[發明專利]一種基于光技術測量物體距離和空間位置的方法及裝置

有效

• 申請號: 201810190301.3
• 申請日: 2018-03-08
• 公開（公告）號: CN110244307B
• 公開（公告）日: 2022-11-01
• 發明（設計）人: 姚曉天
• 申請（專利權）人: 姚曉天
• 主分類號: G01S17/06
• 分類號: G01S17/06;G01S17/10
• 代理公司: 北京中創陽光知識產權代理有限責任公司 11003
• 代理人: 張永革

本發明提供了一種同步或快速測量物體的方位和距離的光學方法和裝置，將一組不同波長的激光光源采用一個波分復用裝置集束成一束多波長光束，通過光纖或波導傳導給一個波長分束發射系統，按不同波長發射到不同方向以覆蓋被測目標所在空間，并接收來自被測目標的反射光，以獲得不同方向的目標反射光信息，將反射光信息集束到光纖中發送到一個波分解復用裝置分束成不同波長的信號光；經過光電轉換和信號處理，獲得被測目標的三維分布情況。

技術領域

本專利文獻中公開的技術涉及應用波分復用技術和光電振蕩器進行光學測距和光學定位的方法和裝置。

背景技術

激光雷達（LiDAR）是一種通過用激光照射目標、并用傳感器感測目標反射光來測量與目標距離和位置關系的方法。激光從不同目標返回時間的差異或波長變化的差異可用來數字表達目標的3D分布情況。自動駕駛車輛使用激光雷達的時候，依靠旋轉激光束進行障礙物檢測和避讓，以保證在環境中安全地行駛。激光雷達傳感器的點群分布的數據輸出，還可用于機器人，為機器人的運動軟件提供必要的數據，以使機器人確定環境中潛在的障礙物存在的位置以及機器人與潛在障礙物的位置關系。對于自動駕駛車輛應用來說，可將激光雷達安裝在車輛的頂部，發射激光束并連續旋轉以獲得完整的360度方位視場（FOV）。通過這種圓形線掃描的激光雷達可以得到一個二維圓形障礙物分布圖，但只能在一個平面上看到物體。為了克服這個問題，可采用多個激光器，每個激光器在垂直面上指向不同的角度以獲得足夠的垂直視場，并因此獲得三維圓形分布圖。例如，Velodyne公司開發的HDL-64E型號激光雷達，在905nm波長采用了64個激光器，分布在26.8度垂直視場角（如圖1所示）。

然而，這種技術方案制造工藝復雜且器件成本昂貴，這種激光雷達的市場價格為每個75,000美元左右，對于民用汽車來說這樣的裝備太昂貴了。圖1所示的HDL-64E 激光雷達中，64個激光器以相對均勻的交叉角度取向，覆蓋圍繞Z軸旋轉的XZ平面的26.8度。首先，這種激光雷達難以準確地對準這些激光器的角度分布，特別是每個激光束必須良好地準直，因為感測距離高達120米的情況下，未經準直的激光光束直徑會變得很大。如果上述對準不夠精確，激光的相對方位誤差可能會導致較大的測距誤差。其次，這種激光雷達每個激光器都必須用高電流的短電脈沖（5納秒）驅動，這使驅動電路成本很高，且體積大，功耗大。第三，64個光束的發送和接收，對配套的光學器件要求很高，會使得整個激光雷達笨重。最后，這種激光雷達所有的激光器和相關的收發光的光學器件都需要集成在一個旋轉臺上，這使得整個光學頭變得復雜和沉重，并且容易出現機械故障。

發明內容

本發明公開了一種基于波分復用（WDM）技術的新型激光雷達系統，該系統可采用為光纖通信行業開發的低成本和已廣泛應用的技術成熟部件，來有效地獲得自動駕駛車輛或機器人所需的大的垂直視場。 基于波分復用（WDM）的激光雷達具有以下優點：1）通過光纖連接，所有激光器，檢測光學元件和電子元件都可以安放在遠離旋轉光學探頭的地方（例如裝在汽車行李箱中），這使光學頭簡單、小巧和輕便；2）與Velodyne公司的 激光雷達系統不同的是，Velodyne公司的 激光雷達系統每個激光器都有一個驅動電路，用于產生所需的高電流短脈沖；而在本發明WDM激光雷達中，所有的激光器共用一個驅動電路來產生高電流所需的短脈沖，從而大大降低成本和功耗。 3）與采用獨立發光和接收光的光學器件的Velodyne公司的激光雷達系統不同，在本發明WDM 激光雷達中，采取共用發光和接收光學器件的技術方案，從而進一步減小了整個系統的尺寸、重量和成本。

本發明公開了一種基于光技術測量物體距離和空間位置的方法，包括如下步驟：

1）將一系列不同波長的激光通過一個波分復用系統集束成一束波分復用集束光；

2）采用一個波長分束發射系統接收所述波分復用集束光，并在檢測方向上按照不同波長對應設定偏轉角度分束輸出，以照射被測目標；并從被測目標接收其反射信號光，通過所述波長分束發射系統集束成一束目標反射信號光；