一种全固态激光雷达的扫描方法与流程

本发明涉及一种全固态激光雷达的扫描方法，属于光电探测领域。

背景技术：

激光雷达由信号发射模块、信号接收模块、信号处理及控制电路三部分组成，其中现有全固态激光雷达有两种扫描方案，一种是在信号发射模块中使用光束扫描式激光芯片进行光束偏转照射的光学扫描方法，另一种是在信号接收模块里直接让阵列式光电接收芯片上阵列排布的光电单元进行电子扫描，这两种方法都需要依赖上述特殊扫描芯片，这些特殊扫描芯片都存在制造工艺复杂、产量低、成本高的问题。例如，quanergy公司的s3光学相控阵激光扫描芯片就是一种用于信号发射模块中通过光束偏转照射，进行光学扫描的光束扫描式激光芯片，此类芯片制造工艺很复杂、生产成本很高，因此至今没有在市面上大规模应用。再如，hamamatsu公司的距离图像传感器系列芯片，是一种专为信号接收模块进行全固态扫描设计的阵列式光电接收芯片，它类似于ccd图像传感器，是利用芯片上阵列排布的众多光电单元直接对光信号进行测量和电子扫描的器件，制造工艺也很复杂，仅该芯片采购价格就超过100美元，显然远远高于常规光电接收器件的价格水平。目前，用于普通激光雷达信号发射模块的常规信号光源有各种激光器和红外二极管，用于普通激光雷达信号接收模块的常规光电接收器件有雪崩二极管、光电倍增管、光敏二极管等，它们都具有技术成熟、产量大、成本低的特点。如果能够在使用常规信号光源和常规光电接收器件的条件下实现全固态扫描，那么这种新型全固态激光雷达成本将会显著降低，将很快惠及社会。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种全固态激光雷达的扫描方法，能够在使用常规信号光源和常规光电接收器件的条件下实现全固态扫描。

本发明描述了一种全固态激光雷达的扫描方法，具体如下：

步骤s1：信号发射模块采用常规信号光源，并在信号处理及控制电路的控制下向探测场景照射带有测量信号的光线；

步骤s2：信号接收模块的光学镜头把探测场景的反射光线先照射到液晶光阀阵列上，液晶光阀阵列上排布的每个液晶光阀单元对射向自己的那部分反射光线进行通断控制；

步骤s3：液晶光阀阵列的各液晶光阀单元在信号处理及控制电路控制下每次只打开一个液晶光阀单元，让相应反射光线能够照射到光路下游的常规光电接收器件上，使常规光电接收器件产生相应的回波信号，信号处理及控制电路接收到这个回波信号后即可关闭该液晶光阀单元并打开下一个液晶光阀单元，然后信号处理及控制电路会控制常规信号光源发出新的测量信号，以此类推实现扫描；

步骤s4：信号处理及控制电路每次接收到一个回波信号后，都会与常规信号光源发射的测量信号进行对比计算，求出信号差并计算出相应的距离数据，该距离数据与相应液晶光阀单元在液晶光阀阵列中的阵列位置数据相匹配就能够得到一个有效的扫描数据；

步骤s5：信号处理及控制电路控制液晶光阀阵列中的所有液晶光阀单元全部开关一次后，就可以得到一组扫描数据的集合，该扫描数据的集合就是这个探测场景的点云图。

本发明的有益效果是这样的：本发明由信号发射模块、信号接收模块、信号处理及控制电路三部分组成，本发明的全固态扫描元件是安装在信号接收模块中的液晶光阀阵列，由步骤s2和步骤s3可知液晶光阀阵列位于光学镜头与常规光电接收器件之间。当光学镜头把探测场景的反射光线聚焦到常规光电接收器件上之前，反射光线必须先通过该液晶光阀阵列，因此该液晶光阀阵列的各液晶光阀单元在信号处理及控制电路的控制下逐个开关的过程中，探测场景的反射光线就会被依次开关的各液晶光阀单元分割为一个接一个的光信号，并依次照射到常规光电接收器件上产生一个接一个的回波信号，各液晶光阀单元全部开关一遍就完成了对这个探测场景的一次扫描。由于液晶光阀单元的开关原理是基于液晶对光线的光学调制特性，显然该扫描过程是全固态的，实现了本发明目的。

附图说明

图1是本发明的工作流程图。

图2是本发明的原理示意图。

图中标记如下：1.信号处理及控制电路，2.常规信号光源，3.光学镜头，4.常规光电接收器件，5.液晶光阀阵列，6.液晶光阀单元。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征、优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中将阐述很多具体细节，目的在于帮助本领域技术人员更充分地理解本发明，但是显然本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的前提下以更多不同于本实施例具体描述的其它方式来修改和实施，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。例如，本发明虽然以液晶光阀阵列来描述本发明的原理，但并不是说本发明仅限于使用液晶光阀阵列，如果换用具有同样效果或作用的其它部件例如电致双折射晶体阵列、克尔盒阵列、mems微振镜芯片等亦属于本发明的保护范围。

本发明如图1所示：

步骤s1：信号发射模块采用常规信号光源2，并在信号处理及控制电路1的控制下向探测场景照射带有测量信号的光线。

该步骤指的是：本发明的信号发射模块不需要采用现有技术的光束扫描式激光芯片或其它扫描式信号光源，只需采用常规信号光源2对探测区域进行面照射即可，如图2所示。所以该常规信号光源2可以直接采用红外激光灯、led灯、红外二极管、黄磷滤镜激光照明灯、配激光匀化镜的激光器等均可。由于是面照射，因此本发明即可以采用一个常规信号光源2直接对探测场景进行整体照射，还可以采用多个串联或者并联的常规信号光源2分别照射探测场景中的不同区域或者集中照射整个探测场景，都可以进一步提高测量信号照射强度，提高探测距离，这是使用现有光束扫描式激光芯片或者其它扫描式信号光源很难实现的。常规信号光源2发射的光线需要由信号处理及控制电路1进行调制加载测量信号，该测量信号可以是光脉冲的上下沿信号、相位信号或脉冲个数信号等均可，这些也是现有激光雷达最常用的时差法、相位法、脉冲个数法等测量原理中的典型信号类型，本领域技术人员都非常熟悉，实施完全不需要再付出创造性劳动，因此不再详细赘述。本发明的信号发射模块的常规信号光源2前的光学镜头3可以采用变焦镜头来调节射出光线的光束视场角，这样就可以同时具备广角搜索和集中照射两种能力，例如首先通过调节光学镜头3增大光束视场角，扩大照射范围，提高探测效率；然后调节光学镜头3缩小光束视场角集中照射探测场景中的重要区域，增加光信号强度，从而为信号接收模块对该重要区域实施精细扫描提供更强的光信号，当然此时需要在信号接收模块上同时采用具备变焦能力的光学镜头3并实施同步变焦控制。

步骤s2：信号接收模块的光学镜头3把探测场景的反射光线先照射到液晶光阀阵列5上，液晶光阀阵列5上排布的每个液晶光阀单元6对射向自己的那部分反射光线进行通断控制。

该步骤指的是：当光学镜头3把探测场景的反射光线聚焦到常规光电接收器件4上之前，反射光线都要先经过液晶光阀阵列5如图2所示。该液晶光阀阵列5是由多个液晶光阀单元6构成的平面阵或者曲面阵，其中的每个液晶光阀单元6都能够对来自探测场景的反射光线中照射到自己的那一小部分光线进行通断控制。显然照射到每个液晶光阀单元6上的那一小部分反射光线一定是来自于探测场景中某一小块局部场景的，所以液晶光阀阵列5上有多少个液晶光阀单元6，探测场景也就自然会被划分为多少块相对应的局部场景，当然这些局部场景组成的阵列就是整个探测场景，每个局部场景在整个探测场景中的阵列位置数据也就是它的地址数据，必然与对应液晶光阀单元6在液晶光阀阵列5中的阵列位置数据相同或者镜像，这样后期得到的每个局部场景的距离数据都能够通过对应液晶光阀单元6在液晶光阀阵列5中的阵列位置数据换算出自己在探测场景中的地址数据，距离数据匹配地址数据后就能成为有效的扫描数据。该液晶光阀阵列5由多个液晶光阀单元6阵列排布构成，可以是矩形阵列、圆形阵列、菱形阵列、线型阵列或者其它阵列构型均可，与此相对应各液晶光阀单元6的阵列位置数据可能是直角坐标数据或极坐标数据等。各液晶光阀单元6可以通过机械连接组合在一起、也可以直接制造为一个整体式的液晶光阀阵列5。由于液晶光阀设计制造都是现有技术，是本领域技术人员熟悉的现有技术、互联网上也有公开资料，所以其内部结构和加工工艺等具体不再赘述。信号接收模块的光学镜头3可以是普通镜头也可以是变焦镜头，通过调节变焦镜头既能扩大视场范围提高搜索效率，也能对探测场景重点部位进行局部放大实现精细扫描，当然这时最好与信号发射模块的光学镜头3进行同步变焦，可以确保探测场景局部放大后反射光线仍然有足够的光信号强度；如果信号发射模块的光学镜头3不变焦也能提供足够好的光信号强度，那么不实施同步变焦也是可以的，根据具体情况确定即可。

步骤s3：液晶光阀阵列5的各液晶光阀单元6在信号处理及控制电路1控制下每次只打开一个液晶光阀单元6，让相应反射光线能够照射到光路下游的常规光电接收器件4上，使常规光电接收器件4产生相应的回波信号，信号处理及控制电路1接收到这个回波信号后即可关闭该液晶光阀单元6并打开下一个液晶光阀单元6，然后信号处理及控制电路1会控制常规信号光源2发出新的测量信号，以此类推实现扫描。

该步骤指的是：液晶光阀阵列5在信号处理及控制电路1的控制下每次只打开一个液晶光阀单元6，使探测场景中只有相对应的那个局部场景的反射光线能够通过并照射到光路下游的常规光电接收器件4上，使常规光电接收器件4产生一个回波信号，信号处理及控制电路1接收到常规光电接收器件4传来的这个回波信号后就会控制液晶光阀阵列5关闭该液晶光阀单元6并打开下一个液晶光阀单元6，然后控制信号发射模块的常规信号光源2发射新的测量信号，这样就可以让新打开的那个液晶光阀单元6对应的局部场景的反射光线照射到常规光电接收器件4上又产生一个新的回波信号，随着该流程的连续执行，探测场景中每个局部场景的反射光线都会依次照射到常规光电接收器件4上，并产生一个接一个的回波信号，从而实现对整个探测场景的扫描。本发明在信号接收模块仅使用普通的常规光电接收器件4和液晶光阀阵列5就可以实现全固态扫描，显著降低了全固态激光雷达的成本，对家用服务机器人普及具有决定性作用。

步骤s4：信号处理及控制电路1每次接收到一个回波信号后，都会与常规信号光源2发射的测量信号进行对比计算，求出信号差并计算出相应的距离数据，该距离数据与相应液晶光阀单元6在液晶光阀阵列5中的阵列位置数据相匹配就能够得到一个有效的扫描数据。

该步骤指的是：当步骤s3使常规光电接收器件4产生一个接一个的回波信号后，这些回波信号都会逐个传输给信号处理及控制电路1，信号处理及控制电路1通过对每个回波信号和常规信号光源2发射的对应测量信号进行对比计算后就可以求出信号差，通过这个信号差就可以计算出每个局部场景的距离数据，其具体的算法包括信号差计算、距离计算等均与现有技术的激光雷达和激光测距仪的算法完全相同，例如经典的时差法、相位法、脉冲个数法等等同样适用于本发明，这都是本领域技术人员非常熟悉的，不需要付出创造性劳动即可用于本发明的实施，因此不再具体赘述；并且本发明目的是要提出新的全固态扫描方法，解决在使用常规信号光源2和常规光电接收器件4的情况下实现全固态扫描的难题，而不是要提出计算信号差和距离的新算法，因为采用现有技术的算法已经完全可以满足实施本发明的需要了。在本步骤中得到的每个局部场景的距离数据都需要匹配地址数据，该地址数据与该局部场景所对应的液晶光阀单元6在液晶光阀阵列5中的阵列位置数据相同或者镜像，此点在步骤s2中也有讲解。具体来说，如果信号接收模块的光学镜头3成像为正像则地址数据与液晶光阀单元6在液晶光阀阵列5中的阵列位置数据相同、如果光学镜头3成像为倒像则地址数据与该阵列位置数据镜像，总之该地址数据一定与光学镜头3成像和液晶光阀单元6在液晶光阀阵列5中的阵列位置数据有可以推导和计算的几何关系，本领域技术人员都可以实施相关推导和计算。当距离数据匹配地址数据后就能够表达探测场景中某个点的扫描结果，这就是一个有效的扫描数据。该扫描数据的距离数据和地址数据在信号处理及控制电路1中匹配并且编码输出。

步骤s5：信号处理及控制电路1控制液晶光阀阵列5中的所有液晶光阀单元6全部开关一次后，就可以得到一组扫描数据的集合，该扫描数据的集合就是这个探测场景的点云图。

该步骤指的是：由步骤s3可知，只有当信号处理及控制电路1接收到回波信号后才会关闭这个液晶光阀单元6，并打开下一个液晶光阀单元6；由步骤s4可知，回波信号输入信号处理及控制电路1后会计算出距离数据、匹配地址数据并编码后输出；所以当信号处理及控制电路1控制液晶光阀阵列5中的所有液晶光阀单元6全部开关一次后，就意味着对探测场景中所有局部场景都扫描了一遍、也得到了所有局部场景的距离数据并匹配了位置数据、完成了扫描数据的编码输出，显然这些扫描数据的集合就是这个探测场景的点云数据，而且根据需要还可以再扫描第二遍、第三遍。

以上仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理的讲解，其描述较为具体和通俗易懂，但不能因此理解为是对本发明专利范围的限制；并且，虽然本发明名称为“一种全固态激光雷达的扫描方法”，但该名称不能解释为本发明只能采用激光作为信号光源，因为本发明的扫描方法除了可以采用主流的激光作为信号光源外，还可以采用led灯、红外二极管等作为信号光源。