CN111257907A - 基于激光雷达的偏振去雾探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达的偏振去雾探测装置及方法，该装置包括：激光发射器，将调制脉冲激光配置为独立激光出射光束；第一偏振器，将独立激光出射光束转成完全线偏振光；透镜阵列，将来自第一偏振器的独立激光出射光束准直；MEMS旋转镜，配置为接收所述准直后的光束并将所述准直后的光束朝向一个目标扫描区域重新引导第二偏振器，将从背景散射和目标反射的回波光束转成线偏振光，并将其引导至探测器；探测器，至少探测第二偏振器的部分所述光束。本发明可以实现在雨雾天气下对低慢小目标更有效的探测。

Description

基于激光雷达的偏振去雾探测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种偏振去雾探测装置及方法，特别是涉及一种基于激光雷达的偏振去雾探测装置及方法。

背景技术

低空慢速小目标，简称低慢小目标，常见的为旋翼无人机。由于城市背景复杂，以及各种鸟类目标的混淆，无人机飞行速度最高能达到20m/s左右，很难进行精确的探测预警。其轻巧便捷以及，操控简单，成本不高等特征使得无人机得到了越来越多的应用。

针对无人机的探测方法有雷达、射频，声学等方法。不过，雷达针对的是远距离探测，而且空间分辨率有限，对于悬停或速度很慢时无人机的探测效率低；射频探测可以拦截无人机的信号，但只对通信协议数据库存在的无人机型号起作用；声学探测易受环境的影响，且探测距离有限。

随着自动驾驶行业的发展，激光雷达的性能也有很大的提升，而且具有高分辨率、装置尺寸小等优势。但是，与自动驾驶中问题类似，激光雷达对于雨雾等恶劣天气下低慢小目标探测性能较差。

发明内容

针对上述情况，为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于激光雷达的偏振去雾探测装置及方法，其可以实现在雨雾天气下对低慢小目标更有效的探测。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于激光雷达的偏振去雾探测装置，其特征在于，其包括：

激光发射器，将调制脉冲激光配置为独立激光出射光束；

第一偏振器，将独立激光出射光束转成完全线偏振光；

透镜阵列，将来自第一偏振器的独立激光出射光束准直，且将准直后的光束聚焦在MEMS旋转镜上；

MEMS旋转镜，配置为接收所述准直后的光束并将所述准直后的光束朝向一个目标扫描区域重新引导；

第二偏振器，将从背景散射和目标反射的回波光束转成线偏振光，并将其引导至探测器；

探测器，至少探测第二偏振器的部分所述光束，获得光束的相位以及强度信息导出至一个分析仪进行分析处理。

优选地，所述激光发射器采用波长为850nm的激光发射器。

优选地，所述激光发射器、第一偏振器、透镜阵列构成一个发射单元，探测器、第二偏振器构成一个接收单元。

优选地，所述激光发射器与一个光源控制器连接，第一偏振器、第二偏振器都与一个偏振控制器连接，MEMS旋转镜与一个旋转控制器连接，探测器与一个探测控制器连接。

优选地，所述第二偏振器采用如下具体去散射的方法：

步骤一，通过一个偏振控制器旋转第一偏振器直至独立激光出射光束经过该偏振器后出射光束的强度最大；

步骤二，通过偏振控制器旋转第二偏振器直至在探测器得到的强度值最小，并记为I_min；

步骤三，通过偏振控制器旋转第二偏振器直至在探测器得到的强度值最大，并记为I_max；

步骤四，因为探测器得到的强度值I(x_obj)等于物体反射B(x_obj)加上背景反射S(x_obj)，记为如下式：

I(x_obj)＝B(x_obj)+S(x_obj)

步骤五，为了去背景散射，首先要估计反射的值

和散射的值

分别为如下式：

步骤六，由步骤五的两个式可知要求反射的值

和散射的值

得先求出偏振度，即P_scat和P_obj的估计值；

步骤七，首先是对背景散射偏振度的估计，在没有目标的区域进行探测，如下式：

步骤八，然后是对目标反射偏振度的估计，在没有背景散射的条件下进行探测，如下式：

步骤九，将步骤七的式、步骤八的式的结果代入步骤五的两个式，求出背景散射的估计值，并且在探测器所得强度信息中去掉背景散射。

本发明还提供一种基于激光雷达的偏振去雾探测方法，其特征在于，其采用如上所述的基于激光雷达的偏振去雾探测装置，其包括以下步骤：

步骤十一，通过激光发射器发射光束以扫描目标或感兴趣区域的范围：

步骤十二，将激光发射器发射的光束通过第一偏振器转成线偏振光，再通过透镜阵列进行准直并聚焦在MEMS旋转镜的镜面上；采用MEMS旋转镜将激光发射器发射的光束以不同的角度引导到目标；

步骤十三，将从目标及背景反射的光束通过第二偏振器转成线偏振光，后面通过偏振控制器调整偏振方向，得到目标和背景的偏振角；

步骤十四，探测器得到的包括相位及强度信息，飞行时间原理将得到的相位差信息转成距离信息，将不同偏振方向的强度信息分析得到去散射的信息。

本发明的积极进步效果在于：

一，利用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)旋转镜实现了低成本对远距离无人机的高分辨率以及宽视场的探测；利用两个偏振器对背景去散射，实现了在雨雾等恶劣天气条件对无人机的有效探测。

二，本发明基于偏振去散射的方式以较简便的方式解决了目前激光雷达在恶劣天气探测能力有限的难题，在民用和军事领域上都有很大的应用前景。

附图说明

图1为本发明基于激光雷达的偏振去雾探测装置的结构示意图。

图2为本发明进行扫描的原理图。

图3为本发明飞行时间原理示意图。

具体实施方式

本发明使用飞行时间原理法确定到目标的距离，通过偏振探测以去背景散射来提高目标与背景对比度，实现在雨雾等恶劣天气条件下对无人机160 的探测。通过分析所获得的信息如强度和相位来确定视场内目标的大小、形状、位置、方位、速度等。下面结合附图、通过具体实施例对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明基于激光雷达的偏振去雾探测装置包括：

激光发射器131，将调制脉冲激光配置为独立激光出射光束；

第一偏振器132，将独立激光出射光束转成完全线偏振光；

透镜阵列133，将来自第一偏振器132的独立激光出射光束准直，且将准直后的光束聚焦在MEMS旋转镜140上；

MEMS旋转镜140，配置为接收所述准直后的光束并将所述准直后的光束朝向一个目标(无人机160)扫描区域重新引导；

第二偏振器151，将从背景散射和目标反射的回波光束转成线偏振光，并将其引导至探测器150；

探测器150，至少探测第二偏振器151的部分所述光束，获得光束的相位以及强度信息导出至一个分析仪进行分析处理。分析仪可以通过飞行时间原理计算目标与探测器的距离。

激光发射器131与一个光源控制器连接，第一偏振器132、第二偏振器 151都与一个偏振控制器连接，MEMS旋转镜140与一个旋转控制器连接，探测器150与一个探测控制器连接，这样方便控制和操作。

本发明的激光发射器采用波长为850nm的激光发射器。相较于常见的激光雷达波长--1550nm和905nm，850nm只要在后续保证有效地抑制背景杂波或噪声情况下，在雨雾中穿透性更强；同时也能在保证对人眼安全前提下得到更高的功率，提高探测范围。

尽管激光产生的相干光大部分为偏振光，但为了得到完全的线偏振光以及确定偏振方向，在激光发射器131后加上了第一偏振器132，第一偏振器 132将激光发射器131的激光出射光束转成完全线偏振光，得到的线偏振光束引向透镜阵列133。

透镜阵列133的目的是将接收到的激光光束准直，并且由于MEMS扫描镜的尺寸较小，需透镜对光束进行聚焦。一方面，光束能够全部聚焦在MEMS 镜面上；另一方面，减少激光光束导向装置内部其它地方的可能，避免造成不必要的破坏。

激光发射器131、第一偏振器132、透镜阵列133构成一个发射单元，探测器150、第二偏振器151构成一个接收单元，这样方便发射和接收。

如图2，本发明采用一维的MEMS旋转镜进行扫描。具体实施中，为了获得垂直视场，可采用多个激光发射器，某个时刻，经过MEMS旋转镜反射得到线阵，加上随时间变化的角度，得到面阵。采用MEMS旋转镜可以减少激光雷达装置的体积以及成本，MEMS旋转镜是最简单的一种方式，配准的难度也最小。采用MEMS旋转镜取代了传统旋转激光雷达，并将接收到的光束以不同角度引导至目标或者感兴趣的区域。

在得到目标或者感兴趣的区域的反射光束之后，为了得到去散射的效果需要经过第二偏振器151，得到另一偏振方向的线偏振光。第二偏振器151 采用如下具体去散射的方法：

步骤一，通过一个偏振控制器旋转第一偏振器132直至独立激光出射光束经过该偏振器后出射光束的强度I1最大；

步骤二，通过偏振控制器旋转第二偏振器151直至在探测器得到的强度值最小，并记为I_min；

步骤三，通过偏振控制器旋转第二偏振器151直至在探测器得到的强度值最大，并记为I_max；

步骤四，因为探测器得到的强度值I(x_obj)等于物体反射B(x_obj)加上背景反射S(x_obj)，记为如下式(1)：

I(x_obj)＝B(x_obj)+S(x_obj)..........(1)

步骤五，为了去背景散射，首先要估计反射的值

和散射的值

，分别为如下式(2)和(3)：

步骤六，由式(2)和(3)可知要求反射的值

和散射的值

得先求出偏振度(DOP)，即P_scat和P_obj的估计值；

步骤七，首先是对背景散射偏振度的估计，在没有目标的区域(void) 进行探测，如下式(4)：

步骤八，然后是对目标反射偏振度的估计，在没有背景散射的条件下进行探测，如下式(5)：

步骤九，将式(4)、(5)的结果代入式(2)和(3)，求出背景散射的估计值，并且在探测器所得强度信息中去掉背景散射。

在如图3所示的飞行时间原理示意图中，为了能够精确的分析相位差，对激光发射器131产生的脉冲进行调制，经过目标得到的回波脉冲进入探测器，经过分析仪分析相位差可以得到每个像素点的距离，即深度信息。将最后所得深度信息以及去背景散射的强度信息储存在像素的一维张量中，根据此信息可以得到目标/无人机的2D和3D图像。

本发明基于激光雷达的偏振去雾探测方法采用上述的基于激光雷达的偏振去雾探测装置并包括以下步骤：

步骤十一，通过激光发射器发射光束以扫描目标或感兴趣区域的范围：

步骤十二，将激光发射器发射的光束通过第一偏振器转成线偏振光，再通过透镜阵列进行准直并聚焦在MEMS旋转镜的镜面上；采用MEMS旋转镜将激光发射器发射的光束以不同的角度引导到目标，实现较大视场的探测；

步骤十三，将从目标及背景反射的光束通过第二偏振器转成线偏振光，后面通过偏振控制器调整偏振方向，得到目标和背景的偏振角；

步骤十四，探测器得到的包括相位及强度信息，飞行时间原理将得到的相位差信息转成距离信息，将不同偏振方向的强度信息分析得到去散射的信息。

通过以上装置和方法，可以在雨雾等恶劣天气条件下实现对无人机的探测，并得到深度图和强度图，鉴于激光雷达的高分辨率以及探测范围远，探测到无人机的时效性对于保护个人隐私和公众安全有着重要的意义。

综上所述，为克服激光雷达在雨雾等恶劣天气下的探测能力的不足，本发明采用一种基于激光雷达的偏振去雾探测装置及方法来对无人机进行探测，去掉背景散射，提高对比度，实现在雨雾等恶劣天气条件下对无人机的探测，保护了个人隐私以及公众安全。本发明是基于MEMS的扫描激光雷达，摒弃了传统旋转雷达部件，采用尺寸小的MEMS旋转镜，节省了空间和成本。本发明采用偏振和激光雷达探测相结合的方法，克服了传统激光雷达探测中雨雾等恶劣天气条件下小型无人机目标难以精确探测的难题，为极端条件下无人机探测提供了帮助。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于激光雷达的偏振去雾探测装置，其特征在于，其包括：

激光发射器，将调制脉冲激光配置为独立激光出射光束；

第一偏振器，将独立激光出射光束转成完全线偏振光；

透镜阵列，将来自第一偏振器的独立激光出射光束准直，且将准直后的光束聚焦在MEMS旋转镜上；

MEMS旋转镜，配置为接收所述准直后的光束并将所述准直后的光束朝向一个目标扫描区域重新引导；

第二偏振器，将从背景散射和目标反射的回波光束转成线偏振光，并将其引导至探测器；

探测器，至少探测第二偏振器的部分所述光束，获得光束的相位以及强度信息导出至一个分析仪进行分析处理。

2.如权利要求1所述的基于激光雷达的偏振去雾探测装置，其特征在于，所述激光发射器采用波长为850nm的激光发射器。

3.如权利要求1所述的基于激光雷达的偏振去雾探测装置，其特征在于，所述激光发射器、第一偏振器、透镜阵列构成一个发射单元，探测器、第二偏振器构成一个接收单元。

4.如权利要求1所述的基于激光雷达的偏振去雾探测装置，其特征在于，所述激光发射器与一个光源控制器连接，第一偏振器、第二偏振器都与一个偏振控制器连接，MEMS旋转镜与一个旋转控制器连接，探测器与一个探测控制器连接。

5.如权利要求1所述的基于激光雷达的偏振去雾探测装置，其特征在于，所述第二偏振器采用如下具体去散射的方法：

步骤一，通过一个偏振控制器旋转第一偏振器直至独立激光出射光束经过该偏振器后出射光束的强度最大；

步骤二，通过偏振控制器旋转第二偏振器直至在探测器得到的强度值最小，并记为I_min；

步骤三，通过偏振控制器旋转第二偏振器直至在探测器得到的强度值最大，并记为I_max；

步骤四，因为探测器得到的强度值I(x_obj)等于物体反射B(x_obj)加上背景反射S(x_obj)，记为如下式：

I(x_obj)＝B(x_obj)+S(x_obj)

步骤五，为了去背景散射，首先要估计反射的值

和散射的值

分别为如下式：

步骤六，由步骤五的两个式可知要求反射的值

和散射的值

得先求出偏振度，即P_scat和P_obj的估计值；

步骤七，首先是对背景散射偏振度的估计，在没有目标的区域进行探测，如下式：

步骤八，然后是对目标反射偏振度的估计，在没有背景散射的条件下进行探测，如下式：

步骤九，将步骤七的式、步骤八的式的结果代入步骤五的两个式，求出背景散射的估计值，并且在探测器所得强度信息中去掉背景散射。

6.一种基于激光雷达的偏振去雾探测方法，其特征在于，其采用如权利要求1所述的基于激光雷达的偏振去雾探测装置，其包括以下步骤：

步骤十一，通过激光发射器发射光束以扫描目标或感兴趣区域的范围：

步骤十二，将激光发射器发射的光束通过第一偏振器转成线偏振光，再通过透镜阵列进行准直并聚焦在MEMS旋转镜的镜面上；采用MEMS旋转镜将激光发射器发射的光束以不同的角度引导到目标；

步骤十三，将从目标及背景反射的光束通过第二偏振器转成线偏振光，后面通过偏振控制器调整偏振方向，得到目标和背景的偏振角；

步骤十四，探测器得到的包括相位及强度信息，飞行时间原理将得到的相位差信息转成距离信息，将不同偏振方向的强度信息分析得到去散射的信息。

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