一种基于三角法测距的激光雷达及其精度提高方法与流程

1.本发明涉及激光雷达领域，具体地涉及一种基于三角法测距的激光雷达及其精度提高方法。


背景技术：

2.激光雷达具有结构相对简单、高单色性、高方向性、相干性好、测量精度较高、空间分辨率高、探测距离远、价格便宜等优点；已被广泛地应用，应用范围大至大气、海洋和陆地进行高精度遥感探测的有效方法，小至家用智能扫地机器人导航避障。
3.目前机械式单线扫描激光雷达多采用三角法获取距离信息。三角测距原理为：激光器发射一束准直激光，光束照射到待测目标后发生漫反射，反射光被镜头接收并成像在成像传感器上，当光束照到不同距离的物体的反射光从不同角度进入镜头，在成像传感器上的成像光斑位置也不同，根据成像传感器上光斑的位置可以得到对应距离信息，其测距原理如图1所示。图1中，q：系统至被测物体的距离；s：激光器和镜头光心的间距；f：镜头焦距；x：光斑在传感器上的位移量。
4.物体与雷达中心距离可由如下公式求得：
5.q＝(f*s)/x
ꢀꢀꢀ
(1)
6.对(1)式转换成
7.x＝(f*s)/q
ꢀꢀꢀ
(2)
8.再对(2)式对q求导变换得：
9.dq/dx＝-q2/(f*s)
ꢀꢀꢀ
(3)
10.根据公式(3)可知，在现有三角法测距技术中，精度依赖于：基线s、接收镜头焦距f、传感器的像素尺寸和算法分辨能力。如果要提高精度，就需要对以上4点进行优化。如增加基线s，增大焦距f，减小像素尺寸或提高算法分辨能力dx。而前两项需要增加尺寸为代价，不利于小型化应用；后面两项需要更高的硬件及软件技术研发能力，研发周期长，成本高。


技术实现要素：

11.本发明旨在提供一种基于三角法测距的激光雷达及其精度提高方法，以解决上述问题。为此，本发明采用的具体技术方案如下：
12.根据本发明的一方面，提供了一种基于三角法测距的激光雷达的精度提高方法，所述激光雷达包括激光发射器、接收镜头和接收端传感器，其中，在所述接收镜头之前增加一闪耀光栅，使得反射激光经过所述闪耀光栅闪耀作用后由所述接收镜头聚焦至所述接收端传感器，所述闪耀光栅的闪耀波长在所述反射激光的波长的70％至130％之间。
13.进一步地，所述激光雷达的出射光为光束直径2.5mm的准直光。
14.进一步地，所述接收镜头为200w像素成像镜头，并且所述激光雷达的接收端传感器为cmos线阵传感器。
15.进一步地，所述闪耀光栅为﹢1级或-1级闪耀光栅，并且闪耀波长为790nm，光栅常数为0.83um。
16.进一步地，所述激光发射器和所述接收镜头的光心之间的距离设定为32mm。
17.根据本发明的另一方面，还提供了一种基于三角法测距的激光雷达，所述激光雷达包括激光发射器、接收镜头和接收端传感器，其中，所述激光雷达还包括闪耀光栅，所述闪耀光栅放置在所述接收镜头之前，使得反射激光经所述闪耀光栅闪耀作用后由所述接收镜头聚焦至所述接收端传感器，所述闪耀光栅的闪耀波长在所述反射激光的波长的70％至130％之间。
18.进一步地，所述激光发射器的出射光为光束直径2.5mm的准直光。
19.进一步地，所述接收镜头为200w像素成像镜头，并且所述接收端传感器为cmos线阵传感器。
20.进一步地，所述闪耀光栅为﹢1级或-1级反射式闪耀光栅，并且闪耀波长为790nm，光栅常数为0.83um。
21.进一步地，所述激光发射器和所述接收镜头的光心之间的距离设定为32mm。
22.本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是：通过闪耀光栅的非线性角度放大，可以提高激光雷达的远距离测距精度，并且不影响近距离精度，同时激光雷达的体积基本不变，并且成本低。
附图说明
23.为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
24.图1是现有激光雷达的三角法测距的原理图；
25.图2是本发明的激光雷达的示意图；
26.图3是本发明的激光雷达的三角法测距的原理图。
具体实施方式
27.需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本技术的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
29.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一
体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
30.现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
31.如图2和3所示，一种基于三角法测距的激光雷达包括激光发射器10、接收镜头20、接收端传感器30和闪耀光栅40。激光发射器10、接收镜头20和接收端传感器30的结构和布置与现有激光雷达是相同的，这里不再赘述。闪耀光栅40放置在接收镜头20之前，使得来自物体的反射激光经闪耀光栅4闪耀作用后由接收镜头20聚焦至接收端传感器30。其中，闪耀光栅40的闪耀波长在反射激光的波长的70％至130％之间，例如，当激光发射器10发射的激光波长为790nm时，闪耀光栅40的闪耀波长可以是在553nm至1027nm。优选地，闪耀光栅40的闪耀波长等于激光发射器10发射的激光波长。闪耀光栅40的大小和布置位置可以根据现有激光雷达的内部空间进行设置，改动很小，成本低，并且激光雷达的体积不会增加。
32.闪耀光栅的刻槽面与光栅面不平行，两者之间有一夹角(称为闪耀角)，从而使单个刻槽面衍射的中央极大和诸槽面干涉零极主极大分开，将光能量从干涉零极主极大，即零极光谱转移并集中到某一级光谱上去，实现该级光谱的闪耀。光栅干涉主极大方向是以光栅面法线方向为零级方向，而衍射的中央主极大方向则是由刻槽面法线方向等因素决定。光栅方程为
33.sinθ
out
＝-sinθ
in
±
mλ/d
34.其中，d为光栅常数，θ
in
为入射角；θ
out
为闪耀角；m为衍射级；λ为闪耀波长。
35.本激光雷达的测距原理如图3所示，以能量集中﹢1级为例(m＝1)，波长设定为790nm，光栅常数为0.83um。图3中，1、2和3表示来自不同距离(6000mm、4520mm和59mm)物体的反射光线，1
′
、2
′
和3
′
表示现有激光雷达(即，无闪耀光栅)成像后的光线，1"、2"和3"表示本激光雷达(增加了闪耀光栅)成像后的光线。由图3可以看出，对于6000mm距离，入射角变化0.1
°
(-2.9
°→‑
2.8
°
)，衍射角变化可达1.5
°
，放大15倍，即距离分辨率的放大。随着距离变小，入射角的变大(25.1
°→
25.2
°
)，衍射角趋于入射角，并不会变差，不影响近距离精度。由此可见，通过闪耀光栅4的非线性角度放大，可以提高远距离测距精度(或提高三角法测程)，并且不影响近距离精度。
36.激光发射器10是市场上可购得的。优选地，激光发射器10的出射光为光束直径2.5mm的准直光。
37.优选地，接收镜头20为市场上可购得的200w像素成像镜头，并且接收端传感器30为市场上可购得的cmos线阵传感器。
38.闪耀光栅40可以是反射式或透射式的。优选地，闪耀光栅40为﹢1级或-1级反射式闪耀光栅，并且闪耀波长为790nm，光栅常数为0.83um。
39.在一具体实施例中，激光雷达的激光发射器10和接收镜头20的光心之间的距离(即，基线)s设定为32mm。
40.综上，本发明提供了一种基于三角法测距的激光雷达的精度提高方法，该方法通过在所述接收镜头之前增加一闪耀光栅，使得反射激光经过所述闪耀光栅闪耀作用(即，非线性角度放大)后，可以提高远距离测距精度(或提高三角法测程)，并且不影响近距离精度。
41.尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于三角法测距的激光雷达的精度提高方法，所述激光雷达包括激光发射器、接收镜头和接收端传感器，其特征在于，在所述接收镜头之前增加一闪耀光栅，使得反射激光经过所述闪耀光栅闪耀作用后由所述接收镜头聚焦至所述接收端传感器，所述闪耀光栅的闪耀波长在所述反射激光的波长的70％至130％之间。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光雷达的出射光为光束直径2.5mm的准直光。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收镜头为200w像素成像镜头，并且所述激光雷达的接收端传感器为cmos线阵传感器。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述闪耀光栅为﹢1级或-1级反射式闪耀光栅，并且闪耀波长为790nm，光栅常数为0.83um。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光发射器和所述接收镜头的光心之间的距离设定为32mm。6.一种基于三角法测距的激光雷达，所述激光雷达包括激光发射器、接收镜头和接收端传感器，其特征在于，还包括闪耀光栅，所述闪耀光栅放置在所述接收镜头之前，使得反射激光经过所述闪耀光栅闪耀作用后由所述接收镜头聚焦至所述接收端传感器，所述闪耀光栅的闪耀波长在所述反射激光的波长的70％至130％之间。7.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射器的出射光为光束直径2.5mm的准直光。8.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述接收镜头为200w像素成像镜头，并且所述接收端传感器为cmos线阵传感器。9.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述闪耀光栅为﹢1级或-1级反射式闪耀光栅，并且闪耀波长为790nm，光栅常数为0.83um。10.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射器和所述接收镜头的光心之间的距离设定为32mm。

技术总结
本发明涉及一种基于三角法测距的激光雷达及其精度提高方法，所述激光雷达包括激光发射器、接收镜头和接收端传感器，其中，在所述接收镜头之前增加一闪耀光栅，使得反射激光经过所述闪耀光栅闪耀作用后由所述接收镜头聚焦至所述接收端传感器，所述闪耀光栅的闪耀波长在所述反射激光的波长的70％至130％之间。通过闪耀光栅的非线性角度放大，可以提高激光雷达的远距离测距精度，并且不影响近距离精度，同时激光雷达的体积基本不变，并且成本低。并且成本低。并且成本低。


技术研发人员：刘敬伟 黄运龙 陈志彬 余毅祥
受保护的技术使用者：厦门市和奕华光电科技有限公司
技术研发日：2022.03.11
技术公布日：2022/5/25