一种片状锥形转镜推扫式激光雷达高速扫描成像方法和系统技术方案

本申请公开了一种片状锥形转镜推扫式激光雷达高速扫描成像方法，采用氮化镓(GaN)功率场效应管驱动电路驱动激光器发射脉冲激光；通过片状锥形转镜周期性地改变脉冲激光的出射方向，对目标的高速扫描，形成目标的三维点云，完成三维成像。本申请还提出了用于实现所述方法的装置。本申请的目的在于解决现有的转镜式扫描成像激光雷达角度分辨率低、发射重频低、转镜体积大质量重、转动惯量高、非线性误差大、数学模型复杂和预处理过程复杂等问题。数学模型复杂和预处理过程复杂等问题。数学模型复杂和预处理过程复杂等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种片状锥形转镜推扫式激光雷达高速扫描成像方法和系统


[0001]本申请涉及激光雷达成像
，尤其涉及一种基于片状锥形转镜的推扫式激光雷达高速扫描成像方法和系统。

技术介绍

[0002]成像式激光雷达(Light Detection and Ranging，LiDAR)作为主动式环境感知的智能传感器，相比于传统摄像头和被动红外探测技术，其不受光照环境和目标特性等条件限制，能有效滤除杂散背景光，具有抗干扰性强，分辩率高，测量精度高等优点，在军事、测绘、通信和自动驾驶等领域得到广泛的应用和发展。其中，转镜式扫描成像作为一种高速扫描成像方式也得到了广泛的应用。然而目前的转镜式扫描成像激光雷达具有角度分辨率低、发射重频不高、转镜体积大质量重、转动惯量大不易控制、非线性误差大、模型复杂、预处理过程复杂的缺点，使其无法小型化、轻量化和解算过程简单化，也无法达到更高的角度分辨率。

技术实现思路

[0003]本申请提出一种片状锥形转镜推扫式激光雷达高速扫描成像方法和系统，本专利技术的目的在于解决现有的转镜式扫描成像激光雷达角度分辨率低、发射重频低、转镜体积大质量重、转动惯量高、非线性误差大、数学模型复杂和预处理过程复杂的问题，使得转镜式扫描成像激光雷达能够小型化、轻型化和解算过程简单化，并且将角度分辨率提升一倍。
[0004]一方面，本申请实施例提出一种片状锥形转镜推扫式激光雷达高速扫描成像方法，包含以下步骤：
[0005]采用氮化镓(GaN)功率场效应管驱动电路驱动激光器发射脉冲激光；
[0006]通过片状锥形转镜周期性地改变脉冲激光的出射方向，使其根据特定扫描方式完成对目标的高速扫描，转镜每转过一个面即完成一行点云的扫描，每转过一圈可以完成多行点云的扫描；
[0007]驱动电机带动片状锥形转镜以定速模式或者定角度模式旋转，与激光发射相互配合，角度传感器实时测量转镜旋转角度，在闭环控制算法的控制下构成位置闭环与速度闭环系统；
[0008]根据回波激光信号与发射激光信号之间的时间差值解算出球坐标系下目标与激光器的直线距离，经过回波信号预处理算法后，再根据系统固有前倾角和旋转角参数，转换成笛卡尔坐标系下激光脚点的三维坐标；
[0009]根据推扫获得的位置信息，再结合获得的每个点的三维坐标，形成目标的三维点云，完成三维成像。
[0010]优选地，电机旋转模式为定速模式，驱动电机在速度闭环控制算法下以稳定的转速旋转，同时氮化镓驱动电路以固定的时间间隔驱动激光器发射脉冲激光，角度传感器记录激光发射时刻转镜的角度，传输至处理器进行实时解算。
[0011]或者，优选地，电机旋转模式为定角度模式，每当驱动电机转到特定角度时，高精度角度传感器产生一个触发信号，触发信号触发氮化镓驱动电路发射脉冲激光，使得脉冲激光等角度间隔发射。
[0012]进一步地，所述回波信号预处理算法，在前倾角大于第一阈值、目标距离近于第二阈值或者对测量精度要求高于第三阈值的场景下，需要先对回波信号进行预处理，然后再进行三维坐标解算；在前倾角小于第一阈值、目标距离远于第二阈值或者对测量精度要求低于第三阈值的场景下，片状锥形转镜带来的测距非线性效应为微米级，无需进行回波信号进行预处理，直接进行三维坐标解算。
[0013]进一步优选地，所述片状锥形转镜每旋转一个面即完成一次点云的单行扫描，每旋转一周可以完成多行扫描，其转角θ满足扫描视场角；在设定的光电探测器灵敏度条件下，调整其外接圆半径和高度直至探测目标点的距离的系统误差低于设定阈值。
[0014]另一方面，本申请还提出一种片状锥形转镜的高速激光雷达推扫扫描成像系统，用于实现本申请任意一项实施例所述的方法，包括：
[0015]氮化镓功率场效应管驱动电路为欠阻尼状态下的二阶RLC串联谐振电路，通过设置电路已经印刷电路板的R、L、C参数使得第一波峰升高、脉宽减小，并且电路具有反向过冲保护。
[0016]优选地，所述片状锥形转镜形状为多边形锥台，激光经过斜面上的反射镜反射到自由空间。
[0017]优选地，片状锥形转镜在特定的参数设置下其厚度达到毫米级厚度。
[0018]优选地，片状锥形转镜形状为正多边形、非正多边形或者非对称的形状。
[0019]优选地，激光器与片状锥形转镜旋转轴平行放置，使得出射激光与转镜旋转轴成一定夹角，此夹角为自带的前倾角。
[0020]本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
[0021]采用氮化镓功率场效应管驱动电路相比于MOS管驱动电路能够产生更窄脉宽、更高峰值功率、更高重频的脉冲激光；采用片状锥形转镜可以在一个旋转周期内实现点云的多行扫描，具有更高的扫描速度，同时，相比于柱状转镜，在相同的激光回波接收窗口大小和相同的信号信噪比下，具有更薄的厚度、更小的体积和更轻的质量；由于新的光路设计，在相同条件下，片状锥形转镜的角度分辨率是柱状转镜的2倍；由于扫描系统不存在非线性误差，因此在回波信号解算过程中，无需数据的预处理和距离的预校正，大大简化了解算过程，也具有数学模型简单直观的优点。本专利技术解决了现有的转镜式扫描成像激光雷达发射角度分辨率低、重频低、转镜体积大质量重、转动惯量高、非线性误差大、数学模型复杂和预处理过程复杂的问题，使得转镜式扫描成像激光雷达能够小型化和轻型化70％，同时解算过程简单化，并且将角度分辨率提升一倍
附图说明
[0022]此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0023]图1为现有推扫式机载成像激光雷达探测原理图；
[0024]图2为本申请片状锥形转镜的高速激光雷达推扫扫描成像方法的实施例流程图；
[0025]图3为推扫式成像激光雷达发射与回波脉冲激光波形图；
[0026]图4为采用GaN FET管的激光发射电路结构框图；
[0027]图5为激光发射脉冲电流波形图；
[0028]图6为正六边片状锥形转镜立体透视图，其中a、顶视图，b、侧视图；
[0029]图7为正六边片状锥形转镜立体透视图；
[0030]图8为片状锥形转镜光机扫描系统结构图；
[0031]图9为转镜旋转角度与激光出射角度关系图，其中a、本申请的正六边形片状锥形转镜，b、传统柱状转镜。
具体实施方式
[0032]为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0033]以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
[0034]图1为现有推扫式机载成像激光雷达探测原理图，机载成像激光雷达可以实现大范围本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种片状锥形转镜推扫式激光雷达高速扫描成像方法，其特征在于，包含以下步骤：采用氮化镓(GaN)功率场效应管驱动电路驱动激光器发射脉冲激光；通过片状锥形转镜周期性地改变脉冲激光的出射方向，使其根据特定扫描方式完成对目标的高速扫描，转镜每转过一个面即完成一行点云的扫描，每转过一圈可以完成多行点云的扫描；驱动电机带动片状锥形转镜以定速模式或者定角度模式旋转，与激光发射相互配合，角度传感器实时测量转镜旋转角度，在闭环控制算法的控制下构成位置闭环与速度闭环系统；根据回波激光信号与发射激光信号之间的时间差值解算出球坐标系下目标与激光器的直线距离，经过回波信号预处理算法后，再根据系统固有前倾角和旋转角参数，转换成笛卡尔坐标系下激光脚点的三维坐标；根据推扫获得的位置信息，再结合获得的每个点的三维坐标，形成目标的三维点云，完成三维成像。2.根据权利要求1所述的一种片状锥形转镜高速激光雷达推扫扫描成像方法，其特征在于：电机旋转模式为定速模式，驱动电机在速度闭环控制算法下以稳定的转速旋转，同时氮化镓驱动电路以固定的时间间隔驱动激光器发射脉冲激光，角度传感器记录激光发射时刻转镜的角度，传输至处理器进行实时解算。3.根据权利要求1所述的一种片状锥形转镜高速激光雷达推扫扫描成像方法，其特征在于：电机旋转模式为定角度模式，每当驱动电机转到特定角度时，高精度角度传感器产生一个触发信号，触发信号触发氮化镓驱动电路发射脉冲激光，使得脉冲激光等角度间隔发射。4.根据权利要求1所述的一种片状锥形转镜高速激光雷达推扫扫描成像方法，其特征在于：所述回波信号预处理算法，在前倾角大于第一阈值、目标距离近于第二阈值或者对测量精度要求高于第三阈...

【专利技术属性】
技术研发人员：蓝金辉，王磊，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：