无需对多路测距***逐一装调，振镜频率比机械旋转部件的频率高，扫描速度更快。

Description

一种振镜全景扫描装置及其扫描方法

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，特别是一种振镜全景扫描装置及其扫描方法。

背景技术

近几年，随着人工智能的发展，自动驾驶、辅助驾驶兴起，推动了激光雷达在民用领域的应用。

从技术原理来看，用于民用的扫描激光雷达主要有两种类型：第一种是多束激光并排绕轴旋转360°，每束激光扫描一个平面；第二种是固态激光雷达，采用光学相控阵扫描方式对目标进行扫描；第一种机械旋转扫描激光雷达是由多个单点测距***并排组合之后绕机械轴旋转来实现三维全景扫描的；而第二种固态激光雷达技术由于现有的光学相控阵扫描角度较小，目前还无法实现全景扫描。

发明内容

本发明为了克服现有机械旋转的激光雷达扫描角度固定、扫描速度低、装调工作量大等问题，提供一种新的激光雷达。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种振镜全景扫描装置，包括控制处理模块及与其连接的激光发射模块、扫描模块和激光接收模块；激光发射模块包括激光器、准直透镜，所述激光器发射的探测激光束被准直透镜准直后发射出去；扫描模块包括振镜和第一反射器，所述振镜将准直后的探测激光束偏转至第一反射器，由第一反射器将探测激光束反射至目标物体上；激光接收模块包括接收望远镜和光探测器，从被目标物体表面反射或漫反射回来的激光回波入射到接收望远镜；控制处理模块，对所述激光器、振镜及光探测器的工作状态进行控制和感知并作数据处理分析。

优选地，所述第一反射镜为锥形反射器。

优选地，所述锥形反射器为外锥形反射器或内锥形反射器的一种。

优选地，所述外锥形反射器，探测激光束由振镜偏转后进入空气介质，到达外锥形反射器反射面后经反射沿着赤道方向出射；所述内锥形反射器，其外形面可以是圆柱形、球形、方形或是其他形状的一种，内锥形反射器内部为锥形中空，锥形面为内锥形反射面的全反射面，外形面和锥形面之间为折射率均匀分布的光学玻璃或者光学塑料等光学介质的一种，以确保探测激光束能在反射面上能发生全反射；探测激光束由振镜偏转后先通过锥形反射器折射率均匀分布的光学介质再到达锥形反射器的全反射面，经过全反射后沿赤道方向出射。

优选地，所述外锥形反射器的反射面上，或者内锥形反射器的外部外形表面，可附着有微细光学结构，优化探测激光束的出射光束结构。

优选地，所述激光发射模块进一步包括第二反射镜，探测激光束从侧面水平入射至第二反射镜，第二反射镜为平面反射镜，设置于锥形反射器顶端且倾斜45°放置，探测光束从侧面水平入射至第二反射镜上，探测光束被第二反射镜反射后竖直入射到振镜上。

优选地，所述振镜为MEMS二维振镜。

优选地，二维振镜的驱动方式有：静电驱动、电磁驱动和压电驱动。

优选地，所述二维振镜的最大扭转角为β，同时两个维度的最大扭转角均为β，通过调整二维振镜的最大扭转角和相位，使得调节控制振镜两个维度振动频率相同、相位差恒定，根据光学反射镜的二倍角关系，从振镜正上方垂直入射并被振镜反射的探测激光束轨迹为半锥角2β的环锥形，即经振镜偏转后的探测激光束形成环锥形扫描轨迹。

优选地，所述探测激光束从激光发射模块出射后，从侧面水平入射或从锥形反射器上方穿过锥形反射器向下入射到扫描模块。

优选地，所述被目标物体表面反射回来的激光回波依次入射到接收望远镜和光探测器，激光回波被光探测器接收并转化为电信号后，由控制处理模块处理。

优选地，所述振镜全景扫描装置还包括与控制处理模块连接的输出模块，当控制处理模块处理整合测量数据后并传输至所述输出模块，由输出模块输出数据。

优选地，所述接收望远镜为开普勒望远镜、卡塞格林望远镜或其他望远镜的一种；所述光探测器为雪崩光电二极管、光电倍增管、半导体光电二极管、光电耦合器件、互补金属氧化物半导体或电荷注入器的一种。

优选地，所述控制处理模块可控制激光器的功率、出光频率、脉宽以及MEMS振镜的振动角度和振动频率等；控制处理模块同时负责整合处理光探测器所采集的扫描数据并对扫描数据进行计算，计算出目标物***置、速度、姿态以及旋转等状态，解算出目标物体信息后传输至输出模块由输出模块将数据输出显示。

优选地，一种振镜全景扫描装置及其扫描方法，包括以下步骤：

步骤1)针对目标物体上某一单点，激光发射模块发射出准直探测激光束入射至扫描模块；

步骤2)振镜对探测激光束进行偏转，通过控制振镜最大扭转角和相位差，使探测激光束偏转后形成环锥形扫描轨迹；

步骤3)第一反射镜将振镜偏转后的探测激光束再次反射，探测激光束沿赤道方向出射；

步骤4)探测激光束扫描目标物体的某一单点，形成激光回波被激光接收模块接收；

步骤5)控制处理模块计算确定该单点的距离及角度信息，完成该单点测量。

步骤6)循环步骤1)到步骤5)直至目标物体所有单点完成扫描测量。

优选地，所述的一种振镜全景扫描装置及其扫描方法，步骤2)包括以下步骤：

步骤21)探测激光束偏转后形成锥形扫描轨迹后，振镜向控制处理模块反馈其瞬时扭转角。

优选地，所述的一种振镜全景扫描装置及其扫描方法，步骤3)包括以下步骤：

步骤31)探测激光束在第一反射镜赤道方向上进行360°扫描；

步骤32)扫描后的探测激光束沿赤道方向出射。

优选地，在步骤31)赤道方向上360°扫描的方位角度θ确定方法：根据振镜反馈的瞬时扭转角的β_x和β_y，相位差±π/2和两个互相垂直的简谐运动的合成，即有cosθ＝β_x/β。

优选地，所述的一种振镜全景扫描装置及其扫描方法，步骤5)包括以下步骤：

步骤51)该单点的距离：d＝0.5ct；

其中：c为光速；t为探测激光束发射和光探测器接收探测激光束时间差；c为常量，t根据激光雷达内部电路处理获得；

步骤52)该单点在子午方向俯仰角度：γ＝90°-2(α-β)，α＞2β。

其中：β为振镜最大偏转角；α为锥形反射器的半锥角；α预先确定，β根据振镜反馈的瞬时扭转角获得。

优选地，γ可正可负，通过控制振镜的最大扭转角β变化可实现子午方向上小于180度的扫描。

本发明的有益效果：该装置结构简洁，相对于现有技术中的混合固态扫描技术，该装置装调难度小，无需对多路测距***逐一装调；其次，扫描装置无机械旋转部件，既可实现锥形反射器赤道方向上的360°扫描，又可实现子午方向按需要在一定范围内扫描，子午方向扫描角度小于180°，可控性强；该装置中，振镜频率高于机械旋转部件，且扫描速度更快；该装置的二维振镜最小分辨角可达0.05°，据此可精确控制探测激光束发出时间以达到探测激光束与二维振镜高度配合，实现可调的高精度指向测量。

附图说明

图1是本发明的模块结构框图；

图2是本发明的优选实施例总体结构框图；

图3是本发明的优选实施例振镜全景扫描工作原理示意图；

图4是本发明的简化实施例总体结构框图；

图5是本发明的简化实施例振镜全景扫描工作原理示意图；

图6是本发明的一种内锥形反射器示意图。

图中，控制处理模块100，激光发射模块200，激光器201，准直透镜202，扫描模块300，MEMS二维振镜301，第一反射器302，第二反射镜303，激光接收模块400，接收望远镜401，光探测器402，输出模块500。

具体实施方式

参照图1-图3，一种振镜全景扫描装置，包括控制处理模块100及与其连接的激光发射模块200、扫描模块300和激光接收模块400；激光发射模块200包括激光器201、准直透镜202，所述激光器201发射的探测激光束被准直透镜202准直后发射出去；扫描模块300包括振镜和第一反射器302，所述振镜将准直后的探测激光束偏转至第一反射器302，第一反射镜为外锥形反射器，外锥形反射器外壁，即外锥形反射器的反射面光滑且镀有反射膜，减少探测激光束的反射光损失，由第一反射器302将探测激光束反射至目标物体上；激光接收模块400包括接收望远镜401和光探测器402，从被目标物体表面反射或漫反射回来的激光回波入射到接收望远镜401；控制处理模块100，对所述激光器201、振镜301及光探测器402的工作状态进行控制和感知并作数据处理分析。

激光发射模块200进一步包括第二反射镜303，探测激光束从侧面水平入射至第二反射镜303，第二反射镜303为平面反射镜，设置于锥形反射器顶端且倾斜45°放置，探测光束从侧面水平入射至第二反射镜303上，探测光束被第二反射镜303反射后竖直入射到振镜上，振镜为MEMS二维振镜301，振镜采用静电驱动方式工作。

MEMS二维振镜301的最大扭转角为β，且两个维度的最大扭转角均为β，通过调整MEMS二维振镜301的最大扭转角和相位差，使得调节控制MEMS二维振镜301两个维度振动频率相同、相位差恒定，根据光学反射镜的二倍角关系，从MEMS二维振镜301正上方竖直入射并被MEMS二维振镜301反射的探测激光束轨迹为半锥角2β的环锥形，即经MEMS二维振镜301偏转后的探测激光束形成环锥形扫描轨迹。

被目标物体表面反射回来的激光回波依次入射到接收望远镜401和光探测器402，激光回波被光探测器402接收并转化为电信号后，由控制处理模块100处理；当控制处理模块100处理整合测量数据后并传输至输出模块500，由输出模块500输出数据；其中，控制处理模块100可控制激光器201的功率、出光频率、脉宽以及MEMS二维振镜301的振动角度和振动频率等；控制处理模块100同时负责整合处理光探测器402所采集的扫描数据并对扫描数据进行计算，计算出目标物***置、速度、姿态以及旋转等状态，解算出目标物体信息后传输至输出模块500由输出模块500将数据输出显示。

在本优选实施例中，激光器201作为出射光源，为激光二极管，针对目标物体上某一单点，激光二极管发射出探测激光束，探测激光束入射准直透镜202进行准直，准直后的探测激光束从侧面水平入射至设置于外锥形反射器顶端且倾斜45°放置的平面反射镜，探测光束被平面反射镜反射后竖直入射到MEMS二维振镜301上，MEMS二维振镜301采用静电驱动方式工作，MEMS二维振镜301的最大扭转角为β，且两个维度的最大扭转角均为β，通过调整MEMS二维振镜301的最大扭转角和相位差，使得调节控制MEMS二维振镜301两个维度振动频率相同、相位差±π/2恒定，根据光学反射镜的二倍角关系，从MEMS二维振镜301正上方垂直入射并被MEMS二维振镜301反射的探测激光束轨迹为半锥角2β的环锥形，即经MEMS二维振镜301偏转后的探测激光束形成环锥形扫描轨迹，探测激光束偏转后形成锥形扫描轨迹后，MEMS二维振镜301向控制处理模块100反馈其瞬时扭转角β_x和β_y。

外锥形反射器将MEMS二维振镜301偏转后的探测激光束再次反射，探测激光束沿赤道方向出射，外锥形反射器外壁覆盖有反射膜，减少探测激光束的反射光损失，探测激光束沿赤道方向出射时，在锥形反射器赤道方向上进行360°扫描，赤道方向上360°扫描的方位角度设为θ确定方法：根据MEMS二维振镜301反馈的瞬时扭转角的β_x和β_y，相位差±π/2和两个互相垂直的简谐运动的合成，即有 cosθ＝β_x/β；探测激光束沿赤道方向出射至目标物体上进行扫描，被目标物体表面反射回来的激光回波依次入射到开普勒望远镜和半导体光电二极管，激光回波被半导体光电二极管接收并转化为电信号后，由控制处理模块100处理，控制处理模块100控制激光器201的功率、出光频率、脉宽以及MEMS二维振镜301的振动角度和振动频率等；控制处理模块100同时负责整合处理光探测器402所采集的扫描数据并对扫描数据进行计算，计算出目标物***置、速度、姿态以及旋转等状态，解算出目标物体信息后传输至输出模块500由输出模块500将数据输出显示。

控制处理模块100计算确定该单点的距离及角度信息，其中，该单点的距离：d＝0.5ct，c为光速；t为探测激光束发射和光探测器402接收探测激光束时间差；该单点在子午方向俯仰角度：γ＝90°-2(α-β)，α＞2β，β为MEMS二维振镜301最大偏转角；α为锥形反射器的半锥角；γ可正可负，通过控制MEMS二维振镜301的最大扭转角β变化可实现子午方向上小于180度的扫描，完成该单点测量；循环上述步骤直至目标物体所有单点完成扫描测量。

扫描装置无机械旋转部件，既可实现锥形反射器赤道方向上的360°扫描，又可实现子午方向按需要在一定范围内扫描，子午方向扫描角度小于180°；该装置中，MEMS二维振镜301频率高于机械旋转部件，且扫描速度更快；该装置的MEMS二维振镜301最小分辨角可达0.05°，据此可精确控制探测激光束发出时间以达到探测激光束与MEMS二维振镜301高度配合，实现可调的高精度指向测量。

作为简化实施例，参照图1、图4-图5，相对于优选实施例，简化实施例撤走第二反射镜303，激光二极管发射出探测激光束，探测激光束入射准直透镜202进行准直，准直后的探测激光束从外锥形反射器上方穿过外锥形反射器竖直入射到MEMS二维振镜301上，MEMS二维振镜301采用静电驱动方式工作，MEMS二维振镜301的最大扭转角为β，且两个维度的最大扭转角均为β，通过调整MEMS二维振镜301的最大扭转角和相位差，使得调节控制MEMS二维振镜301两个维度振动频率相同、相位差恒定，根据光学反射镜的二倍角关系，从MEMS二维振镜301正上方垂直入射并被MEMS二维振镜301反射的探测激光束轨迹为半锥角2β的环锥形，即经MEMS二维振镜301偏转后的探测激光束形成环锥形扫描轨迹，探测激光束偏转后形成锥形扫描轨迹后，MEMS二维振镜301向控制处理模块100反馈其瞬时扭转角β_x和β_y。

外锥形反射器将MEMS二维振镜301偏转后的探测激光束再次反射，探测激光束沿赤道方向出射，外锥形反射器外壁覆盖有反射膜，减少探测激光束的反射光损失，探测激光束沿赤道方向出射时，在锥形反射器赤道方向上进行360°扫描，赤道方向上360°扫描的方位角度设为θ确定方法：根据MEMS二维振镜301反馈的瞬时扭转角的β_x和β_y，相位差±π/2和两个互相垂直的简谐运动的合成，即有 cosθ＝β_x/β；探测激光束沿赤道方向出射至目标物体上进行扫描，被目标物体表面反射回来的激光回波依次入射到开普勒望远镜和半导体光电二极管，激光回波被半导体光电二极管接收并转化为电信号后，由控制处理模块100处理，控制处理模块100控制激光器201的功率、出光频率、脉宽以及MEMS二维振镜301的振动角度和振动频率等；控制处理模块100同时负责整合处理光探测器402所采集的扫描数据并对扫描数据进行计算，计算出目标物***置、速度、姿态以及旋转等状态，解算出目标物体信息后传输至输出模块500由输出模块500将数据输出显示。

控制处理模块100计算确定该单点的距离及角度信息，其中，该单点的距离：d＝0.5ct，c为光速；t为探测激光束发射和光探测器402接收探测激光束时间差；该单点在子午方向俯仰角度：γ＝90°-2(α-β)，α＞2β，β为MEMS二维振镜301最大偏转角；α为锥形反射器的半锥角；γ可正可负，通过控制MEMS二维振镜301的最大扭转角β变化可实现子午方向上小于180度的扫描，完成该单点测量；循环上述步骤直至目标物体所有单点完成扫描测量。

当锥形反射器选用如图6的内锥形反射器时，其外形面为圆柱形，内锥形反射器内部为锥形中空，锥形面为内锥形反射面的全反射面，外形面和锥形面之间为折射率均匀分布的光学玻璃，以确保探测激光束能在反射面上能发生全反射；探测激光束由振镜偏转后先通过锥形反射器折射率均匀分布的光学介质再到达锥形反射器的全反射面，经过全反射后沿赤道方向出射。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种振镜全景扫描装置，包括控制处理模块及与其连接的激光发射模块、扫描模块和激光接收模块；其特征在于，

激光发射模块包括激光器、准直透镜，所述激光器发射的探测激光束被准直透镜准直后发射出去；

扫描模块包括振镜和第一反射器，所述振镜将准直后的探测激光束偏转至第一反射器，由第一反射器将探测激光束反射至目标物体上；

激光接收模块包括接收望远镜和光探测器，从被目标物体表面反射或漫反射回来的激光回波入射到接收望远镜；

控制处理模块，对所述激光器、振镜及光探测器的工作状态进行控制和感知并作数据处理分析。

2.根据权利要求1所述的一种振镜全景扫描装置，其特征在于，所述第一反射镜为锥形反射器。

3.根据权利要求2所述的一种振镜全景扫描装置，其特征在于，所述锥形反射器为外锥形反射器或内锥形反射器的一种。

4.根据权利要求1所述的一种振镜全景扫描装置，其特征在于，所述激光发射模块进一步包括第二反射镜，探测激光束从侧面水平入射至第二反射镜，探测激光束被第二反射镜反射竖直入射至振镜。

5.根据权利要求4所述的一种振镜全景扫描装置，其特征在于，所述振镜为MEMS二维振镜。

6.根据权利要求5所述的一种振镜全景扫描装置，其特征在于，所述振镜的最大扭转角为β，通过调整振镜的最大扭转角和相位差，调节控制振镜两个维度振动频率相同、相位差恒定，经振镜偏转后的探测激光束形成环锥形扫描轨迹。

7.根据权利要求1所述的一种振镜全景扫描装置，其特征在于，所述探测激光束从激光发射模块出射后，从侧面水平入射或从锥形反射器上方穿过锥形反射器向下入射到扫描模块。

8.一种振镜全景扫描装置及其扫描方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)针对目标物体上某一单点，激光发射模块发射出准直探测激光束入射至扫描模块；

步骤2)振镜对探测激光束进行偏转，通过控制振镜最大扭转角和相位差，使探测激光束偏转后形成环锥形扫描轨迹；

步骤3)第一反射镜将振镜偏转后的探测激光束再次反射，探测激光束沿赤道方向出射；

步骤4)探测激光束扫描目标物体的某一单点，形成激光回波被激光接收模块接收；

步骤5)控制处理模块计算确定该单点的距离及角度信息，完成该单点测量。

步骤6)循环步骤1)到步骤5)直至目标物体所有单点完成扫描测量。

9.根据权利要求8所述的一种振镜全景扫描装置及其扫描方法，其特征在于，步骤2)包括以下步骤：

步骤21)探测激光束偏转后形成锥形扫描轨迹后，振镜向控制处理模块反馈其瞬时扭转角。

10.根据权利要求8所述的一种振镜全景扫描装置及其扫描方法，其特征在于，步骤5)包括以下步骤：

步骤51)该单点的距离：d＝0.5ct，

其中：c为光速；t为探测激光束发射和光探测器接收探测激光束时间差；c为常量，t根据激光雷达内部电路处理获得；

步骤52)该单点在子午方向俯仰角度：γ＝90°-2(α-β)，α＞2β，

其中：β为振镜最大偏转角；α为锥形反射器的半锥角；α预先确定，β根据振镜反馈的瞬时扭转角获得。