【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光雷达，涉及一种激光雷达的探测方法及装置，尤其涉及一种tof和fmcw激光雷达周视扫描复合探测方法及装置。
技术介绍
1、tof激光雷达指直接飞行时间测距法（time of flight，tof）激光雷达，通过直接测量发射激光脉冲的往返时间差，并基于光在空气中的传播速度计算得到目标物的距离信息，优点是系统简单，响应速度快，探测精度高，易于实现多通道发射/接收生成高分辨率点云，是目前最成熟的主流车载激光雷达技术方案，缺点是无法实现同步测距测速，抗干扰能力差。fmcw激光雷达指调频连续波（frequency modulated continuous wave，fmcw）激光雷达，采用相干探测技术，将发射激光的光频进行线性调制，通过接收光信号与本振光进行干涉产生拍频信号，从而间接获得飞行时间并计算出目标物距离，同时能够根据多普勒频移信息测量目标物的瞬时径向矢量速度，优点是能够同步测距测速，测量动态范围高，测距测速精度高，恶劣环境适应性强以及完全抗干扰能力（包括环境光和其他激光雷达），缺点是系统复杂，若采用多通道发射/接收，需要占用比tof大得多的结构空间和系统资源，很难获得高分辨率点云。
2、扫描式三维成像激光雷达由激光非相干或相干测距系统配以光束扫描装置构成，是目前发展相对成熟的三维成像激光雷达技术。扫描式三维成像激光雷达要求实现每个点的快速测量，扫描装置控制激光雷达光轴指向不同方向，依次测量目标物上各点的距离，同时记录光束指向的方位角-俯仰角，这样就可以得到目标物的距离-方位角-俯仰角图像。一方面，为了
3、芯片级封装、图像级点云分辨率、直接获取点云的瞬时速度和完全抗干扰，被视为未来车载激光雷达的典型特征。但是目前tof和fmcw都不能完全具备。突出tof和fmcw各自的优势，实现tof和fmcw复合探测，是一条性价比高的激光雷达技术路线。
4、在实际应用中，部分激光雷达要求拥有360°的水平视场角和一定角度的竖直视场角。“水平机械旋转+竖直线阵收发”是这种360°周视扫描方式的典型代表：在水平方向通过电机带动上仓的光机结构整体 360°旋转，获得360°水平视场；在竖直方向通过激光发射模块和探测模块的线阵匹配排列，形成在竖直方向的多线扫描，各个扫描线束之间存在特定的夹角，从而实现竖直方向一定程度的均匀或非均匀角度覆盖，实现竖直方向的角分辨率。这种扫描方式在一个维度实现固态扫描，可以减少一个维度的运动量，仅需沿另一个维度的机械扫描即可实现对目标物的二维扫描，大幅提高了系统的扫描效率，是目前应用最广泛、技术最成熟的激光雷达周视扫描方案，典型代表是禾赛科技的panda128、ot128和速腾聚创的ruby plus。但是这种方案需要将各通道发射和接收光学模块精密对准，不同测距通道之间的串扰使装配安装精度要求相当高，上仓转动惯量大，还要解决上下仓之间的无线供电和无线通信，结构复杂，尺寸大，功耗大，成本高，对散热和工艺等的要求也很高。因此，可以减小转动惯量的45°转镜扫描方式应运而生。公开号为cn107643525a的中国专利技术专利公开了一种基于45°转镜的线阵激光雷达周向无像旋成像系统，该专利申请提出利用同步旋转的别汉棱镜像旋效应补偿45°转镜旋转的像旋问题，通过线阵列光束扫描，实现线阵激光雷达360°周向无像旋成像。优点是扫描过程中只有45°镜和消像旋棱镜旋转，而线阵测距模块固定不动，系统转动惯量小；缺点是补偿棱镜口径限制了线阵测距模块的扫描范围和竖直方向视场角。公开号为cn109471126a的中国专利技术专利公开了一种线阵激光雷达的振转结合周向扫描装置，该专利申请提出二轴振镜实现局二维扫描，再通过绕轴旋转的45°反射镜实现线阵激光测距的360°周向扫描，优点是扫描过程中只有45°镜旋转，而线阵测距模块固定不动，系统转动惯量小，通过二维检流计振镜补偿，克服了像旋引入的不同方位竖直方向视场不一致；缺点是二维检流计振镜和45°转镜的控制较为复杂，且二维检流计振镜口径受限。
5、目前能够实现tof和fmcw复合探测，并能够实现360°周视扫描的激光雷达装置至今还未见报道。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，提供一种tof和fmcw激光雷达周视扫描复合探测方法及装置。本专利技术实现了tof和fmcw两类激光雷达的水平360º周视复合探测，能够在二维方向获取高分辨率点云数据，实现精确的同步测距和测速。
2、本专利技术的技术方案：tof和fmcw激光雷达周视扫描复合探测方法，包括tof激光雷达模块和fmcw激光雷达模块，tof激光雷达模块和fmcw激光雷达模块分别连接有分光镜模块和信号处理模块，分光镜模块连接有周视扫描模块；
3、所述tof激光雷达模块具有一维空间分布的m组发射通道与m组接收通道，通过m组发射通道发射m个激光脉冲，m个激光脉冲经过分光镜模块和周视扫描模块出射，在一维竖直方向上形成m个发射光束，并经周视扫描模块在水平方向进行360°旋转，实现二维周视扫描；m个发射光束发射至目标物后，目标物返回的m个接收光束经周视扫描模块和分光镜模块后由tof激光雷达模块的m组接收通道接收，得到目标物的直接探测信号；
4、所述fmcw激光雷达模块通过双向光开关阵列产生具有时间维度的n组发射通道与n组接收通道；所述fmcw激光雷达模块连续发射n个fmcw光束，n个fmcw光束再经过分光镜模块和周视扫描模块出射，在一维竖直方向上形成n个发射光束，并经周视扫描模块在水平方向进行360°旋转，实现二维周视扫描；n个发射光束发射至目标物后，目标物返回的n个接收光束经周视扫描模块和分光镜模块后与fmcw激光雷达模块的本振光束进行相干接收，得到目标物的相干探测信号；
5、所述tof激光雷达模块和fmcw激光雷达模块各自的探测信号在信号处理模块经过数字信号处理，实现激光雷达装置与目标之间距离和矢量速度的并行同步测量。
6、上述的tof和fmcw激光雷达周视扫描复合探测方法，所述tof激光雷达模块在一维竖直方向上所形成m个发射光束分别对应唯一的竖直方向空间角度；所述tof激光雷达模块获得的直接探测信号通过信号处理模块测量m个发射光束和m个接收光束的往返时间差，并基于光在空气中的传播速度以及周视扫描模块水平扫描角度，计算得到m个点的目标物的tof距离点云数据。
7、前述的tof和fmcw激光雷达周视扫描复合探测方法，所述fmcw激光雷达模块的fmcw激光光源模块产生对称三角波线性调制的连续激光，经过放大和分束后分为出射光束和本振光束，出射光束经过光学环形器，再依次通过双向光开关阵列、准直定向发射器、分光镜模块和周视扫描模块出射至目标，其中双向光开关阵列的输出端口沿一维方向排布，均设置于本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.ToF和FMCW激光雷达周视扫描复合探测方法，其特征在于：包括ToF激光雷达模块和FMCW激光雷达模块，ToF激光雷达模块和FMCW激光雷达模块分别连接有分光镜模块和信号处理模块，分光镜模块连接有周视扫描模块；
2.根据权利要求1所述的ToF和FMCW激光雷达周视扫描复合探测方法，其特征在于：所述ToF激光雷达模块在一维竖直方向上所形成M个发射光束分别对应唯一的竖直方向空间角度；所述ToF激光雷达模块获得的直接探测信号通过信号处理模块测量M个发射光束和M个接收光束的往返时间差，并基于光在空气中的传播速度以及周视扫描模块水平扫描角度，计算得到M个点的目标物的ToF距离点云数据。
3.根据权利要求2所述的ToF和FMCW激光雷达周视扫描复合探测方法，其特征在于：所述FMCW激光雷达模块的FMCW激光光源模块产生对称三角波线性调制的连续激光，经过放大和分束后分为出射光束和本振光束，出射光束经过光学环形器，再依次通过双向光开关阵列、准直定向发射器、分光镜模块和周视扫描模块出射至目标，其中双向光开关阵列的输出端口沿一维方向排布，均设置于准直定向发射器发射光学组件
4.根据权利要求3所述的ToF和FMCW激光雷达周视扫描复合探测方法，其特征在于：所述信号处理模块根据所述ToF激光雷达模块和FMCW激光雷达模块各自的探测信号进行ToF距离点云数据和FMCW距离点云数据的同步测量和融合，在二维方向获取高分辨率的点云信息，实现精确的同步测距和测速。
5.实现权利要求1-4任一项所述的ToF和FMCW激光雷达周视扫描复合探测方法的装置,其特征在于：包括：
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述ToF激光雷达模块（1）包括ToF激光光源模块（6）、ToF激光发射模块（7）和ToF激光接收模块（8）；所述ToF激光光源模块（6）经ToF激光发射模块（7）与分光镜模块（3）连接；所述ToF激光接收模块（8）与分光镜模块（3）以及信号处理模块（5）连接。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述FMCW激光雷达模块（2）包括FMCW激光光源模块（9）、FMCW激光发射模块（10）和FMCW相干接收模块（11）；所述FMCW激光光源模块（9）经FMCW激光发射模块（10）与分光镜模块（3）连接；所述FMCW相干接收模块（11）与分光镜模块（3）和信号处理模块（5）连接。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述FMCW激光光源模块（9）为线性调频连续波激光光源；所述FMCW激光发射模块（10）包括与FMCW激光光源模块（9）连接的激光放大器（12），激光放大器（12）沿激光传输方向依次连接有光学分束器（13）、光学环形器（14）、双向光开关阵列（15）和准直定向发射器（16），其中双向光开关阵列（15）的输出端口沿一维方向排布，均设置于准直定向发射器（16）发射光学组件的焦平面上，不同端口输出的光信号经过发射光学组件后朝向不同的角度出射；所述FMCW相干接收模块（11）包括光学混频器（17），光学混频器（17）的输出端连接有光电平衡探测器（18）；所述光学分束器（13）与光学环形器（14）一同与光学混频器连接。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述分光镜模块（3）为二向色分光镜；所述周视扫描模块（4）包括沿二向色分光镜激光传输方向设置的消像旋棱镜（19）和周视旋转镜（20）；所述消像旋棱镜（19）和周视旋转镜（20）分别连接有伺服电机（21），在伺服电机（21）的控制下，消像旋棱镜（19）与周视旋转镜（20）按照1：2转速比同向旋转实现无像旋360°周视扫描。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述信号处理模块（5）包括与ToF激光雷达模块（1）和FMCW激光雷达模块（2）连接的模数转换器（22），所述模数转换器（22）连接有现场可编程门阵列模块（23）。
...【技术特征摘要】
1.tof和fmcw激光雷达周视扫描复合探测方法，其特征在于：包括tof激光雷达模块和fmcw激光雷达模块，tof激光雷达模块和fmcw激光雷达模块分别连接有分光镜模块和信号处理模块，分光镜模块连接有周视扫描模块；
2.根据权利要求1所述的tof和fmcw激光雷达周视扫描复合探测方法，其特征在于：所述tof激光雷达模块在一维竖直方向上所形成m个发射光束分别对应唯一的竖直方向空间角度；所述tof激光雷达模块获得的直接探测信号通过信号处理模块测量m个发射光束和m个接收光束的往返时间差，并基于光在空气中的传播速度以及周视扫描模块水平扫描角度，计算得到m个点的目标物的tof距离点云数据。
3.根据权利要求2所述的tof和fmcw激光雷达周视扫描复合探测方法，其特征在于：所述fmcw激光雷达模块的fmcw激光光源模块产生对称三角波线性调制的连续激光，经过放大和分束后分为出射光束和本振光束，出射光束经过光学环形器，再依次通过双向光开关阵列、准直定向发射器、分光镜模块和周视扫描模块出射至目标，其中双向光开关阵列的输出端口沿一维方向排布，均设置于准直定向发射器发射光学组件的焦平面上，不同端口输出的光信号经过发射光学组件后朝向不同的角度出射，在一维竖直方向上形成n个发射光束，每个发射光束对应唯一的竖直方向空间角度，n个发射光束经周视扫描模块在水平方向进行360°旋转；目标返回的n个接收光束与本振光束合束干涉后产生拍频信号，拍频信号经过光学混频器混频输出具有正交特性的同相信号和正交信号，同相信号和正交信号分别由光电平衡探测器进行接收，然后经过模数转换器完成模数转换，由现场可编程门阵列模块采集并进行频谱处理，计算得到n个点的目标物的fmcw距离点云数据。
4.根据权利要求3所述的tof和fmcw激光雷达周视扫描复合探测方法，其特征在于：所述信号处理模块根据所述tof激光雷达模块和fmcw激光雷达模块各自的探测信号进行tof距离点云数据和fmcw距离点云数据的同步测量和融合，在二维方向获取高分辨率的点云信息，实现精确的同步测距和测速。
5.实现权利要求1-4任一项所述的tof和fmcw激光雷达周视扫描复合探测方法的装置,其特征在于：包括：
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【专利技术属性】
技术研发人员：职亚楠，王金凯，孙玉娇，黄思婧，王欢颜，徐弼军，田克汉，
申请(专利权)人：浙江科技大学，
类型：发明
国别省市：
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