一种基于编码调制的激光三维雷达装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104049255 A (43)申请公布日 2014.09.17 CN 104049255 A (21)申请号 201410187234.1 (22)申请日 2014.05.05 G01S 17/89(2006.01) (71)申请人 南京大学 地址 210093 江苏省南京市鼓楼区汉口路 22 号 (72)发明人 王元庆 陆麟 曾真 (74)专利代理机构 南京瑞弘专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32249 代理人 陈建和 (54) 发明名称 一种基于编码调制的激光三维雷达装置 (57) 摘要 本发明公开了一种基于编码调制的激光三维 雷达装置， 脉冲激光器发射单束激。

2、光， 经过激光 整形单元进行准直、 均衡和扩束， 形成均匀的线 光源 ； 通过光编码器， 对不同坐标的激光进行强 度调制， 调制后的激光通过发射镜头照射到远处 N*N 个被测点上， 并反射 ； 窄线宽光滤波器接收回 波激光， 接收镜头对通过窄线宽光滤波器的回波 激光进行成像后， 通过光传像阵列传输到阵列式 光电探测器上 ； 信号采集处理电路将阵列式光电 探测器生成的回波信号波形进行采样、 存储和解 调， 得到 N*N 个被测点的像素飞行时间 ； 将姿态单 元的数据进行坐标变换和三维图像构建和校正， 得到待测目标的三维点云数据。较现有的三维雷 达， 本发明简化了传统的机械扫描结构， 精度高、 稳。

3、定性好。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104049255 A CN 104049255 A 1/1 页 2 1. 一种基于编码调制的激光三维雷达装置， 其特征在于， 包括位置和姿态单元 (1)、 脉 冲激光器(2)、 激光整形单元(3)、 光编码器(4)、 发射镜头(5)、 高速激光发射探测单元(6)、 窄线宽光滤波器(7)、 接收镜头(8)、 光传像阵列(9)、 阵列式光电探测器(10)和信号采集处 理电路 (11) ； 脉。

4、冲激光器 (2) 发射单束激光， 该单束激光经过激光整形单元 (3) 进行准直、 均衡和 扩束， 形成均匀的线光源， 通过光编码器 (4)， 对不同坐标的激光进行强度调制， 调制后的激 光通过发射镜头 (5) 照射到远处 N*N 个被测点上， 并反射 ； 窄线宽光滤波器 (7) 接收回波 激光， 接收镜头 (8) 对通过窄线宽光滤波器 (7) 的回波激光进行成像， 之后， 通过光传像阵 列 (9) 传输到阵列式光电探测器 (10) 上 ； 信号采集处理电路 (11) 将阵列式光电探测器生 成的回波信号波形进行采样和存储， 并进行解调， 分别得到 N*N 个被测点的像素飞行时间 ； 将姿态单元 。

5、(1) 的数据进行坐标变换和三维图像构建和校正， 得到待测目标的三维点云数 据。 2. 如权利要求 1 所述的一种基于编码调制的激光三维雷达装置， 其特征在于， 所述阵 列式光电探测器 (10) 包括 APD 阵列和放大阵列。 3. 如权利要求 1 所述的一种基于编码调制的激光三维雷达装置， 其特征在于， 所述光 传像阵列 (9) 包括面阵接收器。 4. 如权利要求 1 所述的一种基于编码调制的激光三维雷达装置， 其特征在于， 所述信 号采集处理电路 (11) 包括高速 ADC 和 FPGA。 5. 如权利要求 1 所述的一种基于编码调制的激光三维雷达装置， 其特征在于， 所述激 光整形单元 。

6、(3) 包括激光准直镜、 均衡器和扩束镜。 权 利 要 求 书 CN 104049255 A 2 1/4 页 3 一种基于编码调制的激光三维雷达装置 技术领域 0001 本发明涉及激光三维雷达领域， 具体涉及一种基于编码调制的激光三维雷达装 置。 背景技术 0002 激光三维雷达相对于传统二维雷达， 能够提供更加丰富的目标空间信息， 在工业、 军事等领域有广泛应用。 0003 传统的激光三维雷达通过发射单光束脉冲激光， 再由单探测器单元接收回波激 光， 利用光飞行时间来测量被测物与雷达之间的距离。 为了实现空间三维探测， 需要加上机 械扫描结构改变激光的出光和接收方向。为了提高探测精度和速度，。

7、 必须提高激光器的重 复频率和机械结构的翻转速率。而提高这两者性能的成本都很高， 因此出现了采用阵列激 光源和接收器的激光三维雷达， 利用 N 元的探测器， 一次能够测量 N 个点的距离信息。但是 N 源探测器无法再不改变出光和接收方向的情况下完成大视场的空间探测， 因此依然需要 增加机械扫描结构。要想进一步提高探测和速度， 依然需要提升激光器的重复频率和机械 结构的翻转速率。 0004 目前基于光飞行时间的激光三维雷达在探测器阵列规模、 激光器频率和扫描器机 械结构扫描速度、 精度、 稳定度等方面均存在着难以突破的瓶颈。研究一种成像速度快、 精 度高且稳定度高结构简单的激光三维雷达， 成为了。

8、研究的重要方向。 发明内容 0005 为了克服现有技术中存在的不足， 本发明目的是， 提供一种基于编码调制的激光 三维雷达装置， 通过光编码方法， 使 N 元的探测器阵列能够同时探测 N*N 个目标的三维信 息， 改进了现有技术的不足。尤其是一种使用低像素的阵列式光电探测器实现大幅宽对地 探测的激光三维雷达。适用于需要同时对大幅度目标进行探测的成像场合。 0006 技术方案 ： 一种基于编码调制的激光三维雷达装置， 其特征在于， 包括位置和姿态 单元、 脉冲激光器、 激光整形单元、 光编码器、 发射镜头、 高速激光发射探测单元、 窄线宽光 滤波器、 接收镜头、 光传像阵列、 阵列式光电探测器和。

9、信号采集处理电路 ； 0007 脉冲激光器发射单束激光， 该单束激光经过激光整形单元进行准直、 均衡和扩束， 形成均匀的线光源， 通过光编码器， 将窄条形激光通过强度调制编码为所需的窄条形正交 编码激光， 调制后的激光通过发射镜头照射到远处 N*N 个被测点上， 并反射 ； 接收镜头通过 窄线宽光滤波器接收回波激光进行成像， 之后， 通过光传像阵列传输到阵列式光电探测器 上 ； 信号采集处理电路将阵列式光电探测器生成的回波信号波形进行采样和 存储， 并将回 波信号利用原始编码进行相关解调， 还原出每个编码所对应的完整波形， 进而分别得到 N*N 个被测点的像素飞行时间 ； 将姿态单元的数据进行。

10、坐标变换和三维图像构建和校正， 得到 待测目标的三维点云数据。 0008 所述的位置和姿态单元 1 在测量工作过程中实时提供本体的位置信息和姿态信 说 明 书 CN 104049255 A 3 2/4 页 4 息。 0009 所述的脉冲激光器 2 具有高瞬时功率、 窄脉宽、 窄线宽特征， 作为系统发射光源， 需要与光编码器、 阵列式光电探测器、 窄线宽光滤波器、 信号采集处理电路采集速率配合， 激光重复频率由光编码器决定。 0010 所述的激光整形单元 3 包括激光准直镜、 均衡器和扩束镜， 目的是将出射的高斯 圆形激光整形成狭窄均匀的窄条形激光。 0011 所述的光编码器 4 将窄条形激光通。

11、过强度调制编码为所需的窄条形编码激光。 0012 所述的发射镜头 5 将调制好的激光通过投影镜头， 投射到被测目标表面。 0013 所述的高速激光发射探测单元 6 用来提供激光脉冲发射时刻信息， 采用高速光电 二极管将光脉冲转化为电脉冲作为激光发射信号。 0014 所述的窄线宽光滤波器 7 为窄带干涉滤光片， 位于接收镜头前， 目的是仅让工作 波长的光子顺利通过而尽量抑制其他波长的背景光和杂散光。 0015 所述的接收镜头 8 位于窄线宽光滤波器 7 之后， 用于收集光回波能量并聚焦在光 纤传像阵列上。 0016 所述的光传像阵列 9 是将光纤束按照图 2 所述的规律排列组成的， 其作用一是将。

12、 所成的线状像传导到面阵接收器上接收， 二是对像点和面阵接收器单元进行对应和重排， 使其能够进行后续的解调工作。 0017 所述的阵列式光电探测器10由工作在线性模式下的APD阵列和放大阵列构成， 目 的是将回波光信号转化为有一定增益的电信号， 并进行一定的噪声抑制。 0018 所述的信号采集处理电路 11 采用高速 ADC 和 FPGA 构成的全波采样阵列。采样结 果与当前位置姿态信息一起通过高速存储阵列进行存储。处理电路指 PC 机、 DSP、 FPGA 等。 0019 有益效果 ： 0020 1)利用光编码方法， 使N元的探测器阵列能够同时探测N*N个目标的三维信息， 在 现有的技术水平。

13、基础上提高了三维激光成像技术的成像速度和成像精度。 0021 2) 没有传统的机械扫描结构， 简化了激光三维成像系统的结构， 提高了系统的稳 定度。 附图说明 0022 图 1 为本发明示意图 0023 图 2 是光传像阵列耦合规则示意图 具体实施方式 0024 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 0025 如图 1， 本专利的基于编码调制的激光三维雷达包括位置和姿态单元 1、 脉冲激光 器 2、 激光整形单元 3、 光编码器 4、 发射镜头 5、 高速激光发射探测单元 6、 窄线宽光滤波器 7、 接收镜头 8、 光传像阵列 9、 阵列式光电探测器 10 和信号采集处理电路 11。 002。

14、6 位置和姿态单元 1 在测量工作过程中实时提供本体的位置信息和姿态信息。 0027 脉冲激光器 2 具有高瞬时功率、 窄脉宽、 窄线宽特征， 作为系统发射光源， 需要与 光编码器、 阵列式光电探测器、 窄线宽光滤波器、 信号采集处理电路采集速率配合， 激光重 说 明 书 CN 104049255 A 4 3/4 页 5 复频率由光编码器决定。 0028 激光整形单元 3 包括激光准直镜、 均衡器和扩束镜， 目的是将出射的高斯圆形激 光整形成狭窄均匀的窄条形激光。 0029 光编码器 4 将窄条形激光通过强度调制编码为所需的窄条形编码激光。 0030 发射镜头 5 将调制好的激光通过投影镜头，。

15、 投射到被测目标表面。 0031 高速激光发射探测单元 6 用来提供激光脉冲发射时刻信息， 采用高速光电二极管 将光脉冲转化为电脉冲作为激光发射信号。 0032 窄线宽光滤波器 7 为窄带干涉滤光片， 位于接收镜头前， 目的是仅让工作波长的 光子顺利通过而尽量抑制其他波长的背景光和杂散光。 0033 接收镜头 8 位于窄线宽光滤波器 7 之后， 用于收集光回波能量并聚焦在光纤传像 阵列上。 0034 光传像阵列 9 是将光纤束按照图 2 所述的规律排列组成的， 其作用一是将所成的 线状像传导到面阵接收器上接收， 二是对像点和面阵接收器单元进行对应和重排， 使其能 够进行后续的解调工作。 003。

16、5 阵列式光电探测器10由工作在线性模式下的APD阵列和放大阵列构成， 目的是将 回波光信号转化为有一定增益的电信号， 并进行一定的噪声抑制。 0036 信号采集处理电路 11 采用高速 ADC 和 FPGA 构成的全波采样阵列。采样结果与当 前位置姿态信息一起通过高速存储阵列进行存储。处理电路指 PC 机、 DSP、 FPGA 等。 0037 脉冲激光器 2 发出的脉冲激光通过激光整形单元 3 整形扩束形成一条线光源， 使 用光编码器 4 控制光源的通断以实现不同像素点上的编码调制， 同时采用高速激光发射探 测单元 6 利用编码器反射光实现激光器的出光检测。采用这种方式可以避免激光器出光时 。

17、间对系统测量产生误差。光编码器 4 中的编码盘旋转时通过光电断续器产生脉冲信号， 利 用此信号来驱动激光器出光。编码后的激光通过发射镜头 5 投射至目标， 在被测目标表面 展开成一条狭窄的光带。使用一套由窄线宽光滤波器 7、 接收镜头 8、 光传像阵列 9 组成的 接收系统接收回波信号。 N个编码可以调制N*N个待测点， 本实施例中， 采用64个编码调制 4096个待测点， 并使用64元线性面阵APD接收阵列接收回波信号并对对接收到的信号进行 高速全波采样。4096 个待测点与 64 元线性 APD 接收阵列间通过光传像阵列进行耦合。 0038 通过信号采集处理电路11对阵列式光电探测器10的。

18、每一通道的输出信号进行全 波采样， 采集到的波形数据与编码数据、 激光出光脉冲、 位置和姿态数据一起送入高速存储 阵列进行存储并进行后续数据处理。 0039 数据处理单元首先读取全波形数据与编码数据， 使用去噪等预处理算法处理全波 形数据后， 对波形进行拟合， 再利用各通道原始编码信息对各个通道进行正交解调， 还原出 每个通道的回波波形， 进而得到每个通道回波的时间点， 即可得到一次测量的线状目标的 距离值。 再读取激光出光脉冲数据、 位置和姿态单元数据， 并且利用激光出光时间点进行校 正， 利用位置和姿态单元数据进行坐标变换并进行三维图像构建和矫正， 就可得到高精度 的目标三维距离图像数据。。

19、 0040 为降低采集到的数据冗余量， 数据采集单元在检测到激光出光检测器的脉冲一段 延时后才开始对波形数据进行采样。延时长短由系统最终量程决定。本实施例中， 被测物 体距离雷达的最小距离为 600m， 因此延时 4us。 说 明 书 CN 104049255 A 5 4/4 页 6 0041 位置和姿态单元1为北斗+INS测量系统， 可以实时提供本体的位置信息和姿态信 息。 0042 脉冲激光器2为波长1064nm， 脉冲能量10mJ， 脉冲宽度10ns， 重复频率10kHz的半 导体泵浦激光器。 0043 激光整形单元 3 为通过光学器件将激光整形为均匀扇面。 0044 光编码器 4 为一。

20、刻有编码信息的高速编码盘， 通过高速旋转驱动脉冲激光器 2 出 光并对激光进行调制。 0045 发射镜头 5 为焦距 210mm、 光圈 5.6 成像镜头。 0046 高速激光发射探测单元6为高速PIN光电二极管及配套电路， 检测激光器出光， 输 出激光器出光信号。 0047 窄线宽光滤波器 7 为窄带干涉滤光片， 带宽 2nm， 中心波长 1064nm， 透过率 80。 至于接收镜头前， 实现对外界背景光的抑制。 0048 接收镜头 8 参数与发射镜头 5 相同。 0049 如图2所示， 光传像阵列9为光纤阵列， 将接收到的像按照编码规则耦合到阵列式 光电探测器 10 上。 0050 阵列式。

21、光电探测器 10 为 8*8 面阵式线性模式 APD 传感器阵列及其前置放大电路 和后级放大电路。 0051 信号采集处理电路 11 中 ADC 部分采用 16 片 E2V 公司四通道 1.25Gsps 采样率高 速 ADC， 对探测器的信号进行全波采样， FPGA 控制采样， 并将采样结果与当前位置姿态信息 一起通过高速存储阵列进行存储。处理电路指 PC 机、 DSP、 FPGA 等。 0052 以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出 ： 对于本技术领域的普通技术人 员来说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。 说 明 书 CN 104049255 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104049255 A 7 。