[發(fā)明專利]遠(yuǎn)程LiDAR系統(tǒng)和用于補(bǔ)償掃描儀運(yùn)動的影響的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710486507.6
• 申請日: 2017-06-23
• 公開（公告）號: CN107544138B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A·阿克塞爾松
• 申請（專利權(quán)）人: 萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司
• 主分類號: G02B26/10
• 分類號: G02B26/10
• 代理公司: 北京三友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 呂俊剛;楊薇

遠(yuǎn)程LiDAR系統(tǒng)和用于補(bǔ)償掃描儀運(yùn)動的影響的方法。本發(fā)明涉及一種遠(yuǎn)程LiDAR系統(tǒng)以及用于補(bǔ)償掃描儀在遠(yuǎn)程LiDAR表面掃描中的出射光束與入射光束之間的角度差的方法，其中角度差取決于光束的飛行行進(jìn)時間和掃描儀的偏轉(zhuǎn)單元的移動。掃描儀包括包含發(fā)射激光脈沖的發(fā)射器的發(fā)射器單元、可移動偏轉(zhuǎn)單元、接收器單元、以及控制和處理單元。該系統(tǒng)和方法的特征在于，接收器單元包括有源裝置，其適于補(bǔ)償出射激光脈沖與入射激光脈沖之間出現(xiàn)的角度差，其中，控制和處理單元適于致動接收器單元的有源裝置并且適于基于出射激光脈沖與入射激光脈沖之間的時間差的預(yù)測，計算出射激光脈沖與入射激光脈沖之間的預(yù)測角度差。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種遠(yuǎn)程LiDAR系統(tǒng)和一種解決或減輕由激光系統(tǒng)中的掃描儀的偏轉(zhuǎn)元件的運(yùn)動以及光被發(fā)射的瞬間與接收到從目標(biāo)返回的光的瞬間之間的光束的飛行行進(jìn)時間引起的出射光束與入射光束之間的角度差的影響的方法。

背景技術(shù)

在遠(yuǎn)程LiDAR系統(tǒng)中，使用可移動反射鏡或折射光學(xué)器件，根據(jù)所限定的掃描圖案，短激光脈沖被發(fā)射并被引導(dǎo)朝向目標(biāo)表面。尤其是，在空運(yùn)LiDAR系統(tǒng)中，到地面(即，目標(biāo)表面)的距離可能是顯著的(高達(dá)5km)，并且掃描圖案的掃描速率(典型200-300rad/s)相當(dāng)高。這導(dǎo)致移動光學(xué)器件(例如，掃掠反射鏡或折射掃描單元)的位置在光剛好在脈沖發(fā)射之后就被引導(dǎo)朝向地面的時刻與當(dāng)光在地面上反射之后返回時被重新引導(dǎo)到接收器光學(xué)器件中的時刻之間改變。

在5km的地面距離處以光速(約300000km/s)行進(jìn)的脈沖的往返時間為33μs。如果掃描儀具有200rad/s的掃描速率，則這導(dǎo)致6.6mrad的指向差。這導(dǎo)致接收器將視線遠(yuǎn)離激光束撞擊地面的地方6.6mrad。典型激光束將具有典型0.2-0.5mrad的光束尺寸。因此，為了能夠收集返回光，接收器的視野必須是激光束的尺寸的10-20倍。如果掃描儀可以以復(fù)雜圖案(2D)移動光束，則該位移將出現(xiàn)在所有激光束側(cè)，因此甚至使對接收器的該視野要求加倍。

除了由掃描儀的偏轉(zhuǎn)元件的運(yùn)動引起的角度偏差之外，沿著飛行路徑出現(xiàn)出射光束與入射光束之間的另外角度偏差，并且該偏差由LiDAR載體(例如飛機(jī))在地面上方的運(yùn)動引起。然而，該偏差通常小幾個數(shù)量級，因此對大多數(shù)應(yīng)用來說可以忽略不計。

再次假設(shè)33μs的往返時間(針對在地面距離5km處以光速行進(jìn)的脈沖)，沿著以600km/h的地面速度行進(jìn)的飛機(jī)的飛行路徑的發(fā)射光束與接收光束之間的偏差大約為0.001mrad，該偏差比由掃描儀的偏轉(zhuǎn)單元的運(yùn)動引起的偏差小幾乎四個數(shù)量級。

在遠(yuǎn)程LiDAR系統(tǒng)的陸地應(yīng)用中(例如，在施工監(jiān)測或邊坡監(jiān)測領(lǐng)域中)，典型測量距離與普通空中應(yīng)用的距離相比更短。然而，掃描圖案的掃描速率可能更高，例如，由于改進(jìn)的機(jī)械穩(wěn)定性或者因為針對目標(biāo)表面的改進(jìn)3D模型已經(jīng)可用于掃描圖案的微調(diào)。這種快速掃描速率產(chǎn)生與以上針對空中應(yīng)用描述的影響相同的影響，即，由光束的有限飛行行進(jìn)時間以及掃描儀的偏轉(zhuǎn)單元在發(fā)射與返回之間的快速移動引起的出射光束與入射光束之間的角度差。

針對一些特殊情況(諸如以恒定范圍沿一個方向的直線掃描)，出射光束與入射光束之間的角度差通過靜態(tài)移位在偏轉(zhuǎn)焦點(diǎn)處的接收器來補(bǔ)償。然而，針對例如使用圓形掃描圖案沿兩個方向的掃描和/或以變化范圍的掃描，該解決方案在技術(shù)上是不可實(shí)現(xiàn)的或至少受到強(qiáng)烈限制。

接收器所要求的大視野是激光束尺寸的10-20倍，這具有幾個缺陷。例如，太陽背景噪聲強(qiáng)烈增加，并且限制針對弱返回脈沖信號的檢測閾值。因此，需要增加發(fā)射功率以實(shí)現(xiàn)足夠的信噪比(S/N)。通常，檢測器的讀出時間取決于該檢測器的尺寸。因此，更大檢測器的讀出時間增加(即，限制整個掃描速度和/或掃描分辨率)，并且檢測器帶寬通常減小。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于遠(yuǎn)程LiDAR掃描儀(尤其是空中LiDAR掃描儀)的方法和改進(jìn)系統(tǒng)。