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CN211653129U - 一种二维扫描装置及具有该二维扫描装置的激光雷达装置 - Google Patents

一种二维扫描装置及具有该二维扫描装置的激光雷达装置 Download PDF

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Abstract

一种二维扫描装置及具有该二维扫描装置的激光雷达装置，该二维扫描装置包括反射镜(1)和扫描驱动系统(2)和轴线(3)，其中：反射镜(1)用于反射发射激光束(4)，反射镜(1)的法线与该轴线(3)形成固定夹角α，反射镜(1)的法线与入射的发射激光束(4)存在入射夹角θ；该发射激光束(4)以固定指向到达反射镜(1)的反射镜面，该扫描驱动系统(2)通过扫描轴带动反射镜(1)绕轴线(3)进行360°旋转，从而该发射激光束(4)的反射方向随之周期性改变，形成环形的激光扫描轨迹，实现对目标的二维扫描。

Description

一种二维扫描装置及具有该二维扫描装置的激光雷达装置
技术领域
本发明涉及激光雷达扫描技术领域，尤其涉及一种二维扫描装置及具有该二维扫描装置的激光雷达装置。
背景技术
目前，实现激光扫描的主要方式有光栅扫描、声光扫描、电光扫描和光机扫描四种，光机扫描是当前激光雷达产品采用的最主要扫描方式，而典型的激光雷达光机扫描模式有振镜扫描、转镜扫描和楔镜扫描，即利用光学扫描元件的摆动或转动，不断地周期改变激光的出射方向，达到激光雷达扫描的目的。
振镜扫描通过振镜的机械摆动实现激光雷达扫描，形成垂直于平台运动方向的近似直线轨迹，由于振镜的非均匀摆动，扫描激光点云表现为下方稀疏两边密集，不利于实际作业应用；转镜扫描通过柱镜的均匀旋转实现激光雷达扫描，形成垂直于平台运动方向的近似直线轨迹，为了保证激光雷达点云获取效率，机载设备通常采用三面或四面柱镜，柱镜转动一周可以获取3-4条扫描线，上述技术的主要缺点是：当从一个镜面旋转到另一个镜面时，发射到镜面边缘的激光束无法有效探测目标，降低了发射激光束的有效利用率；振镜扫描和转镜扫描均为一维扫描，会因目标遮挡产生阴影；楔镜扫描的扫描视场小、扫描机构笨重，不利于激光雷达设备的轻型化和小型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光雷达的二维扫描装置，通过扫描机构的一维旋转实现了对目标的二维扫描。
更进一步的，本发明利用该装置可以更加有效的对目标进行探测，提高发射激光束的有效利用率。
本发明公开了一种二维扫描装置，所述装置包括反射镜和扫描驱动系统和轴线，其中：
所述反射镜用于反射发射激光束，所述反射镜的法线与所述轴线形成固定夹角α，所述反射镜的法线与入射的发射激光束存在入射夹角θ；
所述发射激光束以固定指向到达所述反射镜的反射镜面，所述扫描驱动系统通过扫描轴带动所述反射镜绕所述轴线进行360°旋转，所述发射激光束的反射方向随之周期性改变，形成环形的激光扫描轨迹，实现对目标的二维扫描。
0°＜α＜45°，0°＜θ＜45°。
所述环形包括圆形或椭圆形。
所述激光扫描轨迹由每束发射激光束探测目标得到的激光点云的设备空间坐标得到；
所述激光点云的设备空间坐标通过反射镜面的倾斜角、反射镜的旋转角度和脉冲激光测距解算得到。
所述装置的扫描视场与所述夹角α和入射夹角θ相关。
所述装置搭载于飞行平台上，实现对目标的前侧面和后侧面双向扫描测量。
所述反射镜能收发光路共用。
所述轴线为所述扫描轴的旋转轴。
本发明还公开了一种激光雷达装置，包括所述的激光扫描装置。
附图说明
图1为本发明实施例所提供激光雷达的二维扫描装置的结构示意图；
图2为本发明实施例所述装置的一种原理示意图；
图3为本发明实施例所举出的一种扫描装置获取目标侧面激光点云的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供二维扫描装置的结构示意图，所述二维扫描装置可以设置在激光雷达装置中，也可用于其他需要扫描装置的场合。所述二维扫描装置主要包括反射镜1、扫描驱动系统2和轴线3，其中：
发射激光束4入射至反射镜1，所述反射镜1用于反射发射激光束4，所述反射镜1的法线与轴线3形成固定夹角α(0°＜α＜45°)，所述反射镜1的法线与入射的发射激光束4存在入射夹角θ(0°＜θ＜45°)；具体实现中，该反射镜1能收发光路共用，即，该发射激光束4经反射后照射在环境中的目标上，而该目标产生的信号光也入射至该反射镜1，经反射后由激光接收单元进行接收，完成一次激光探测。
所述发射激光束4以固定指向到达所述反射镜1的反射镜面，所述扫描驱动系统2通过扫描轴带动所述反射镜1绕所述轴线3进行360°旋转，所述发射激光束4随着所述反射镜1的旋转，周期性改变发射激光的反射方向，并在目标形成环形的激光扫描轨迹，实现对目标的二维扫描。所述环形可包括圆形或椭圆形。所述轴线为所述扫描轴的旋转轴。
如图2所示为本发明实施例所述装置的一种原理示意图，参考图2：二维扫描装置的轴线3与反射镜面的法线保持固定夹角α，在初始状态时，反射镜面的法线与发射激光束S1成θ夹角，发射激光束S1经反射镜面BC反射后，成像在D1位置；当反射镜绕轴线3旋转180°，发射激光束S2经反射镜面B′C′反射后，成像在D2位置，由此构成了激光雷达扫描视场D1D2。发射激光束S1、S2的空间指向是相同的。也就是说，当扫描驱动系统2带动反射镜绕轴线360°旋转时，发射激光束经反射镜面反射后周期性改变出射方向，并在目标设备下方形成环形激光扫描轨迹。
具体实现中，所述装置的扫描视场与所述夹角α和入射夹角θ相关，所述装置的扫描视场角FOV表示为：
FOV＝α+θ (1)
可见，所述装置的扫描视场随着α和θ的增大而扩大，0°＜α＜45°，0°＜θ＜45°，理论上α和θ最大可以近90°，由于较大的反射角度无法接收到激光回波，实施中的α和θ均小于45°，最大扫描视场小于90°。
具体实现中，上述二维的激光扫描轨迹由每个发射激光束探测目标后产生的激光点云得到，所述激光点云的设备空间坐标通过反射镜面的倾斜角、反射镜的旋转角度和脉冲激光测距，解算得到。举例来说，所述装置的激光点云的设备空间坐标的计算模型如下：
设反射镜面的平面方程为：
Am(x-xm)+Bm(y-ym)+Cm(z-zm)＝0 (2)
则反射镜面的法向量表示为
Figure GPA0000265751550000061
其中Am、Bm和Cm由反射镜面的夹角α和镜面的转角ω确定；xm、ym和zm为发射激光束与反射镜面的交点在设备坐标系下的三维坐标值。该设备坐标系的原点设置在反射镜的法线与该轴线3的交汇点。
对于单位入射光线向量
Figure GPA0000265751550000062
其反射向量表示为：
Figure GPA0000265751550000063
任意一发射脉冲激光束相对于设备坐标系的空间坐标计算模型表示为：
Figure GPA0000265751550000064
式中，c表示光速，t表示单束脉冲激光的飞行时间。
如图3所示为本发明实施例所举出的一种扫描装置获取目标侧面激光点云的示意图，所述扫描装置搭载于飞行平台上，实现对凸起目标的前侧面和后侧面双向扫描测量，参考图3：
激光雷达进行数据采集时，发射激光束4随着反射镜1的旋转，分别在飞行方向5的前向目标7和后向目标6上扫描，得到前向和后向目标的激光扫描轨迹。
当平台沿飞行方向5运动时，激光雷达顺序得到前向目标7的一组侧面扫描线9和后向目标6的一组侧面扫描线8；通过目标6和7的侧面激光点云，可以实现目标侧面的三维重建；同时所述装置还可避免目标相互遮挡对激光点云数据质量的影响。
综上所述，本发明实施例所提供的扫描装置具有如下优点：
1)通过激光扫描装置的一维旋转实现了对目标的二维扫描。
2)可以更加有效的对目标进行探测，提高发射激光束的有效利用率。发射激光束通过所述反射镜面可以100％反射，有效实现激光扫描测量；
3)在飞行平台上，通过激光扫描装置的一维旋转可以实现对凸起目标的前侧面和后侧面双向扫描测量，避免了目标相互遮挡对扫描测量结果的影响。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
工业应用性
通过激光扫描装置的一维旋转实现了对目标的二维扫描。
可以更加有效的对目标进行探测，提高发射激光束的有效利用率。发射激光束通过所述反射镜面可以100％反射，有效实现激光扫描测量；
在飞行平台上，通过激光扫描装置的一维旋转可以实现对凸起目标的前侧面和后侧面双向扫描测量，避免了目标相互遮挡对扫描测量结果的影响。

Claims (8)

1.一种二维扫描装置，其特征在于，所述装置包括反射镜和扫描驱动系统和轴线，其中：
所述反射镜用于反射发射激光束，所述反射镜的法线与所述轴线形成固定夹角α，所述反射镜的法线与入射的发射激光束存在入射夹角θ；
所述发射激光束以固定指向到达所述反射镜的反射镜面，所述扫描驱动系统通过扫描轴带动所述反射镜绕所述轴线进行360°旋转，所述发射激光束的反射方向随之周期性改变，形成环形的激光扫描轨迹，实现对目标的二维扫描，所述环形包括圆形或椭圆形。
2.根据权利要求1所述的二维扫描装置，其特征在于，0°＜α＜45°，0°＜θ＜45°。
3.根据权利要求1所述的二维扫描装置，其特征在于，
所述激光扫描轨迹由每束发射激光束探测目标得到的激光点云的设备空间坐标得到；
所述激光点云的设备空间坐标通过反射镜面的倾斜角、反射镜的旋转角度和脉冲激光测距解算得到。
4.根据权利要求1所述的二维扫描装置，其特征在于，
所述装置的扫描视场与所述夹角α和入射夹角θ相关。
5.根据权利要求1所述的二维扫描装置，其特征在于，
所述装置搭载于飞行平台上，实现对目标的前侧面和后侧面双向扫描测量。
6.根据权利要求1所述的二维扫描装置，其特征在于，
所述反射镜能收发光路共用。
7.根据权利要求1所述的二维扫描装置，其特征在于，
所述轴线为所述扫描轴的旋转轴。
8.一种激光雷达装置，其特征在于，包括：
如权利要求1-7中任一所述的激光扫描装置。
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