本实用新型涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种基于面阵探测器的三维扫描激光雷达。
背景技术：
激光扫描测距雷达能够用于检测目标位置，轮廓和速度，激光测距雷达的应用领域逐步拓展，精确测量、导航定位、安全避障，并开始应用于无人驾驶技术，激光扫描雷达是将发射的激光束通过扫描发射形成扫描截面，从而测试出待测物的特征信息。目前三维扫描激光雷达在垂直方向为多层扫描，能够很好的反应待测物的特征信息，适用于多个领域，如无人驾驶的导航，形状轮廓检测。
目前的三维扫描激光雷达多采用多线扫描方式，即发射使用多个激光管顺序发射，结构为多个激光管纵向排列，每个激光管之间有一定的夹角，垂直发射视场在30-40°，接收模块在对应角度进行接收，每一个接收探测器对应一个发射角度，结构为接收模块和发射模块在两侧对称排布，内部使用反光镜进行光路转折，然后在水平方向旋转实现三维扫描测距，为满足要求需要快速得到扫描测试信息，并且采集更多的特征信息提高点阵像素，多线激光雷达采用控制多个发射二极管在垂直方向顺序发射，同时对应多个发射二极管安装同等数量的接收探测器，造成垂直方向体积增大，功耗散热提高，并且需要无线供电和无线传输，使成本居高不下，制约了多线激光雷达的发展。
技术实现要素：
为解决现有技术存在的局限和缺陷，本实用新型提供一种基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，包括发射单元、接收单元和控制单元，所述发射单元包括发射电路板、发射激光器、整形透镜和扫描组件，所述接收单元包括面阵探测器、接收镜头和接收电路板，所述控制单元包括fpga主板和扫描驱动；
所述发射单元用于发射整形为长条状的光斑，通过扫描照射到待测物上，所述接收镜头用于将返回回波聚焦到所述面阵探测器上进行测距处理，获得距离信息，所述面阵探测器的多个像素单元用于提供角度信息，所述控制单元用于控制所述发射单元发射不同的编码光脉冲，对所述接收单元接收的回波进行解码，根据所述距离信息和所述角度信息形成三维点云；
所述发射激光器包括n×75w并列排布的半导体激光器芯片模块，所述半导体激光器芯片模块的数量范围为2-6个，所述芯片之间的距离范围为100-500um，所述芯片按照垂直方向发散角进行平行排布，所述整形透镜包括柱面透镜和非球面透镜，所述整形透镜用于进行长条状整形，发散角为θ∥*θ⊥°，θ∥的取值范围为0.1°-12°，θ⊥的取值范围为0.1°-25°，所述扫描组件为一维mems振镜、二维mems振镜、六面折射转鼓、检流计振镜之中的任一种，所述扫描组件的扫描光学角度范围为25°-150°。
可选的，所述发射激光器为4×75w的半导体激光器，所述柱面透镜的焦距为30mm，所述半导体激光器用于对平行方向发散角使用所述柱面透镜进行准直，所述发散角为6mrad，垂直方向发散角保持25°，所述光斑为0.4*25°的长方形光斑。
可选的，所述扫描组件为检流计振镜，所述检流计振镜的尺寸为20*20mm，振动角度为60°，振动频率范围为100-500hz。
可选的，所述面阵阵列探测器为sipm阵列探测器、apd阵列探测器、spad阵列探测器或者mppc阵列探测器，所述面阵阵列探测器的单元像素的数量范围为1-10万。
可选的，所述接收镜头的焦距范围为8-25mm，所述接收镜头的f数范围为1-2.8，所述接收镜头的接收视场角范围为25°-150°。
可选的，所述接收镜头的焦距为16mm，所述接收镜头的f数为1，所述接收镜头的接收口径为16mm，所述接收镜头的接收视场角为120°；或者
所述接收镜头的焦距为25mm，所述接收镜头的f数为1.4，所述接收镜头的接收口径为20mm，所述接收镜头的接收视场角为25°。
可选的，所述控制单元用于控制发射不同的光编码，所述光编码为脉冲强度调制、脉宽调制或者相位调制，脉宽范围为0.5ns-10ns，每次发射编码个数为8-32位编码，编码形式为脉冲型的线性和非线性方式或者相位型的两极和多相位方式。
可选的，所述三维扫描激光雷达为发射和接收分离的光路结构，或者为发射和接收共用振镜的光路结构，所述发射和接收分离的光路结构为所述发射单元与所述接收单元是左右结构或者上下结构，所述发射和接收分离的光路结构用于发射光照射到所述振镜上，扫描所述待测物，所述接收镜头直接接收，所述发射和接收共用振镜的光路结构用于整形发射光斑照射到所述振镜上进行发射，扫描所述待测物，返回到所述振镜再由所述接收镜头接收。
可选的，所述fpga主板包括多条tdc时间线，所述tdc时间线用于同时读取多个微单元的计时信号，所述tdc时间线的数量范围为2-200条。
可选的，所述控制单元包括激光驱动模块、振镜驱动模块、激光接收模块，所述控制单元和所述接收单元之间设置有高压控制模块，所述三维扫描激光雷达的外围设备包括sdram模块、flash模块和网口通信模块。
本实用新型具有下述有益效果：
本实用新型提供一种基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，包括发射单元、接收单元和控制单元，发射单元包括发射电路板、发射激光器、整形透镜和扫描组件，接收单元包括面阵探测器、接收镜头和接收电路板，控制单元包括fpga主板和扫描驱动。发射单元用于发射整形为长条状的光斑，通过扫描照射到待测物上，接收镜头用于将返回回波聚焦到面阵探测器上进行测距处理，获得距离信息，面阵探测器的多个像素单元用于提供角度信息，控制单元用于控制发射单元发射不同的编码光脉冲，对接收单元接收的回波进行解码，根据距离信息和角度信息形成三维点云。本实用新型提供的三维扫描激光雷达基于面阵探测器进行信号接收，便于组装调节标定，结构紧凑，减小了体积和重量，降低了功耗，从而降低成本。
附图说明
图1为本实用新型实施例一提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的系统流程示意图。
图2为本实用新型实施例一提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的条状光斑示意图。
图3为本实用新型实施例一提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的一种光路示意图。
图4为本实用新型实施例一提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的另一种光路示意图。
图5为本实用新型实施例一提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的编解码算法流程示意图。
图6为本实用新型实施例一提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的控制电路架构框图。
其中，附图标记为：面阵探测器-1；接收镜头-2；振镜-3；整形透镜-4；半导体激光器-5；待测物-6。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达进行详细描述。
实施例一
本实施例提供了一种基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，包括发射单元、接收单元、控制单元，发射单元由发射电路板、半导体激光器、整形透镜、扫描组件组成，接收单元由面阵探测器、接收镜头和接收电路板组成，控制单元由fpga主板和扫描驱动组成。其中，发射整形为一长条形状光斑，通过扫描照射到待测物上，返回回波通过接收镜头并聚焦到接收探测器上进行测距处理，同时面阵探测器的多个像素单元提供角度信息，控制单元控制发射不同的编码光脉冲，对接收单元接收回波进行解码，根据距离和角度信息形成点云。
图1为本实用新型实施例一提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的系统流程示意图。图2为本实用新型实施例一提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的条状光斑示意图。图3为本实用新型实施例一提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的一种光路示意图。图4为本实用新型实施例一提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的另一种光路示意图。如图1-4所示，基于面阵探测器的三维扫描激光雷达包括发射单元、接收单元、控制单元，发射单元由发射电路板、半导体激光器、整形透镜、扫描组件组成，接收单元由面阵探测器、接收镜头和接收电路板组成，控制单元由fpga主板和扫描驱动组成。本实施例通过控制单元控制发射模块进行编码发射，接收探测器进行接收测距，同时利用像素单元位置得出角度，根据距离和角度信息形成三维点云，根据接收信号强弱得出强度信息。
本实施例中，所述发射单元的发射激光器使用的是n×75w并列排布的半导体激光器芯片模块，其数量为2-6个，芯片之间间距为100-500um，按照垂直方向发散角平行排布，整形单元使用柱面透镜和非球面透镜进行长条状整形，发散角在θ∥*θ⊥°，θ∥可以在0.1°-12°之间，θ⊥可以在0.1°-25°之间，可以串行发射也可以并行发射。所述发射单元的扫描组件可以是一维或者二维mems振镜，也可以是6面转鼓，检流计振镜，其扫描光学角度在25-150°
本实施例提供的接收单元的接收探测器为阵列探测器，可以是sipm、apd、spad、mppc的阵列，单元像素个数在1万-10万，可以为面阵阵列探测器也可以为线阵探测器。所述接收单元的接收镜头，使用的焦距在8-25mm之间，f数在1-2.8之间，接收镜头的接收视场角在25-150°。所述控制单元可以控制发射不同的光编码，可以为脉冲强度调制，脉宽调制，相位调制，脉宽在0.5-10ns，每次发射编码个数为8-32位编码，可以使用编码形式为脉冲型的线性和非线性方式，相位型的两极和多相位方式。
优选的，所述基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的光路结构可以为发射和接收分离，也可以为发射和接收共用振镜，发射和接收分离为发射单元和接收单元为左右或者上下结构，发射光照射到振镜上，扫描待测物，然后接收镜头直接接收。发射和接收共用振镜方式为整形发射光斑照射到振镜上进行发射，扫描待测物，然后返回到振镜再由接收镜头接收。
本实施例提供的控制单元的fpga主板模块内使用多条tdc时间线，可以同时读取多个微单元的计时信号，tdc时间线个数在2-200条。所述控制单元设置有激光驱动模块、振镜驱动模块、激光接收模块，控制单元和接收单元之间设置有高压控制模块，外围设备设置有sdram和flash、网口通信等模块。本实施例提供的测距流程为序列编码的发射光进行扫描一次发射，控制模块将接收单元接收信号并结合阵列探测器像素单元位置提供的角度信息，通过多条tdc时间线同时采集一次发射和对应多个返回光信号进行解码得出单元点云信息，然后通过扫描单元扫描将多个单元点云信息组合形成三维点云图形。
图5为本实用新型实施例一提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的编解码算法流程示意图。图6为本实用新型实施例一提供的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达的控制电路架构框图。如图5和图6所示，本实施例提供了一种基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，包括发射单元、接收单元、控制单元，发射单元由发射电路板、半导体激光器、整形透镜、扫描组件组成，接收单元由面阵探测器、接收镜头和接收电路板组成，控制单元由fpga主板和扫描驱动和传输模块组成。
本实施例通过控制单元控制发射模块进行脉冲或者相位编码发射，接收探测器进行接收，然后解码测距，同时利用像素单元位置得出角度，根据距离和角度信息形成三维点云。本实施例提供的三维扫描激光雷达基于面阵探测器进行信号接收，便于组装调节标定，结构紧凑，减小了体积和重量，降低了功耗，从而降低成本。
优选的，所述发射单元的发射激光器使用的是n×75w并列排布半导体激光器芯片模块组成，其数量为2-6个，芯片之间间距在100-500um，按照垂直方向发散角平行排布，平行方向并列排布，多个组合芯片的平行方向的发散角几乎不变，整形单元使用柱面透镜和非球面透镜进行长条状整形，发散角在θ∥*θ⊥°，θ∥可以为0.1°-12°之间，θ⊥可以为0.1°-25°之间。本实施例使用4×75w的半导体激光器，对平行方向发散角使用30mm焦距柱透镜进行准直，发散角为6mrad，垂直方向发散角保持25°，光斑形状为0.4*25°的长方形光斑。
优选的，所发射单元的扫描组件可以是一维或者二维mems振镜，也可以是6面转鼓，检流计振镜，本实施例使用检流计振镜，其尺寸为20*20mm，振动角度为60°，振动频率在100-500hz。所述接收单元的接收探测器为阵列探测器，可以是sipm、apd、spad、mppc等的阵列，单元像素个数在1万-10万个。图3所示的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达之中，100*400的阵列探测器并满足多个像素单元的并行传输，具体可以为100个像素单元并行传输。图4所示的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达之中，1*128线的线阵探测器，并满足多个像素单元的并行传输，具体可以128个像素单元并行传输。
本实施例提供的接收镜头使用的焦距在8-25mm之间，f数在1-2.8之间，通光孔径在5-30mm，接收镜头的接收视场角在25-150°之间。图3所示的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达之中，接收镜头为焦距为16mm，f数为1，接收口径为16mm，接收视场角为120°的接收镜头。图4所示的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达之中，接收镜头为焦距为25mm，f数为1.4，接收口径为20mm，接收视场角为25°的接收镜头。
本实施例中，所述控制单元可以控制发射不同的光编码，可以为脉冲强度调制，脉宽调制，相位调制，脉宽在0.5-10ns，每次发射编码个数为8-16位编码，可以使用编码形式为脉冲型的线性和非线性方式，相位型的两极和多相位方式，本实施例为13位编码的发射脉冲序列，其发射端的发射编码序列可以为t＝{10101010100101101001100110}，在解码端的解码序列为r＝{1-11-11-11-11-1-11-111-11-1-111-1-111-1}，其满足正相关性。
优选的，所述fpga主板模块内使用多条tdc时间线，可以同时读取多个像素单元的计时信号，fpga内的tdc时间线个数在2-200条，图3所示的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达之中，fpga内部建立的tdc时间线为100条，结合使用阵列探测器100*400同时可以读取100条时间信号进行读取测距。图4所示的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达之中，fpga内部建立的tdc时间线为128条，结合使用阵列探测器1*128线的阵列探测器，同时可以读取128条的时间信号进行读取测距。
本实施例中，控制模块能够将接收单元接收信号并结合阵列探测器像素单元位置提供的角度信息，通过多条tdc时间线同时采集一次发射和对应返回光的信号，然后通过将反射光信号与参考信号序列进行相关运算，对运算结果求导，运用插值法计算零点位置，计算出时延和距离得出单元点云信息，其计算公式为距离l＝1/2(c*t),c为光在空气介质中的速度，t为从发射到接收的计时，然后通过扫描单元扫描将多个单元点云信息组合形成三维点云图形。
优选的，所述的光路结构可以为发射和接收分离，也可以为发射和接收共用振镜形式，发射和接收分离为发射单元和接收单位为左右或者上下结构，发射照射到振镜上，扫描待测物，然后接收镜头直接接收。发射和接收共用振镜方式为整形发射光斑照射到振镜上进行发射，然后扫描待测物，信号返回到振镜再由接收镜头接收。
图3所示的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达之中，发射和接收分离的光路结构如下：发射通过整形得到0.4*25°的长条状发射光斑，进行编码发射，此处采用的半导体激光器为4*75w激光光源，同时发射，脉宽为1ns，间隔为20ns，发射编码为t＝{10101010100101101001100110}的13位脉冲，照射到检流计振镜振镜上，进行120度扫描，其发射视场角为25°*120°，每隔0.3°发射一次，扫描待测物，然后接收单元使用阵列探测器为100*400的阵列，接收使用120°视场角的接收镜头，在25°方向对应100个像素单元，在120°对应400个像素单元，每次发射0.4*25°的光斑对应100个像素单元同时将信号进行并行传输，接收信号后通过使用解码序列r＝{1-11-11-11-11-1-11-111-11-1-111-1-111-1}进行解码，然后将反射光信号与参考信号序列进行相关运算，对运算结果求导，运用插值法计算零点位置，计算出时延和距离，并结合像元位置得到的角度信息得出单元点云信息，将每次的发射进行拼接组成三维视场为120*25°的点云信息。
图4所示的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达之中，发射和接收共用振镜的光路结构如下：发射通过整形得到0.6*25°的长条状发射光斑，进行编码发射，此处采用的半导体激光器为4*75w激光光源，同时发射，脉宽为1ns，间隔为20ns，发射编码为t＝{10101010100101101001100110}的13位脉冲，照射到检流计振镜振镜上，进行120度扫描，其发射视场角为25°*120°，每隔0.3°发射一次，照射到待测物上，然后反射回波到检流计振镜上，接收单元使用阵列探测器为1*128的线阵，接收使用25°视场角的接收镜头，在25°方向对应128个像素单元，每次发射0.6*25°的光斑对应128个像素单元同时将信号进行并行传输，接收信号后通过使用解码序列r＝{1-11-11-11-11-1-11-111-11-1-111-1-111-1}进行解码，然后将反射光信号与参考信号序列进行相关运算，对运算结果求导，运用插值法计算零点位置，计算出时延和距离，并结合像元位置得到的角度信息得出单元点云信息，将每次的发射进行拼接组成三维视场为120*25°的点云信息
本实施例提供一种基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，包括发射单元、接收单元和控制单元，发射单元包括发射电路板、发射激光器、整形透镜和扫描组件，接收单元包括面阵探测器、接收镜头和接收电路板，控制单元包括fpga主板和扫描驱动。发射单元用于发射整形为长条状的光斑，通过扫描照射到待测物上，接收镜头用于将返回回波聚焦到面阵探测器上进行测距处理，获得距离信息，面阵探测器的多个像素单元用于提供角度信息，控制单元用于控制发射单元发射不同的编码光脉冲，对接收单元接收的回波进行解码，根据距离信息和角度信息形成三维点云。本实施例提供的三维扫描激光雷达基于面阵探测器进行信号接收，便于组装调节标定，结构紧凑，减小了体积和重量，降低了功耗，从而降低成本。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。
1.一种基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于，包括发射单元、接收单元和控制单元，所述发射单元包括发射电路板、发射激光器、整形透镜和扫描组件，所述接收单元包括面阵探测器、接收镜头和接收电路板，所述控制单元包括fpga主板和扫描驱动；
所述发射单元用于发射整形为长条状的光斑，通过扫描照射到待测物上，所述接收镜头用于将返回回波聚焦到所述面阵探测器上进行测距处理，获得距离信息，所述面阵探测器的多个像素单元用于提供角度信息，所述控制单元用于控制所述发射单元发射不同的编码光脉冲，对所述接收单元接收的回波进行解码，根据所述距离信息和所述角度信息形成三维点云；
所述发射激光器包括n×75w并列排布的半导体激光器芯片模块，所述半导体激光器芯片模块的数量范围为2-6个，所述芯片之间的距离范围为100-500um，所述芯片按照垂直方向发散角进行平行排布，所述整形透镜包括柱面透镜和非球面透镜，所述整形透镜用于进行长条状整形，发散角为θ∥*θ⊥°，θ∥的取值范围为0.1°-12°，θ⊥的取值范围为0.1°-25°，所述扫描组件为一维mems振镜、二维mems振镜、六面折射转鼓、检流计振镜之中的任一种，所述扫描组件的扫描光学角度范围为25°-150°。
2.根据权利要求1所述的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述发射激光器为4×75w的半导体激光器，所述柱面透镜的焦距为30mm，所述半导体激光器用于对平行方向发散角使用所述柱面透镜进行准直，所述发散角为6mrad，垂直方向发散角保持25°，所述光斑为0.4*25°的长方形光斑。
3.根据权利要求1所述的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述扫描组件为检流计振镜，所述检流计振镜的尺寸为20*20mm，振动角度为60°，振动频率范围为100-500hz。
4.根据权利要求1所述的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述面阵探测器为sipm阵列探测器、apd阵列探测器、spad阵列探测器或者mppc阵列探测器，所述面阵探测器的单元像素的数量范围为1-10万。
5.根据权利要求1所述的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述接收镜头的焦距范围为8-25mm，所述接收镜头的f数范围为1-2.8，所述接收镜头的接收视场角范围为25°-150°。
6.根据权利要求5所述的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述接收镜头的焦距为16mm，所述接收镜头的f数为1，所述接收镜头的接收口径为16mm，所述接收镜头的接收视场角为120°；或者
所述接收镜头的焦距为25mm，所述接收镜头的f数为1.4，所述接收镜头的接收口径为20mm，所述接收镜头的接收视场角为25°。
7.根据权利要求1所述的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述控制单元用于控制发射不同的光编码，所述光编码为脉冲强度调制、脉宽调制或者相位调制，脉宽范围为0.5ns-10ns，每次发射编码个数为8-32位编码，编码形式为脉冲型的线性和非线性方式或者相位型的两极和多相位方式。
8.根据权利要求1所述的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述三维扫描激光雷达为发射和接收分离的光路结构，或者为发射和接收共用振镜的光路结构，所述发射和接收分离的光路结构为所述发射单元与所述接收单元是左右结构或者上下结构，所述发射和接收分离的光路结构用于发射光照射到所述振镜上，扫描所述待测物，所述接收镜头直接接收，所述发射和接收共用振镜的光路结构用于整形发射光斑照射到所述振镜上进行发射，扫描所述待测物，返回到所述振镜再由所述接收镜头接收。
9.根据权利要求1所述的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述fpga主板包括多条tdc时间线，所述tdc时间线用于同时读取多个微单元的计时信号，所述tdc时间线的数量范围为2-200条。
10.根据权利要求1所述的基于面阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述控制单元包括激光驱动模块、振镜驱动模块、激光接收模块，所述控制单元和所述接收单元之间设置有高压控制模块，所述三维扫描激光雷达的外围设备包括sdram模块、flash模块和网口通信模块。
技术总结