基于衍射光学的激光雷达及其扫描方法技术

本发明专利技术公开了一种基于衍射光学的激光雷达及其扫描方法，它包括：激光发射单元、衍射光学元件、激光回波信号接收单元、信号控制单元、信号采集处理单元和光学扫描单元。本发明专利技术采用单激光器结构，具有低成本、高灵敏度的特点，解决了多激光器带来的高成本、结构臃肿的问题，在未来市场推广极具市场竞争力。

Laser radar based on diffractive optics and its scanning method

The invention discloses a laser radar and its scanning method based on diffractive optics. It includes laser emission unit, diffractive optical element, laser echo signal receiving unit, signal control unit, signal acquisition unit and optical scanning unit. The invention adopts the single laser structure, which has the characteristics of low cost and high sensitivity. It solves the problem of high cost and overstaffed structure brought by multi laser, and is highly competitive in the market in the future.

【技术实现步骤摘要】
基于衍射光学的激光雷达及其扫描方法
本专利技术涉及一种激光雷达及其扫描方法,特别涉及一种基于衍射光学的激光雷达及其扫描方法，属于激光探测

技术介绍
激光雷达以其探测精度高、探测速度快、抗干扰能力强等特点，迅速地成为测绘建模及自主驾驶等领域的研究热点，根据搭载平台的不同，可将激光雷达分为机载激光雷达系统、车载激光雷达系统及地面激光雷达系统。机载激光雷达系统主要用于较大范围的数字城市测量建模等，而地面激光雷达系统可获取更高精度的几何数据，通常用于文化古迹的重建工作W及目标产品的逆向工程等。与之相比，车载激光雷达系统发展相对较慢，但是随着近几年自主驾驶、无人驾驶成为研究热点，车载激光雷达技术也取得了迅速的发展。车载激光雷达系统可在平台高度移动状态下获取道路及两侧的建筑物、车辆及行人等地物表面数据信息，因此成为了车辆所在位置空间数据获取的重要手段，一跃成为自主驾驶、无人驾驶领域的研究热点。目前，国内使用的无论是车载激光雷达还是机载激光雷达绝大多数是国外厂家的产品。特别是车载激光雷达产品，几乎为国外厂商所垄断，单线车载激光雷达Sick公司的产品为代表，多线激光雷达Velodyne公司的产品为标杆。虽然近年来，国内致力于激光雷达领域的研究单位日益增多，技术也相应进步，但技术上与国外产品相比还有较大的差距。目前，用于自主驾驶的车载激光雷达，由最早的单线测距逐渐向多线测距发展，由二维扫描向三维扫描发展，测量精度越来越高，反应时间越来越短，可靠性和稳定性也越来越高。在先技术之一(参见“IntergrationofaTerrestrialLaserScannerwithGPS采用GPS的陆地激光扫描集成技术”，TalayaJ,AlamusRandBoschE,etal.,IMUOrientationSensors,ISPRS2004,July12～23,IstanbulTurkey)利用德国SICK公司生产的LMS200系列激光测距设备实现高质量的自主驾驶，其激光雷达其为单线测距雷达，基于飞行时间的测量，运用非接触式测量原理，通过计算激光返回时间计算距离值，它可在180度的范围内以5度的间隔进行快速扫描采样，并将采样结果发送到处理器。但该扫描仪扫描角度仅为180度，无法完成360度全方位扫描，而且是基于单激光器的单线扫描成像，效率较低，无法用于无人驾驶车辆上。在先技术之二(参见“StaticcalibrationandanalysisoftheVelodyneHDL-64ES2forhighaccuracymobilescanning激光雷达VelodyneHDL-64ES2用于高精度移动扫描的静态标定与分析,GlennieCandLichtiDD.,RemoteSensing,2(6):1610-1624,2010”和“Feature-basedself-calibrationofVelodyneHDL-32ELiDARforterrestrialmobilemappingapplications用于地理移动信息成像的基于特征值的VelodyneHDL-32E激光雷达自标定技术,ChanTOandLichtiDD.,TheInternationalSymposiumonMobileMappingtechnology,2013”)采用64线激光雷达用于无人驾驶汽车上，进行三维实时成像和导航，自动识别信号灯和检测障碍物，其结构为非常紧凑的传感器吊舱，吊舱由64个2D线扫描仪组成。64个激光器分布在27度的垂直领域，整个27度视场360度旋转。64个激光器中每16个分成一组，一共四组，而激光探测器每姐32个，一共两组。其激光器输出波长为905纳米，具有2毫弧度的发散角。采用UDP数据包进行数据传输，里面包含单个激光束返回的距离和角度信息。改激光雷达采用的激光器过多，成本非常高，很难实现大众化。在先技术之三(参见“Mobilelaserscanninginfluvialgeomorphology:mappingandchangedetectionofpointbars河流地貌中的移动激光扫描：边滩的成像与变化监测,AlhoP,VaajaMandKukkoA,etal.,ZeitschriftFurGeomorphologieSupplementaryIssues,55(2):31-50,2011”)是英国的StreetMapper360车载激光雷达系统，为车载激光雷达的顶级配置产品，它集成了Riegl的VQ-250型激光扫描仪，安装在车顶上，再配合两台AVTPikeF421C型高速彩色数码成像系统，可完成汽车的障碍检测和路况信息获取。该系统可快速测定道路，测距精度可达5毫米，测程近300米，单扫描仪每秒可测30万个点，测量频率将近300kHz，综合测点精度可达厘米量级。该信息采用TERRAOoffice软件进行数据预处理，使用RiWORLD进行激光数据的预处理，而数据后处理软件国际上常用芬兰的TerraSolid公司的产品。该激光雷达亦采用经典的多激光器配置，成本高，而且需要配合相机进行识别，可推广性不大，属于高端用户产品。在先技术之四中，北京北科天绘2016年5月份发布的R-Fans16线激光雷达，俯仰视场为30度，测量距离为1-100米，扫描帧频＞15Hz，激光点频＞300kHz。深圳速腾聚创在2016年10月份发布的RS-LiDAR16线激光雷达，它采用混合固态的形态，测量距离100米，精度2cm，水平360度，垂直30度(±15度)，实时出点数32万点每秒。从数据而言，甚至略优于Veledyne的16线产品。上海禾赛光电科技在2016年10月份推出的禾赛32线混合固态激光雷达，探测距离150米，测量频率640kHZ，扫描频率5-20HZ，水平视场角360度，垂直视场角-16°至14°；除此之外，深圳镭神智能公司也即将推出16线激光雷达。各个公司车载激光雷达系统正在寻求车企进行合作测试研究。但是这些产品都是基于传统的多激光器阵列进行三维扫描，其成本过高，价格昂贵，不适合大范围推广。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种基于衍射光学的激光雷达及其扫描方法。本专利技术采用单激光器结构，具有低成本、高灵敏度的特点，解决了多激光器带来的高成本、结构臃肿的问题，在未来市场推广极具市场竞争力。本专利技术的技术方案：一种基于衍射光学的激光雷达，该激光雷达包括：激光发射单元，用于发射准直脉冲光；衍射光学元件，设置在激光发射单元的发射端，用于将激光发射单元发出的准直脉冲光的波前位相进行调制，将准直脉冲光在垂直方向上分成M束线性阵列照明光束；激光回波信号接收单元，内置线阵列信号探测器，用于接收线阵列照明光束照射目标后反射的激光信号；信号控制单元，与激光发射单元和激光回波信号接收单元相连，用于控制激光发射单元和激光回波信号接收单元；信号采集处理单元，与激光回波信号接收单元相连，用于实时采集和处理激光回波信号接收单元接收到的激光信号；光学扫描单元，与信号控制单元和激光发射单元相连，用于根据信号控制单元的控制命令，对激光发射单元发射的激光信号的发射方向进行调制。上述的基于衍射光学的激光雷达中，所述的信号采集处理单元具体是，用于根据激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于衍射光学的激光雷达，其特征在于：该激光雷达包括：激光发射单元，用于发射准直脉冲光；衍射光学元件，设置在激光发射单元的发射端，用于将激光发射单元发出的准直脉冲光的波前位相进行调制，将准直脉冲光在垂直方向上分成M束线性阵列照明光束；激光回波信号接收单元，内置线阵列信号探测器，用于接收线阵列照明光束照射目标后反射的激光信号；信号控制单元，与激光发射单元和激光回波信号接收单元相连，用于控制激光发射单元和激光回波信号接收单元；信号采集处理单元，与激光回波信号接收单元相连，用于实时采集和处理激光回波信号接收单元接收到的激光信号；光学扫描单元，与信号控制单元和激光发射单元相连，用于根据信号控制单元的控制命令，对激光发射单元发射的激光信号的发射方向进行调制。

【技术特征摘要】
1.一种基于衍射光学的激光雷达，其特征在于：该激光雷达包括：激光发射单元，用于发射准直脉冲光；衍射光学元件，设置在激光发射单元的发射端，用于将激光发射单元发出的准直脉冲光的波前位相进行调制，将准直脉冲光在垂直方向上分成M束线性阵列照明光束；激光回波信号接收单元，内置线阵列信号探测器，用于接收线阵列照明光束照射目标后反射的激光信号；信号控制单元，与激光发射单元和激光回波信号接收单元相连，用于控制激光发射单元和激光回波信号接收单元；信号采集处理单元，与激光回波信号接收单元相连，用于实时采集和处理激光回波信号接收单元接收到的激光信号；光学扫描单元，与信号控制单元和激光发射单元相连，用于根据信号控制单元的控制命令，对激光发射单元发射的激光信号的发射方向进行调制。2.根据权利要求1所述的基于衍射光学的激光雷达，其特征在于：所述的信号采集处理单元具体是，用于根据激光信号从激光发射单元到激光回波信号接收单元的往返时间，计算出激光发射单元与被测目标之间M个点的距离，当激光发射重复频率为NHz时，从而处理得到目标上M×N的点云图像。3.根据权利要求1所述的基于衍射光学的激光雷达，其特征在于：所述的衍射光学元件具有不等间距、周期重复的二元相位光栅。4.根据权利要求3所述的基于衍射光学的激光雷达，其特征在于：所述的衍射光学元件为达曼光栅。5.根据权利要求1所述的基于衍射光学的激光雷达，其特征在于：所述的激光回波信号接收单元内部设有M像元的线阵信号探测器。6.根据权利要求1所述的基于衍射光学的激光雷达，其特征在于：包括底座，底座上方设有柱状壳体，激光发射单元和激光回波信号接收单元设置在柱状壳体的底部，所述的柱状壳体的上部设有激光回波信号接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘卫清，孙建锋，戴恩文，职亚楠，田克汉，
申请(专利权)人：杭州爱莱达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33