本發(fā)明屬于激光雷達(dá)領(lǐng)域，具體涉及一種激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法及掃描光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、三維成像激光雷達(dá)由于其具有較高的分辨率和較強(qiáng)的抗干擾能力，被廣泛應(yīng)用于軍事遙感、防災(zāi)預(yù)警、自動駕駛等諸多領(lǐng)域?，F(xiàn)如今的三維激光雷達(dá)為了適應(yīng)自動駕駛的需求，在橫向上具有較高的角分辨率，但在縱向掃描上由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，往往角分辨率都較低，無法滿足對于路面的全景三維成像需求?，F(xiàn)階段為了解決對于路面的高精度三維成像問題主要采用兩種途徑：一種是采用單線雷達(dá)結(jié)合縱向的俯仰掃描系統(tǒng)來達(dá)到高精度的三維成像，但這種方法的成像速度和精度受限于單線雷達(dá)的掃描頻率，往往成像速度都較慢；另一種方法是通過不斷增加三維激光雷達(dá)的掃描線數(shù)以提高縱向角分辨率，但這種方法往往成本較高，且不能有效的擴(kuò)大成像范圍。因此對于車載道路、軌道等全景成像這一類型特殊應(yīng)用場景，現(xiàn)階段的三維成像激光雷達(dá)無法實現(xiàn)大范圍、高精度的三維成像需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、(一)要解決的技術(shù)問題

2、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提供一種激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法及掃描光學(xué)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)階段的三維成像激光雷達(dá)無法實現(xiàn)大范圍、高精度的三維成像需求的問題。

3、(二)技術(shù)方案

4、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種掃描光學(xué)系統(tǒng)，所述掃描光學(xué)系統(tǒng)包括：激光光源、x/y單軸掃描振鏡和光學(xué)透鏡；

5、所述激光光源用于提供探測脈沖信號；

6、所述單軸掃描振鏡用于在x方向或y方向上進(jìn)行掃描，以實現(xiàn)激光雷達(dá)的三維成像；

7、所述光學(xué)透鏡用于調(diào)整掃描光的出射角度，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計；

8、其中，所述光學(xué)透鏡包括一個準(zhǔn)直透鏡和一個拋物柱透鏡；所述準(zhǔn)直透鏡用于將點(diǎn)光源擴(kuò)展為平行光，所述拋物柱透鏡用于將平行光進(jìn)行折疊以實現(xiàn)在地面的等間距排布。

9、本發(fā)明還提供一種激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法，該方法包括如下步驟：

10、s1、確定單軸掃描振鏡的旋轉(zhuǎn)角度為θ，則垂直視場角為2θ；

11、s2、確定單軸掃描振鏡與準(zhǔn)直透鏡的距離為a，準(zhǔn)直透鏡的有效焦距為f；

12、s3、確定雷達(dá)安裝平臺的高度為h，確定雷達(dá)的掃描線數(shù)為i，確定監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的距離分辨率為d，確定拋物柱透鏡的折射率為n，確定拋物柱透鏡靠近光源的一面為拋物面，另一面為平面，確定拋物柱透鏡的拋物面方程，根據(jù)方程設(shè)計出該拋物柱面。

13、本發(fā)明還提供一種激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法，該方法包括如下步驟：

14、步驟s101，根據(jù)設(shè)計需求，確定掃描方式；

15、步驟s102，根據(jù)所述掃描方式，確定y方向的掃描視場角；

16、步驟s103，根據(jù)所述y方向掃描視場角，確定y方向上的準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)；

17、步驟s104，根據(jù)應(yīng)用需求，人為確給定激光雷達(dá)的掃描線束、線間距、安裝平臺位置的高度；

18、步驟s105，根據(jù)應(yīng)用需求和計算需要，確定調(diào)整光束的光學(xué)系統(tǒng)為一塊拋物柱面鏡，其中一面為拋物面，另一面為平面；確定拋物柱透鏡的拋物面方程，根據(jù)方程設(shè)計出該拋物柱面。

19、(三)有益效果

20、本發(fā)明提出一種激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法及掃描光學(xué)系統(tǒng)，本發(fā)明的有益效果：

21、1、本發(fā)明所述的激光雷達(dá)掃描結(jié)構(gòu)，僅需要一個光源通過振鏡掃描就能實現(xiàn)對道路地面的均勻全景三維成像，體積小、結(jié)構(gòu)簡單，無需外加任何機(jī)械掃描裝置，保證較高的成像速度。

22、2、本發(fā)明所述的激光雷達(dá)掃描結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)道路的各個位置成像精度一致，能夠最大限度利用激光雷達(dá)的線數(shù)，不受安裝位置以及雷達(dá)本身結(jié)構(gòu)的限制，擴(kuò)大成像范圍。

技術(shù)特征：

1.一種掃描光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述掃描光學(xué)系統(tǒng)包括：激光光源、x/y單軸掃描振鏡和光學(xué)透鏡；

2.如權(quán)利要求1所述的掃描光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直透鏡為f-θ透鏡系統(tǒng)、柱面透鏡系統(tǒng)或凸透鏡系統(tǒng)。

3.一種激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

4.如權(quán)利要求3所述的激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法，其特征在于，所述s3確定拋物柱透鏡的拋物面方程包括：

5.如權(quán)利要求4所述的如激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法，其特征在于，確定第i根光線與第一根光線的距離為di，即得出該拋物柱面不同位置的厚度

6.一種激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

7.如權(quán)利要求6所述的激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法，其特征在于，所述s101中，掃描方式為mems掃描、x/y單軸振鏡掃描或旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描。

8.如權(quán)利要求6所述的激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法，其特征在于，所述s103中，準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)為f-θ透鏡系統(tǒng)、柱面透鏡系統(tǒng)或凸透鏡系統(tǒng)。

9.如權(quán)利要求6所述的激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法，其特征在于，所述s104中，安裝平臺為機(jī)動車輛、固定位置的安裝支架或火車機(jī)車頭。

10.如權(quán)利要求6-9任一項所述的激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法，其特征在于，所述s105中，確定拋物柱透鏡的拋物面方程，根據(jù)方程設(shè)計出該拋物柱面包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種激光雷達(dá)光束調(diào)整的光學(xué)設(shè)計方法及掃描光學(xué)系統(tǒng)，屬于激光雷達(dá)領(lǐng)域。本發(fā)明的掃描光學(xué)系統(tǒng)包括：激光光源、X/Y單軸掃描振鏡和光學(xué)透鏡。激光光源用于提供探測脈沖信號；單軸掃描振鏡用于在X方向或Y方向上進(jìn)行掃描，以實現(xiàn)激光雷達(dá)的三維成像；所述光學(xué)透鏡用于調(diào)整掃描光的出射角度，所述光學(xué)透鏡包括一個準(zhǔn)直透鏡和一個拋物柱透鏡；所述準(zhǔn)直透鏡用于將點(diǎn)光源擴(kuò)展為平行光，所述拋物柱透鏡用于將平行光進(jìn)行折疊以實現(xiàn)在地面的等間距排布。本發(fā)明所述的激光雷達(dá)掃描結(jié)構(gòu)，僅需要一個光源通過振鏡掃描就能實現(xiàn)對道路地面的均勻全景三維成像，體積小、結(jié)構(gòu)簡單，無需外加任何機(jī)械掃描裝置，保證較高的成像速度。

技術(shù)研發(fā)人員：朱國安,周元峰,張志堅,趙云峰,魏琳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中兵北斗應(yīng)用研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8