一种多发单收低成本激光雷达装置的制作方法

本发明涉及激光雷达对地观测技术领域，尤其是一种多发单收低成本激光雷达装置。

背景技术：

激光雷达(lidar)系统是一种融激光测距、全球定位系统、惯性导航系统技术和高分辨率数码影像技术于一体的快速获取目标高分辨率三维位置信息的主动式探测系统。近些年，机载lidar技术作为一种精确、快速获取地表三维信息的技术在世界已经应用，国内无人机载激光雷达的应用范围已拓展到民用、军用的多个领域，激光雷达在地形监测、环境监测、国土测绘、应急测绘、工程勘测、三维智慧城市建设等诸多领域有广阔的发展前景和应用需求。

在实际工程中，激光雷达，特别是用于高压输电线路巡检的巡线激光雷达，对采集的激光点云分辨率(激光点云密度)要求越来越高，每平米激光点云数据量及精度都须有大幅提升，目前技术主要两种方法实现：

(1)通过采用昂贵的高重频、高单脉冲能量激光器实现；这种方法需要使用光纤激光器或者固体激光器，但是高重频模式工作时激光单脉冲能量或峰值功率显著下降，激光探测距离也随之显著下降。

(2)通过多个较低重频激光器及与之一一对应的多个弱光探测器实现；这种方法在制造时需要调平多个一一对应的发射与接收光路，不仅降低了批生产效率，也增加了弱光回波探测材料成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种多发单收低成本激光雷达装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种多发单收低成本激光雷达装置，包括：激光发射单元、光路收发单元、弱光探测单元、数码相机和激光雷达主机；所述激光发射单元为多合一激光发射器，该多合一激光发射器将多个激光器发射激光的光轴合并到同一光轴上后，出射激光经光路收发单元发送至探测目标，经探测目标返回的回波信号又经光路收发单元送至弱光探测单元；所述数码相机通过弹针与激光雷达主机电气连接，用于对探测目标进行拍摄并将拍摄数据传输至激光雷达主机；所述激光雷达主机用于接收并处理数码相机的拍摄数据以及对数码相机进行供电和时间同步控制。

进一步地，所述多合一激光发射器包括n个激光器和准直扩束镜；所述n个激光器发射激光的光轴经准直扩束镜后合并到一个光轴上。

进一步地，所述激光发射单元还包括第一反射镜；所述光路收发单元包括接收透镜、第二反射镜和多面反射镜；所述激光发射单元中合并后的光轴与接收透镜的光轴平行；所述第一反射镜和第二反射镜平行，且均与接收透镜的光轴呈45°倾斜；所述多合一激光发射器的出射激光依次经第一反射镜、第二反射镜和多面反射镜发送至探测目标，经探测目标返回的回波信号又依次经多面反射镜、第二反射镜和接收透镜送至弱光探测单元。

进一步地，所述多面反射镜安装在一个旋转装置上，并通过旋转装置带动多面反射镜旋转来实现对探测目标的激光扫描探测。

进一步地，所述激光雷达装置还包括相机安装架；所述数码相机、相机安装架和激光雷达主机通过螺纹可拆卸连接。

进一步地，所述相机安装架上设置有若干定位销钉和定位销孔，用于数码相机、相机安装架和激光雷达主机恢复安装时进行定位。

进一步地，所述定位销钉和定位销孔的精度在0.02mm以内。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过多个激光发射、一个弱光探测实现，在保证探测距离不变的情况下，通过提高扫描点密度成倍率地提高对物体测量速率，同时又能保证低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的多合一激光发射器的结构示意图。

图2为本发明实施例的光路收发单元的结构示意图。

图3为本发明实施例的数码相机和激光雷达主机的连接关系示意图。

图4为本发明实施例的数码相机的结构示意图。

图5为本发明实施例的激光雷达主机的结构示意图。

图6为本发明实施例的相机安装架的结构示意图。

附图标记：10-激光发射单元、11-第一反射镜、20-光路收发单元、21-第二反射镜、22-多面反射镜、23-接收透镜、24-旋转装置、30-弱光探测单元、31-数码相机、32-激光雷达主机、33-相机安装架、311-相机电气公接口、312-接地线弹针、313-供电线弹针、314-触发线弹针、315-曝光信号线弹针、316-定位销钉一、317-定位销钉二、318-螺纹孔、321-相机电母公接口、322-接地线母头、323-供电线母头、324-触发线母头、325-曝光信号线母头、326-定位销孔一、327-定位销孔二。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，本发明的一种多发单收低成本激光雷达装置，包括：激光发射单元10、光路收发单元20、弱光探测单元30、数码相机31和激光雷达主机32；所述激光发射单元10为多合一激光发射器，该多合一激光发射器将多个激光器发射激光的光轴合并到同一光轴上后，出射激光经光路收发单元20发送至探测目标，经探测目标返回的回波信号又经光路收发单元20送至弱光探测单元30；所述数码相机31通过弹针与激光雷达主机32电气连接，用于对探测目标进行拍摄并将拍摄数据传输至激光雷达主机32；所述激光雷达主机32用于接收并处理数码相机31的拍摄数据以及对数码相机31进行供电和时间同步控制。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

在一些实施例中，所述多合一激光发射器包括n个激光器和准直扩束镜；所述n个激光器发射激光的光轴经准直扩束镜后合并到一个光轴上，使得接收光路和反射光路可以采用现有成熟技术和制造工艺。

如图1所示，激光器1～激光器n按照一定规律布置(比如以某一轴线为基准圆周阵列方式)，激光器1光轴～激光器n光轴是平行的。通过准直扩束镜后，各个激光器光轴合并到一个光轴上，即图1中的多个激光光路同轴后的共有光轴。该n个激光器可由廉价和成熟的二极管脉冲激光器组成，在保证单脉冲能力不下降的情况下实大于300m的远距离测量，并成倍提高测量速率及原始采集数据的空间分辨率，同时降低激光雷达成本。对于实际航测作业(包括电力巡检作业)，远距离测量是保证航飞安全和适用于不同地形情况的先决条件。同时，采用一个弱光探测单元30，对多个激光发射产生的回波信号进行接收和处理，而不采用与激光发射一一对应的多个探测器处理回波信号，进一步降低了激光雷达实现成本和实现难度。也就是说，本发明主要是通过多个激光发射、一个弱光探测实现，在保证探测距离不变的情况下，通过提高扫描点密度成倍率地提高对物体测量速率，同时又能保证低成本。

如图2所示，在一些实施例中，所述激光发射单元10还包括第一反射镜11；所述光路收发单元20包括接收透镜23、第二反射镜21和多面反射镜22；所述激光发射单元10中合并后的光轴与接收透镜23的光轴平行；所述第一反射镜11和第二反射镜21平行，且均与接收透镜23的光轴呈45°倾斜；所述多合一激光发射器的出射激光依次经第一反射镜11、第二反射镜21和多面反射镜22发送至探测目标，经探测目标返回的回波信号又依次经多面反射镜22、第二反射镜21和接收透镜23送至弱光探测单元30。需要说明的是，第二反射镜21的大小和安装位置并不挡住所有回波信号，因此可以使得接收透镜23能够接收到回波信号。

在一些实施例中，所述多面反射镜22安装在一个旋转装置24上，并通过旋转装置24带动多面反射镜22旋转来实现对探测目标的激光扫描探测。也就是说，多个激光光路同轴后的共有光轴，通过第一反射镜11把激光反射到与接收透镜23同轴的第二反射镜21；通过第二反射镜21把出射激光反射到多面反射镜22上，通过多面反射镜22的旋转改变激光出射方向实现扫描。所述多面反射镜22可以是四面棱镜、六面棱镜等，其旋转轴应当是垂直于激光发射单元10或接收透镜23；而旋转装置24一般采用电机控制。

如图4、图5所示，图4中位于数码相机31上的相机电气公接口311中的接地线弹针312、供电线弹针313、触发线弹针314和曝光信号线弹针315，分别与图5中位于激光雷达主机32中的相机电气母接口中的接地线母头322、供电线母头323、触发线母头324和曝光信号线母头325一一对应。

在一些实施例中，所述激光雷达装置还包括相机安装架33；所述数码相机31、相机安装架33和激光雷达主机32通过螺纹可拆卸连接。

如图6所示，数码相机31通过相机安装架33与激光雷达主机32相连接，并通过螺纹孔328对位固定，在通过螺纹压紧相机安装架33到激光雷达主机32上时，数码相机31上的相机电气公接口311中的接地线弹针312、供电线弹针313、触发线弹针314和曝光信号线弹针315，因弹簧产生的压紧力，与图4中位于激光雷达主机32中的相机电气母接口中的接地线母头322、供电线母头323、触发线母头324和曝光信号线母头325紧密连接。

在一些实施例中，所述相机安装架33上设置有若干定位销钉和定位销孔，用于数码相机31、相机安装架33和激光雷达主机32恢复安装时进行定位。

在相机安装过程中，图6所示的相机安装架33的定位销钉一316和定位销钉二317分别与图5中的激光雷达主机32中的定位销孔一326和定位销孔二327对应，并将定位销钉和定位销孔的精度控制在0.02mm以内，保证数码相机31上的相机电气接口的弹针与激光雷达上相机电气接口中母头精确定位和连接。两个定位销钉和定位销孔的定位精度为0.02mm，而且相对距离为60mm，因此产生横滚误差为3.3×10^-4rad，在航飞600m时，引起的最大偏差小于20cm，小于测绘数据成果在自动空三时不大于20cm的误差要求，在正射影像处理过程中可通过软件可以自动寻找相邻影像同名连接点，实现无需检校即可直接进行正射影像处理，简化航测作业流程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。