[发明专利]一种基于光技术测量物体距离和空间位置的方法及装置

说明书

本发明提供了一种同步或快速测量物体的方位和距离的光学方法和装置，将一组不同波长的激光光源采用一个波分复用装置集束成一束多波长光束，通过光纤或波导传导给一个波长分束发射系统，按不同波长发射到不同方向以覆盖被测目标所在空间，并接收来自被测目标的反射光，以获得不同方向的目标反射光信息，将反射光信息集束到光纤中发送到一个波分解复用装置分束成不同波长的信号光；经过光电转换和信号处理，获得被测目标的三维分布情况。

技术领域

本专利文献中公开的技术涉及应用波分复用技术和光电振荡器进行光学测距和光学定位的方法和装置。

背景技术

激光雷达（LiDAR）是一种通过用激光照射目标、并用传感器感测目标反射光来测量与目标距离和位置关系的方法。激光从不同目标返回时间的差异或波长变化的差异可用来数字表达目标的3D分布情况。自动驾驶车辆使用激光雷达的时候，依靠旋转激光束进行障碍物检测和避让，以保证在环境中安全地行驶。激光雷达传感器的点群分布的数据输出，还可用于机器人，为机器人的运动软件提供必要的数据，以使机器人确定环境中潜在的障碍物存在的位置以及机器人与潜在障碍物的位置关系。对于自动驾驶车辆应用来说，可将激光雷达安装在车辆的顶部，发射激光束并连续旋转以获得完整的360度方位视场（FOV）。通过这种圆形线扫描的激光雷达可以得到一个二维圆形障碍物分布图，但只能在一个平面上看到物体。为了克服这个问题，可采用多个激光器，每个激光器在垂直面上指向不同的角度以获得足够的垂直视场，并因此获得三维圆形分布图。例如，Velodyne公司开发的HDL-64E型号激光雷达，在905nm波长采用了64个激光器，分布在26.8度垂直视场角（如图1所示）。

然而，这种技术方案制造工艺复杂且器件成本昂贵，这种激光雷达的市场价格为每个75,000美元左右，对于民用汽车来说这样的装备太昂贵了。图1所示的HDL-64E 激光雷达中，64个激光器以相对均匀的交叉角度取向，覆盖围绕Z轴旋转的XZ平面的26.8度。首先，这种激光雷达难以准确地对准这些激光器的角度分布，特别是每个激光束必须良好地准直，因为感测距离高达120米的情况下，未经准直的激光光束直径会变得很大。如果上述对准不够精确，激光的相对方位误差可能会导致较大的测距误差。其次，这种激光雷达每个激光器都必须用高电流的短电脉冲（5纳秒）驱动，这使驱动电路成本很高，且体积大，功耗大。第三，64个光束的发送和接收，对配套的光学器件要求很高，会使得整个激光雷达笨重。最后，这种激光雷达所有的激光器和相关的收发光的光学器件都需要集成在一个旋转台上，这使得整个光学头变得复杂和沉重，并且容易出现机械故障。

发明内容

本发明公开了一种基于波分复用（WDM）技术的新型激光雷达系统，该系统可采用为光纤通信行业开发的低成本和已广泛应用的技术成熟部件，来有效地获得自动驾驶车辆或机器人所需的大的垂直视场。 基于波分复用（WDM）的激光雷达具有以下优点：1）通过光纤连接，所有激光器，检测光学元件和电子元件都可以安放在远离旋转光学探头的地方（例如装在汽车行李箱中），这使光学头简单、小巧和轻便；2）与Velodyne公司的 激光雷达系统不同的是，Velodyne公司的 激光雷达系统每个激光器都有一个驱动电路，用于产生所需的高电流短脉冲；而在本发明WDM激光雷达中，所有的激光器共用一个驱动电路来产生高电流所需的短脉冲，从而大大降低成本和功耗。 3）与采用独立发光和接收光的光学器件的Velodyne公司的激光雷达系统不同，在本发明WDM 激光雷达中，采取共用发光和接收光学器件的技术方案，从而进一步减小了整个系统的尺寸、重量和成本。

本发明公开了一种基于光技术测量物体距离和空间位置的方法，包括如下步骤：

1）将一系列不同波长的激光通过一个波分复用系统集束成一束波分复用集束光；

2）采用一个波长分束发射系统接收所述波分复用集束光，并在检测方向上按照不同波长对应设定偏转角度分束输出，以照射被测目标；并从被测目标接收其反射信号光，通过所述波长分束发射系统集束成一束目标反射信号光；