用于大比例尺测图的脉冲激光雷达及其方法技术

本发明专利技术提出一种用于大比例尺测图的脉冲激光雷达及其方法，该脉冲激光雷达的激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测单元，其中N2，所述N组激光发射单元和回波探测单元以旋转轴为中心，沿激光头部外径以2π/N圆心角排布；所述激光发射单元包括激光器和发射光学系统，回波探测单元包括探测器和接收光学系统，所述发射光学系统和接收光学系统之间的距离满足：在探测距离2米至15米处的回波能量的接收率在10%-75%之间。本发明专利技术可实现较高的扫描频率，且可以提高测距动态范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光雷达
，尤其涉及一种用于大比例尺测图的脉冲激光 雷达及其方法。
技术介绍
目前，国际上用于1:2000以上大比例测图的激光雷达产品主要有中国北科天绘 R-Angle-0150、瑞士 Reigl-VQ250、加拿大Optech-VlOO等。这类产品中仅采用了单组激光 发射单元和回波探测单元来采集点云数据，因此为了满足测图分辨率指标，这类产品均使 用了高频率的固体激光器作为光源来提高系统的脉冲频率，同时还需配合使用极高转速的 电机来提高系统的扫描频率。由于固体激光器本身具有价格昂贵、使用寿命短等缺陷，而高 速电机对系统的角度分辨率、稳定性和功耗又具有不利的影响，目前这些产品的性能基本 达到极限。 测图距离是大比例测图的重要技术指标，因此需要对激光发射单元和回波探测单 元进行优化设计。为实现远距离目标的探测，提高激光发射单元中激光器的峰值功率、设计 复杂的发射光学系统压缩光束发散角或增大回波探测单元中接收光学系统的通光孔径是 有效措施，但是这也将导致近距离的回波能量非常大。当回波能量的幅值超过了放大电路 的量程范围，会出现能量过曝的现象，使得近距离的目标无法识别，严重制约到激光雷达 的测距动态范围。解决此类问题的方法一般是通过增大电路的量程范围来提升测距动态范 围，但该方法对放大器芯片的要求非常高，具有明显的局限性。 本专利技术提出了提高激光雷达脉冲频率和扫描频率的有效方法，并通过光学结构的优化 设计来提高激光雷达的测距动态范围，目前针对上述工作的研究成果少有报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中无法有效提升激光雷达的测图性 能的缺陷，提供一种可提高激光雷达脉冲频率和扫描频率的有效方法，并通过光学结构的 优化设计来提高激光雷达的测距动态范围的。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是： 提供一种用于大比例尺测图的脉冲激光雷达，该脉冲激光雷 达的激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测单元，其中N 2 2,所述N组激光发射单元和回波探测单元以旋转轴为中心，沿激光头部外径以2 /N圆 心角排布； 所述激光发射单元包括激光器和发射光学系统，回波探测单元包括探测器和接收光学 系统，所述发射光学系统和接收光学系统之间的距离满足：在2米至15米探测距离范围内 的回波能量的接收率在1〇%_75%之间。 本专利技术所述的脉冲激光雷达中，每个激光发射单元包括多个半导体激光器。 本专利技术所述的脉冲激光雷达中，每个激光发射单元包括一个固体激光器。 本专利技术还提供一种实现脉冲激光雷达大比例尺测图的方法，包括以下步骤： 51、 在激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测单元，其中N 2 2,所述N组激光发 射单元和回波探测单元以旋转轴为中心，沿激光头部外径以2 /N圆心角排布； 52、 计算不同探测距离处的回波能量接受率； 53、 根据回波能量的接收率调节激光发射单元中发射光学系统与回波探测单元中接收 光学系统之间的相对距离，以控制回波能量的接收率在1〇%_75%之间。 本专利技术所述的方法中，步骤S2中具体通过利用光线追迹软件计算不同探测距离 处的回波能量接收率。 本专利技术所述的方法中，步骤Si中在每个激光发射单元设置多个半导体激光器，以 实现高脉冲频率。 本专利技术所述的方法中，该方法中脉冲激光雷达的控制端通过并行驱动或分时驱动 的方式驱动N组激光发射和回波探测单元工作，当激光头旋转一圈时，扫描出N条螺旋线， 以增加激光雷达的扫描频率。 本专利技术产生的有益效果是：在激光雷达中采用多组激光发射单元和回波探测单 元，并对激光雷达的发射光学系统和接收光学系统的相对距离进行优化设计，使得近距离 探测的回波能量被部分接收，防止出现能量过曝现象导致近距离的目标无法识别，以此 来提高激光雷达的测距动态范围； 进一步地，通过并行驱动或分时驱动的方式扫描点云数据，在较低的电机转速下能够 实现较高的扫描频率，因此激光雷达具有角分辨率精度高、稳定性强、功耗低等优势； 进一步地，在激光雷达的激光发射单元中采用多个半导体激光器，以提高系统的脉冲 频率，具有成本低、体积小、寿命长等优势。 【附图说明】 下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中： 图1是本专利技术实施例采用2组激光发射单元和回波探测单元的激光雷达示意图，图中 1、2表示两组激光发射单元和回波探测单元； 图2是图1实施例激光雷达的双螺旋线点云扫描轨迹； 图3是本专利技术实施例采用3组激光发射单元和回波探测单元的激光雷达示意图，图中 3、4、5表示三组激光发射单元和回波探测单元； 图4是图3实施例激光雷达的三螺旋线点云扫描轨迹； 图5激光雷达近距离能量被部分接收的示意图； 图6利用Tracepr0仿真半导体激光器的激光束空间能量分布； 图7利用Tracepr0计算不同探测距离处能量接收率的光线追迹示意图，图中7表示不 同探测距离上接收光学系统的等效接收面； 图8探测距离与等效接收面上的能量接收率的关系； 图9探测距离与探测指数SD的关系，图中9表示近距离区间内探测指数SD变化，10 表示中远距离区间内探测指数SD变化； 图10探测距离与信噪比SNR的关系，图中9表示近距离区间内探测指数SD变化，10 表示中远距离区间内探测指数SD变化。 【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不 用于限定本专利技术。 本专利技术实施例的用于大比例尺测图的脉冲激光雷达实质上是一台高重频、可 360°高速旋转的脉冲激光测距仪，主要有激光发射单元、回波探测单元、测距计时单元和 扫描旋转单元等。其中，激光发射单元主要由激光器和发射光学系统组成，发射光学系统用 于压缩初始激光束的发散角，使其能够远距离传输；回波探测单元由探测器和接收光学系 统组成，接收光学系统用于收集发射激光束经目标面反射后的回波能量，并将能量汇聚在 探测器上，因此激光发射单元和回波探测单元的设计决定了激光雷达的测距范围；测距计 时单元用于记录脉冲激光发射的起始时间和回波信号的终止时间，通过测量出时间差解算 出距离信息，再通过扫描旋转单元，使得激光雷达能够对周围的目标进行360°扫描，获取 三维数据信息。本专利技术可用于1:2000以上大比例尺测图的脉冲激光雷达的设计。 本专利技术实施例中，脉冲激光雷达的激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测 单元，其中N 2 2,所述N组激光发射单元和回波探测单元以旋转轴为中心，沿激光头部外 径以2 /N圆心角排布。每组包括一个激光发射单元和一个回波探测单元。在激光雷达 中采用多组激光发射单元和回波探测单元，可通过并行驱动或分时驱动的方式扫描点云数 据，以实现多线扫描，因此在较低的电机转速下能够实现较高的扫描频率，从而使激光雷达 具有角分辨率精度高、稳定性强、功耗低等优势。 如图1所示，本专利技术的一个实施例中，采用2组激光发射单元和回波探测单元，图 中1、2表示两组激光发射单元和回波探测单元；图2所示，本专利技术的另一个实施例中，采用 3组激光发射单元和回波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于大比例尺测图的脉冲激光雷达，其特征在于，该脉冲激光雷达的激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测单元，其中N2，所述N组激光发射单元和回波探测单元以旋转轴为中心，沿激光头部外径以2π/N圆心角排布；所述激光发射单元包括激光器和发射光学系统，回波探测单元包括探测器和接收光学系统，所述发射光学系统和接收光学系统之间的距离满足：在2米至15米探测距离范围内的回波能量的接收率在10%‑75%之间。

【技术特征摘要】
1. 一种用于大比例尺测图的脉冲激光雷达，其特征在于，该脉冲 激光雷达的激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测单元，其中N 2 2,所述N组激光发射单元和回波探测单元以旋转轴为中心，沿激光头部外径以2 /N圆 心角排布； 所述激光发射单元包括激光器和发射光学系统，回波探测单元包括探测器和接收光学 系统，所述发射光学系统和接收光学系统之间的距离满足：在2米至15米探测距离范围内 的回波能量的接收率在1〇%_75%之间。2. 根据权利要求1所述的脉冲激光雷达，其特征在于，每个激光发射单元包括多个半 导体激光器。3. 根据权利要求1所述的脉冲激光雷达，其特征在于，每个激光发射单元包括一个固 体激光器或光纤激光器。4. 一种实现脉冲激光雷达大比例尺测图的方法，其特征在于，包括以下步骤： 51、 在激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测单元，其中N ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李松，史光远，田欣，周辉，黄科，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42