[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

本申请涉及激光雷达成像技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

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，本发明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。

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：

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。

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。

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。

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。

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。