[发明专利]一种倾斜柱体棱镜扫描装置

说明书

本发明涉及一种倾斜柱体棱镜扫描装置，包括：棱镜总成；棱镜总成包括多面棱镜、旋转轴、固定轴及固定基座；多面棱镜的镜面为扫描装置的工作面，固定基座为系统光学器件的刚性支撑结构，用于支撑固定轴；固定轴套置于旋转轴内，旋转轴套置于多面棱镜内；棱镜总成一侧设置一准直镜，作为工作光的发射天线；准直镜连接一聚光镜，聚光镜的焦点位置设置一探测器，聚光镜和探测器作为工作光的接收天线；发射天线和接收天线的光轴设置为同轴。

技术领域

本发明涉及激光扫描技术领域，具体涉及一种倾斜柱体棱镜扫描装置。

背景技术

线扫型激光雷达的视场角一般为360度，应用于机载场景进行管道巡查、廊道测图或电力巡线等带状目标测绘时，若探测目标位于激光雷达的侧方或下方的扇形区域，导致多数扫描线被浪费，同时目标区域的扫描线稀疏。对此，近年来业内提出了多种适配机载应用的激光雷达扫描方式，旨在将线扫型激光雷达的扫描视场从360度压缩至合适的角度，从而增加中心视场的扫描线数，提高目标区域的扫描效率和点云密度。其中，塔镜扫描、楔形平面反射镜扫描和振镜扫描是最具代表性的三种方式。

塔镜扫描是控制塔镜在电机的驱动下做高速旋转，其工作面为沿圆周方向分布的若干个斜切面。出射激光在工作面上发生反射，光路偏转后指向目标方向。一个完整的工作面掠过出射光后，激光脚点在目标上的轨迹呈现为一段弧线。该方案是目前应用较为广泛的一种技术路线，但存在以下问题：1.塔镜的加工制造难度较大，成本较高；2.在同等通光孔径下，塔镜的体积、重量及转动惯量较大，从而增加了激光雷达整机的重量和功耗；3.整机装配过程中，需要对塔镜所有工作面的制造及装配几何误差进行检定，产生较大的检定工作量，降低了生产效率。

楔形反射镜扫描是将楔形反射镜的工作面为一楔形平面，该工作面与其旋转轴呈一定的夹角。出射激光在工作面上反射后指向目标方向。楔形反射镜回转整圈后，激光脚点在目标上的轨迹呈现为一椭圆。通过调整楔形反射镜的楔角，以及旋转轴与光轴的夹角，可以缩放其扫描视场，并改变椭圆的长短轴。楔形反射镜扫描的技术缺陷在于：1.电机的恒定转速驱动下楔形工作面反射的光斑脚点在目标上分布不均匀，两侧点云致密，中间点云稀疏；2.在载体行进过程中，同一个目标物会被探测到2次，由于POS误差及系统标定误差，两次探测会导致数据成果产生厘米级的平面误差和高程误差，使点云产生分层现象。

振镜扫描是将振镜的工作面为一平面，该工作面与其旋转轴呈45度夹角，振镜的旋转轴与出射光光轴重合。振镜在伺服电机的驱动下做往复摆动，通过调整伺服电机的摆动角度可以灵活地缩放其扫描视场。出射光经振镜反射后，激光脚点在目标上的轨迹呈现为Z字形。振镜扫描是最直接的技术路线，但这种方案需要将驱动器从常规的直流电机更换为伺服电机，导致以下问题：1.伺服电机及伺服驱动器功耗大，频繁的加速和刹车会消耗大量的电能并产生热量；2.为保证足够的扭矩，增加电机的重量和体积，不利于装备的小型化和轻量化；3.现有技术条件下，伺服电机的摆动频率最高只能达到几十赫兹，限制了振镜的扫描频率；4.电机转速时刻变化，而出射光的频率不变，导致点云的分布不均匀，影响数据质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种倾斜柱体棱镜扫描装置，匹配同轴布局的发射天线和接收天线，形成一种面向机载应用的激光雷达系统光学方案。本方案综合优化了几种现有技术状态存在的缺点或不足，在制造难度、成本、体积重量、功耗及扫描轨迹的形状和均匀性等方面达到了平衡。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明提供了一种倾斜柱体棱镜扫描装置，包括：棱镜总成；所述棱镜总成包括多面棱镜、旋转轴、固定轴及固定基座；多面棱镜的镜面为扫描装置的工作面，固定基座为系统光学器件的刚性支撑结构，用于支撑固定轴；固定轴套置于旋转轴内，旋转轴套置于多面棱镜内；

棱镜总成一侧设置一准直镜，作为工作光的发射天线；准直镜连接一聚光镜，聚光镜的焦点位置设置一探测器，聚光镜和探测器作为工作光的接收天线；发射天线和接收天线的光轴设置为同轴；