[发明专利]一种多通道激光雷达三维点云测量系统及测量方法

说明书

一种多通道激光雷达三维点云测量系统及测量方法，属于光电领域，解决了现有激光雷达存在的成本高、结构复杂、测距效率低的问题。本发明包括：数字信号处理芯片；激光器驱动电路接收数字模拟信号转换芯片的固定延时的脉冲序列并将其转换为激光器脉冲驱动信号；多个激光发射器接收激光器驱动电路的激光器脉冲驱动信号以相同间隔时间发射脉冲激光；光信号探测器采集回波脉冲信号转换为电信号；模拟数字信号转换芯片采集电信号并对其进行模数转换后传输给数字信号处理芯片进行距离计算；马达驱动芯片输出PWM驱动信号以驱动旋转马达带动激光发射器和光信号探测器转动。本发明成本低、结构简单、测距效率高。

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种多通道激光雷达三维点云测量系统及测量方法。

背景技术

Time of flight(TOF)是一种使用脉冲激光来测量距离的成熟测距方法。如图1所示，来自激光器1的激光脉冲通过准直镜头(包括反射镜2和转镜3)出射，当脉冲被待测物体4表面反射时形成回波，测量回波返回到探测器5所需的时间，并且可以从时域测量结果计算待测物体4到探测器5的距离。激光雷达测量精度随测量分辨率和后端数字信号处理(DSP)算法的不同而不同。

如图2和图3所示，当激光器快速连续地发送多个脉冲时，这些发射的方向以某种方式顺序地变化，每个距离测量点可以被认为是像素，快速连续地发射和捕获的像素的集合形成“点云”，点云数据可以绘制为3D图像或用于分析周边环境信息，如检测障碍物，获取的数据密度高、分辨率高。基于这些数据获取优势，激光雷达是无人驾驶、无人机避障、机器人目标识别等智能技术不可或缺的感知技术之一。但目前所采用的激光雷达系统，都有着成本高、系统复杂的缺点，可以说是无人驾驶技术商业化的最大瓶颈之一。

目前市场上存在多款可以快速连续获取距离点云数据的产品。这些仪器通常用于测绘，3D图像重构，自动导航，工业应用和其他目的。这些装置中的大多数依赖于使用转动反射镜的多组激光发射器，与多组探测器组合来实现跨平面的扫描，如图1所示。这种激光测距设备通常用于工业应用中。

如上所述，这种设计仅可提供2D点云数据。然而，无人驾驶技术通常需要3D点云数据。另一个维度则是以多种方式提供：一种方法是通过万向节上下移动对第三个维度进行扫描。因此，可以采用单光束激光雷达单元来捕获距离点的整个3D阵列，这种可以应用单个激光发射器、检测器的2D扫描器，通过安装在万向节上的旋转镜，来回旋转以增加视野；另一种方法是采用单个激光发射器、检测器产生3D点云的装置中，将激光脉冲出射到多层的棱镜，每层具有不同的出射角，这模拟了上述的万向节效果。

在现有技术中，均是采用单个激光发射器/检测器组合，其中光路以某种方式改变出射光路以实现用单个传感器实现更广泛的视角的效果。这种组合结构的固有特点限制了它可以产生的像素数量。这个限制是由于单个激光器每秒钟可能产生固定数目的脉冲。无论是通过镜子、万向节或者棱镜设备，激光路径的任何改变都会导致点云密度减小，以达到覆盖更广泛区域的目的，同时获得的点云数据量也受到了限制。

因此，提高3D图像分辨率，增加点云数据密度，可以通过在旋转镜单元中增加激光器和探测器数量来实现。但是，当使用多个激光发射器/检测器组合用于旋转镜扫描器时，一定程度上增加了系统的复杂性，相对应的成本也成比例的增加。

另外一种激光雷达类型为“闪烁式激光雷达”。它们通过同时照射大面积并且在专门的2D焦平面阵列(FPA)上捕获所得到的像素距离信息来操作。因为这种传感器是固态的，并且不需要移动部件。预计未来会替换机械扫描的传感器。然而，这种传感器存在结构复杂、成本高昂的缺点，目前在商业上没有广泛应用。