[發(fā)明專利]一種傾斜柱體棱鏡掃描裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110589626.0
• 申請(qǐng)日: 2021-05-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113341398A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖亮;姚立;劉守軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢徠得智能技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G01S7/481
• 分類號(hào): G01S7/481;G01S17/89
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 張惠玲

本發(fā)明涉及一種傾斜柱體棱鏡掃描裝置，包括：棱鏡總成；棱鏡總成包括多面棱鏡、旋轉(zhuǎn)軸、固定軸及固定基座；多面棱鏡的鏡面為掃描裝置的工作面，固定基座為系統(tǒng)光學(xué)器件的剛性支撐結(jié)構(gòu)，用于支撐固定軸；固定軸套置于旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)，旋轉(zhuǎn)軸套置于多面棱鏡內(nèi)；棱鏡總成一側(cè)設(shè)置一準(zhǔn)直鏡，作為工作光的發(fā)射天線；準(zhǔn)直鏡連接一聚光鏡，聚光鏡的焦點(diǎn)位置設(shè)置一探測(cè)器，聚光鏡和探測(cè)器作為工作光的接收天線；發(fā)射天線和接收天線的光軸設(shè)置為同軸。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光掃描技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種傾斜柱體棱鏡掃描裝置。

背景技術(shù)

線掃型激光雷達(dá)的視場(chǎng)角一般為360度，應(yīng)用于機(jī)載場(chǎng)景進(jìn)行管道巡查、廊道測(cè)圖或電力巡線等帶狀目標(biāo)測(cè)繪時(shí)，若探測(cè)目標(biāo)位于激光雷達(dá)的側(cè)方或下方的扇形區(qū)域，導(dǎo)致多數(shù)掃描線被浪費(fèi)，同時(shí)目標(biāo)區(qū)域的掃描線稀疏。對(duì)此，近年來(lái)業(yè)內(nèi)提出了多種適配機(jī)載應(yīng)用的激光雷達(dá)掃描方式，旨在將線掃型激光雷達(dá)的掃描視場(chǎng)從360度壓縮至合適的角度，從而增加中心視場(chǎng)的掃描線數(shù)，提高目標(biāo)區(qū)域的掃描效率和點(diǎn)云密度。其中，塔鏡掃描、楔形平面反射鏡掃描和振鏡掃描是最具代表性的三種方式。

塔鏡掃描是控制塔鏡在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)，其工作面為沿圓周方向分布的若干個(gè)斜切面。出射激光在工作面上發(fā)生反射，光路偏轉(zhuǎn)后指向目標(biāo)方向。一個(gè)完整的工作面掠過(guò)出射光后，激光腳點(diǎn)在目標(biāo)上的軌跡呈現(xiàn)為一段弧線。該方案是目前應(yīng)用較為廣泛的一種技術(shù)路線，但存在以下問(wèn)題：1.塔鏡的加工制造難度較大，成本較高；2.在同等通光孔徑下，塔鏡的體積、重量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，從而增加了激光雷達(dá)整機(jī)的重量和功耗；3.整機(jī)裝配過(guò)程中，需要對(duì)塔鏡所有工作面的制造及裝配幾何誤差進(jìn)行檢定，產(chǎn)生較大的檢定工作量，降低了生產(chǎn)效率。

楔形反射鏡掃描是將楔形反射鏡的工作面為一楔形平面，該工作面與其旋轉(zhuǎn)軸呈一定的夾角。出射激光在工作面上反射后指向目標(biāo)方向。楔形反射鏡回轉(zhuǎn)整圈后，激光腳點(diǎn)在目標(biāo)上的軌跡呈現(xiàn)為一橢圓。通過(guò)調(diào)整楔形反射鏡的楔角，以及旋轉(zhuǎn)軸與光軸的夾角，可以縮放其掃描視場(chǎng)，并改變橢圓的長(zhǎng)短軸。楔形反射鏡掃描的技術(shù)缺陷在于：1.電機(jī)的恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)下楔形工作面反射的光斑腳點(diǎn)在目標(biāo)上分布不均勻，兩側(cè)點(diǎn)云致密，中間點(diǎn)云稀疏；2.在載體行進(jìn)過(guò)程中，同一個(gè)目標(biāo)物會(huì)被探測(cè)到2次，由于POS誤差及系統(tǒng)標(biāo)定誤差，兩次探測(cè)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)成果產(chǎn)生厘米級(jí)的平面誤差和高程誤差，使點(diǎn)云產(chǎn)生分層現(xiàn)象。

振鏡掃描是將振鏡的工作面為一平面，該工作面與其旋轉(zhuǎn)軸呈45度夾角，振鏡的旋轉(zhuǎn)軸與出射光光軸重合。振鏡在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)擺動(dòng)，通過(guò)調(diào)整伺服電機(jī)的擺動(dòng)角度可以靈活地縮放其掃描視場(chǎng)。出射光經(jīng)振鏡反射后，激光腳點(diǎn)在目標(biāo)上的軌跡呈現(xiàn)為Z字形。振鏡掃描是最直接的技術(shù)路線，但這種方案需要將驅(qū)動(dòng)器從常規(guī)的直流電機(jī)更換為伺服電機(jī)，導(dǎo)致以下問(wèn)題：1.伺服電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器功耗大，頻繁的加速和剎車會(huì)消耗大量的電能并產(chǎn)生熱量；2.為保證足夠的扭矩，增加電機(jī)的重量和體積，不利于裝備的小型化和輕量化；3.現(xiàn)有技術(shù)條件下，伺服電機(jī)的擺動(dòng)頻率最高只能達(dá)到幾十赫茲，限制了振鏡的掃描頻率；4.電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)刻變化，而出射光的頻率不變，導(dǎo)致點(diǎn)云的分布不均勻，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種傾斜柱體棱鏡掃描裝置，匹配同軸布局的發(fā)射天線和接收天線，形成一種面向機(jī)載應(yīng)用的激光雷達(dá)系統(tǒng)光學(xué)方案。本方案綜合優(yōu)化了幾種現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)存在的缺點(diǎn)或不足，在制造難度、成本、體積重量、功耗及掃描軌跡的形狀和均勻性等方面達(dá)到了平衡。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種傾斜柱體棱鏡掃描裝置，包括：棱鏡總成；所述棱鏡總成包括多面棱鏡、旋轉(zhuǎn)軸、固定軸及固定基座；多面棱鏡的鏡面為掃描裝置的工作面，固定基座為系統(tǒng)光學(xué)器件的剛性支撐結(jié)構(gòu)，用于支撐固定軸；固定軸套置于旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)，旋轉(zhuǎn)軸套置于多面棱鏡內(nèi)；

棱鏡總成一側(cè)設(shè)置一準(zhǔn)直鏡，作為工作光的發(fā)射天線；準(zhǔn)直鏡連接一聚光鏡，聚光鏡的焦點(diǎn)位置設(shè)置一探測(cè)器，聚光鏡和探測(cè)器作為工作光的接收天線；發(fā)射天線和接收天線的光軸設(shè)置為同軸；