一种基于TOF的多波束激光测距传感器制造技术

本发明专利技术提供一种基于TOF的多波束激光测距传感器，包括数字处理单元、激光发射单元、光学系统单元和激光接收单元；所述激光发射单元用于根据所述数字处理单元发送来的激光发射信号发射至少三路激光；所述光学系统单元用于将每路激光聚焦至被测物体，并将经所述被测物体反射回来的激光聚焦至所述激光接收单元；所述激光接收单元用于基于接收到的激光生成激光接收信号，并发送至所述数字处理单元；所述数字处理单元用于基于所述激光发射信号和所述激光接收信号获取对应的激光到所述被测物体的距离。本发明专利技术的基于TOF的多波束激光测距传感器通过多波束激光测距解决了现有激光测量频率和分辨率低、物体轮廓不清晰、探测视野窄的问题。

A TOF-based Multi-beam Laser Ranging Sensor

【技术实现步骤摘要】
一种基于TOF的多波束激光测距传感器
本专利技术涉及激光测距传感器的
，特别是涉及一种基于飞行时间(TimeofFlight，TOF)的多波束激光测距传感器。
技术介绍
TOF技术是指传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，根据时间差或者相位差来换算物体的距离，以产生深度信息，此外再结合物体反射的回波能量强度，结合测量距离的远近，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。现有技术中，基于TOF的激光测距传感器大多以单束激光发射为测量核心。其中，单束激光测距传感器以一个激光点投射物体表面，测量当前物体到测距中心的距离，其更多地应用在安防工程等方面。随着激光雷达领域的发展，单线激光测距已经不能满足运营需要，如自动导引运输车(AutomatedGuidedVehicle，AGV)导航避障、无人驾驶飞机(UnmannedAerialVehicle，UAV)定高与测绘、安防监测、汽车无人辅助驾驶等应用。这些应用都需要激光测距传感器能以三维或者更多细节的实时、高速的反应前方环境以及物体状态。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于TOF的多波束激光测距传感器，通过多波束激光测距解决了现有激光测量频率和分辨率低、物体轮廓不清晰、探测视野窄的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于TOF的多波束激光测距传感器，包括数字处理单元、激光发射单元、光学系统单元和激光接收单元；所述激光发射单元与所述数字处理单元相连，用于根据所述数字处理单元发送来的激光发射信号发射至少三路激光；所述光学系统单元与所述激光发射单元和所述激光接收单元相连，用于将每路激光聚焦至被测物体，并将经所述被测物体反射回来的激光聚焦至所述激光接收单元；所述激光接收单元与所述光学系统单元和所述数字处理单元相连，用于基于接收到的激光生成激光接收信号，并发送至所述数字处理单元；所述数字处理单元用于基于所述激光发射信号和所述激光接收信号获取对应的激光到所述被测物体的距离。于本专利技术一实施例中，所述数字处理单元包括FPGA模块和TOF飞行时差测量电路；所述TOF飞行时差测量电路用于计算所述激光发射信号和所述激光接收信号的时差；所述FPGA模块用于产生激光发射信号并发送至所述激光发射单元，以及根据所述时差计算对应的激光与所述被测物体之间的距离。于本专利技术一实施例中，所述激光发射单元包括激光驱动电路和阵列激光二极管；所述阵列激光二极管包括至少三个上下并行排列的激光二极管；所述激光驱动电路用于基于所述激光发射信号生成所述激光二极管的驱动信号，以驱动各个激光二极管分时发射激光；所述激光接收单元包括阵列APD二极管和激光接收电路；所述阵列APD二极管包括至少三个上下并行排列的APD二极管，且所述APD二极管与所述激光二极管排列顺序一一对应；每个APD二极管用于接收对应的激光二极管发出的激光，所述激光接收电路用于生成激光接收信号并输出至所述数字处理单元。于本专利技术一实施例中，所述激光驱动电路包括单个高速驱动电路和与所述激光二极管一一对应的激光二极管控制电路；所述高速驱动电路用于基于所述激光发射信号生成激光二极管驱动信号；所述激光二极管控制电路用于控制对应的激光二极管的开断，以实现多个激光二极管的分时导通。于本专利技术一实施例中，所述激光接收电路包括I/V电路、增益放大电路、恒比定时电路和数字整形电路；所述I/V电路用于将所述APD二极管输出的电流信号转换为电压信号；所述增益放大电路用于放大所述电压信号；所述恒比定时电路和所述数字整形电路分别用于对放大后的电压信号进行恒比定时和数字整形。于本专利技术一实施例中，所述阵列激光二极管中的激光二极管上下呈预设角度排列；所述阵列APD二极管中的APD二极管上下呈所述预设角度排列。于本专利技术一实施例中，所述激光二极管和所述APD二极管的个数为3-16个。于本专利技术一实施例中，所述光学系统单元包括发射镜面和接收镜面；所述发射镜面用于将所述激光二极管发射出的激光聚焦至所述被测物体；所述接收镜面用于将所述被测物体反射回来的激光聚焦至与所述激光二极管对应的APD二极管。于本专利技术一实施例中，还包括系统补偿单元，与所述激光接收单元和所述数字处理单元相连，包括温度补偿电路和APD高压补偿电路；所述温度补偿电路用于采集所述阵列APD二极管的温度信息，并输出至所述数字处理单元；所述APD高压补偿电路用于生成直流高压以驱动所述阵列APD二极管，并采集所述阵列APD二极管上的电压信息输出至所述数字处理单元；所述数字处理单元还用于基于所述温度信息对所述阵列APD二极管进行温度补偿和高压补偿，并根据所述电压信息修正所述直流高压。于本专利技术一实施例中，所述激光发射信号为窄脉冲信号，所述窄脉冲信号的频率平均分配至每个激光二极管，作为所述激光二极管的驱动频率。如上所述，本专利技术所述的基于TOF的多波束激光测距传感器，具有以下有益效果：(1)采用光学结构和电路设计，在同一时刻激光发射单元只会驱动一只激光二极管，同时基于接收单元的雪崩光电二极管(APD)与发射单元的激光二极管(LD)之间的接收角度，保证同一时刻接收单元APD能量是最大的，并且多只APD输出并联在一起，增大了接收端的灵敏度；并基于算法判断该时刻接收信号是否有效，保证了信号的有用性；(2)具有三维空间测量的特点，能够实现多束激光发射多束激光接收，每一个激光发射电路对应一个激光接收电路，激光收发器件一一对应并上下呈一定的角度排列，在水平扫描的情况下能够形成三维图形；(3)具有宽视野探测的特点，最大能在30度的视野范围内进行目标距离探测，其中心角度为0，上下排列最大角度范围15度；(4)具有超高速测距的特点，多束激光能够在320kz的频率下依次以20khz的频率驱动每一个激光二极管，且各个激光二极管互不干扰，最高可达到每秒钟3200000次测距次数；(5)相比传统的多线接收电路，电路简单，成本低，可靠性高，体积小等特点；(6)采用高速FPGA模块做控制核心单元，外部拥有多个TOF测量通道，分别由高速FPGA模块控制其测量和数据输出，适用于3-16个时差测量通道，能同时测量多路激光飞行时差，具有多通道高速测量等特点；(7)适用于高速多线激光雷达行业。附图说明图1显示为本专利技术的基于TOF的多波束激光测距传感器于一实施例中的结构示意图；图2显示为本专利技术的激光发射单元于一实施例中的结构示意图；图3显示为本专利技术的窄脉冲信号与时钟信号于一实施例中的时序示意图；图4显示为本专利技术的窄脉冲信号与各个激光二极管上的驱动信号于一实施例中的时序示意图；图5显示为本专利技术的光学系统单元于一实施例中的工作原理示意图；图6显示为本专利技术的激光飞行起始测量信号和时差飞行信号于一实施例中的时序图。元件标号说明1数字处理单元11FPGA模块12TOF飞行时差测量电路2激光发射单元21激光驱动电路211高速驱动电路212激光二极管控制电路22阵列激光二极管3光学系统单元31发射镜面32接收镜面4激光接收单元41阵列APD二极管42激光接收电路5系统补偿单元51温度补偿电路52APD高压补偿电路具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TOF的多波束激光测距传感器，其特征在于：包括数字处理单元、激光发射单元、光学系统单元和激光接收单元；所述激光发射单元与所述数字处理单元相连，用于根据所述数字处理单元发送来的激光发射信号发射至少三路激光；所述光学系统单元与所述激光发射单元和所述激光接收单元相连，用于将每路激光聚焦至被测物体，并将经所述被测物体反射回来的激光聚焦至所述激光接收单元；所述激光接收单元与所述光学系统单元和所述数字处理单元相连，用于基于接收到的激光生成激光接收信号，并发送至所述数字处理单元；所述数字处理单元用于基于所述激光发射信号和所述激光接收信号获取对应的激光到所述被测物体的距离。

【技术特征摘要】
1.一种基于TOF的多波束激光测距传感器，其特征在于：包括数字处理单元、激光发射单元、光学系统单元和激光接收单元；所述激光发射单元与所述数字处理单元相连，用于根据所述数字处理单元发送来的激光发射信号发射至少三路激光；所述光学系统单元与所述激光发射单元和所述激光接收单元相连，用于将每路激光聚焦至被测物体，并将经所述被测物体反射回来的激光聚焦至所述激光接收单元；所述激光接收单元与所述光学系统单元和所述数字处理单元相连，用于基于接收到的激光生成激光接收信号，并发送至所述数字处理单元；所述数字处理单元用于基于所述激光发射信号和所述激光接收信号获取对应的激光到所述被测物体的距离。2.根据权利要求1所述的基于TOF的多波束激光测距传感器，其特征在于：所述数字处理单元包括FPGA模块和TOF飞行时差测量电路；所述TOF飞行时差测量电路用于计算所述激光发射信号和所述激光接收信号的时差；所述FPGA模块用于产生激光发射信号并发送至所述激光发射单元，以及根据所述时差计算对应的激光与所述被测物体之间的距离。3.根据权利要求1所述的基于TOF的多波束激光测距传感器，其特征在于：所述激光发射单元包括激光驱动电路和阵列激光二极管；所述阵列激光二极管包括至少三个并行排列的激光二极管；所述激光驱动电路用于基于所述激光发射信号生成所述激光二极管的驱动信号，以驱动各个激光二极管分时发射激光；所述激光接收单元包括阵列APD二极管和激光接收电路；所述阵列APD二极管包括至少三个并行排列的APD二极管，且所述APD二极管与所述激光二极管排列顺序一一对应；每个APD二极管用于接收对应的激光二极管发出的激光，所述激光接收电路用于生成激光接收信号并输出至所述数字处理单元。4.根据权利要求3所述的基于TOF的多波束激光测距传感器，其特征在于：所述激光驱动电路包括单个高速驱动电路和与所述激光二极管一一对应的激光二极管控制电路；所述高速驱动电路用于基于所述激光发射信号生成激光二极管驱动信...

【专利技术属性】
技术研发人员：冉迎春，徐玮，周驰，金超，唐旋来，李通，
申请(专利权)人：上海擎朗智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31