本發(fā)明涉及一種全固態(tài)激光雷達的掃描方法，屬于光電探測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光雷達由信號發(fā)射模塊、信號接收模塊、信號處理及控制電路三部分組成，其中現(xiàn)有全固態(tài)激光雷達有兩種掃描方案，一種是在信號發(fā)射模塊中使用光束掃描式激光芯片進行光束偏轉(zhuǎn)照射的光學掃描方法，另一種是在信號接收模塊里直接讓陣列式光電接收芯片上陣列排布的光電單元進行電子掃描，這兩種方法都需要依賴上述特殊掃描芯片，這些特殊掃描芯片都存在制造工藝復雜、產(chǎn)量低、成本高的問題。例如，quanergy公司的s3光學相控陣激光掃描芯片就是一種用于信號發(fā)射模塊中通過光束偏轉(zhuǎn)照射，進行光學掃描的光束掃描式激光芯片，此類芯片制造工藝很復雜、生產(chǎn)成本很高，因此至今沒有在市面上大規(guī)模應(yīng)用。再如，hamamatsu公司的距離圖像傳感器系列芯片，是一種專為信號接收模塊進行全固態(tài)掃描設(shè)計的陣列式光電接收芯片，它類似于ccd圖像傳感器，是利用芯片上陣列排布的眾多光電單元直接對光信號進行測量和電子掃描的器件，制造工藝也很復雜，僅該芯片采購價格就超過100美元，顯然遠遠高于常規(guī)光電接收器件的價格水平。目前，用于普通激光雷達信號發(fā)射模塊的常規(guī)信號光源有各種激光器和紅外二極管，用于普通激光雷達信號接收模塊的常規(guī)光電接收器件有雪崩二極管、光電倍增管、光敏二極管等，它們都具有技術(shù)成熟、產(chǎn)量大、成本低的特點。如果能夠在使用常規(guī)信號光源和常規(guī)光電接收器件的條件下實現(xiàn)全固態(tài)掃描，那么這種新型全固態(tài)激光雷達成本將會顯著降低，將很快惠及社會。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種全固態(tài)激光雷達的掃描方法，能夠在使用常規(guī)信號光源和常規(guī)光電接收器件的條件下實現(xiàn)全固態(tài)掃描。

本發(fā)明描述了一種全固態(tài)激光雷達的掃描方法，具體如下：

步驟s1：信號發(fā)射模塊采用常規(guī)信號光源，并在信號處理及控制電路的控制下向探測場景照射帶有測量信號的光線；

步驟s2：信號接收模塊的光學鏡頭把探測場景的反射光線先照射到液晶光閥陣列上，液晶光閥陣列上排布的每個液晶光閥單元對射向自己的那部分反射光線進行通斷控制；

步驟s3：液晶光閥陣列的各液晶光閥單元在信號處理及控制電路控制下每次只打開一個液晶光閥單元，讓相應(yīng)反射光線能夠照射到光路下游的常規(guī)光電接收器件上，使常規(guī)光電接收器件產(chǎn)生相應(yīng)的回波信號，信號處理及控制電路接收到這個回波信號后即可關(guān)閉該液晶光閥單元并打開下一個液晶光閥單元，然后信號處理及控制電路會控制常規(guī)信號光源發(fā)出新的測量信號，以此類推實現(xiàn)掃描；

步驟s4：信號處理及控制電路每次接收到一個回波信號后，都會與常規(guī)信號光源發(fā)射的測量信號進行對比計算，求出信號差并計算出相應(yīng)的距離數(shù)據(jù)，該距離數(shù)據(jù)與相應(yīng)液晶光閥單元在液晶光閥陣列中的陣列位置數(shù)據(jù)相匹配就能夠得到一個有效的掃描數(shù)據(jù)；

步驟s5：信號處理及控制電路控制液晶光閥陣列中的所有液晶光閥單元全部開關(guān)一次后，就可以得到一組掃描數(shù)據(jù)的集合，該掃描數(shù)據(jù)的集合就是這個探測場景的點云圖。

本發(fā)明的有益效果是這樣的：本發(fā)明由信號發(fā)射模塊、信號接收模塊、信號處理及控制電路三部分組成，本發(fā)明的全固態(tài)掃描元件是安裝在信號接收模塊中的液晶光閥陣列，由步驟s2和步驟s3可知液晶光閥陣列位于光學鏡頭與常規(guī)光電接收器件之間。當光學鏡頭把探測場景的反射光線聚焦到常規(guī)光電接收器件上之前，反射光線必須先通過該液晶光閥陣列，因此該液晶光閥陣列的各液晶光閥單元在信號處理及控制電路的控制下逐個開關(guān)的過程中，探測場景的反射光線就會被依次開關(guān)的各液晶光閥單元分割為一個接一個的光信號，并依次照射到常規(guī)光電接收器件上產(chǎn)生一個接一個的回波信號，各液晶光閥單元全部開關(guān)一遍就完成了對這個探測場景的一次掃描。由于液晶光閥單元的開關(guān)原理是基于液晶對光線的光學調(diào)制特性，顯然該掃描過程是全固態(tài)的，實現(xiàn)了本發(fā)明目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的工作流程圖。

圖2是本發(fā)明的原理示意圖。

圖中標記如下：1.信號處理及控制電路，2.常規(guī)信號光源，3.光學鏡頭，4.常規(guī)光電接收器件，5.液晶光閥陣列，6.液晶光閥單元。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征、優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細說明。在下面的描述中將闡述很多具體細節(jié)，目的在于幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員更充分地理解本發(fā)明，但是顯然本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的前提下以更多不同于本實施例具體描述的其它方式來修改和實施，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施方式的限制。例如，本發(fā)明雖然以液晶光閥陣列來描述本發(fā)明的原理，但并不是說本發(fā)明僅限于使用液晶光閥陣列，如果換用具有同樣效果或作用的其它部件例如電致雙折射晶體陣列、克爾盒陣列、mems微振鏡芯片等亦屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明如圖1所示：

步驟s1：信號發(fā)射模塊采用常規(guī)信號光源2，并在信號處理及控制電路1的控制下向探測場景照射帶有測量信號的光線。

該步驟指的是：本發(fā)明的信號發(fā)射模塊不需要采用現(xiàn)有技術(shù)的光束掃描式激光芯片或其它掃描式信號光源，只需采用常規(guī)信號光源2對探測區(qū)域進行面照射即可，如圖2所示。所以該常規(guī)信號光源2可以直接采用紅外激光燈、led燈、紅外二極管、黃磷濾鏡激光照明燈、配激光勻化鏡的激光器等均可。由于是面照射，因此本發(fā)明即可以采用一個常規(guī)信號光源2直接對探測場景進行整體照射，還可以采用多個串聯(lián)或者并聯(lián)的常規(guī)信號光源2分別照射探測場景中的不同區(qū)域或者集中照射整個探測場景，都可以進一步提高測量信號照射強度，提高探測距離，這是使用現(xiàn)有光束掃描式激光芯片或者其它掃描式信號光源很難實現(xiàn)的。常規(guī)信號光源2發(fā)射的光線需要由信號處理及控制電路1進行調(diào)制加載測量信號，該測量信號可以是光脈沖的上下沿信號、相位信號或脈沖個數(shù)信號等均可，這些也是現(xiàn)有激光雷達最常用的時差法、相位法、脈沖個數(shù)法等測量原理中的典型信號類型，本領(lǐng)域技術(shù)人員都非常熟悉，實施完全不需要再付出創(chuàng)造性勞動，因此不再詳細贅述。本發(fā)明的信號發(fā)射模塊的常規(guī)信號光源2前的光學鏡頭3可以采用變焦鏡頭來調(diào)節(jié)射出光線的光束視場角，這樣就可以同時具備廣角搜索和集中照射兩種能力，例如首先通過調(diào)節(jié)光學鏡頭3增大光束視場角，擴大照射范圍，提高探測效率；然后調(diào)節(jié)光學鏡頭3縮小光束視場角集中照射探測場景中的重要區(qū)域，增加光信號強度，從而為信號接收模塊對該重要區(qū)域?qū)嵤┚殥呙杼峁└鼜姷墓庑盘?，當然此時需要在信號接收模塊上同時采用具備變焦能力的光學鏡頭3并實施同步變焦控制。

步驟s2：信號接收模塊的光學鏡頭3把探測場景的反射光線先照射到液晶光閥陣列5上，液晶光閥陣列5上排布的每個液晶光閥單元6對射向自己的那部分反射光線進行通斷控制。

該步驟指的是：當光學鏡頭3把探測場景的反射光線聚焦到常規(guī)光電接收器件4上之前，反射光線都要先經(jīng)過液晶光閥陣列5如圖2所示。該液晶光閥陣列5是由多個液晶光閥單元6構(gòu)成的平面陣或者曲面陣，其中的每個液晶光閥單元6都能夠?qū)碜蕴綔y場景的反射光線中照射到自己的那一小部分光線進行通斷控制。顯然照射到每個液晶光閥單元6上的那一小部分反射光線一定是來自于探測場景中某一小塊局部場景的，所以液晶光閥陣列5上有多少個液晶光閥單元6，探測場景也就自然會被劃分為多少塊相對應(yīng)的局部場景，當然這些局部場景組成的陣列就是整個探測場景，每個局部場景在整個探測場景中的陣列位置數(shù)據(jù)也就是它的地址數(shù)據(jù)，必然與對應(yīng)液晶光閥單元6在液晶光閥陣列5中的陣列位置數(shù)據(jù)相同或者鏡像，這樣后期得到的每個局部場景的距離數(shù)據(jù)都能夠通過對應(yīng)液晶光閥單元6在液晶光閥陣列5中的陣列位置數(shù)據(jù)換算出自己在探測場景中的地址數(shù)據(jù)，距離數(shù)據(jù)匹配地址數(shù)據(jù)后就能成為有效的掃描數(shù)據(jù)。該液晶光閥陣列5由多個液晶光閥單元6陣列排布構(gòu)成，可以是矩形陣列、圓形陣列、菱形陣列、線型陣列或者其它陣列構(gòu)型均可，與此相對應(yīng)各液晶光閥單元6的陣列位置數(shù)據(jù)可能是直角坐標數(shù)據(jù)或極坐標數(shù)據(jù)等。各液晶光閥單元6可以通過機械連接組合在一起、也可以直接制造為一個整體式的液晶光閥陣列5。由于液晶光閥設(shè)計制造都是現(xiàn)有技術(shù)，是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的現(xiàn)有技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)上也有公開資料，所以其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和加工工藝等具體不再贅述。信號接收模塊的光學鏡頭3可以是普通鏡頭也可以是變焦鏡頭，通過調(diào)節(jié)變焦鏡頭既能擴大視場范圍提高搜索效率，也能對探測場景重點部位進行局部放大實現(xiàn)精細掃描，當然這時最好與信號發(fā)射模塊的光學鏡頭3進行同步變焦，可以確保探測場景局部放大后反射光線仍然有足夠的光信號強度；如果信號發(fā)射模塊的光學鏡頭3不變焦也能提供足夠好的光信號強度，那么不實施同步變焦也是可以的，根據(jù)具體情況確定即可。

步驟s3：液晶光閥陣列5的各液晶光閥單元6在信號處理及控制電路1控制下每次只打開一個液晶光閥單元6，讓相應(yīng)反射光線能夠照射到光路下游的常規(guī)光電接收器件4上，使常規(guī)光電接收器件4產(chǎn)生相應(yīng)的回波信號，信號處理及控制電路1接收到這個回波信號后即可關(guān)閉該液晶光閥單元6并打開下一個液晶光閥單元6，然后信號處理及控制電路1會控制常規(guī)信號光源2發(fā)出新的測量信號，以此類推實現(xiàn)掃描。

該步驟指的是：液晶光閥陣列5在信號處理及控制電路1的控制下每次只打開一個液晶光閥單元6，使探測場景中只有相對應(yīng)的那個局部場景的反射光線能夠通過并照射到光路下游的常規(guī)光電接收器件4上，使常規(guī)光電接收器件4產(chǎn)生一個回波信號，信號處理及控制電路1接收到常規(guī)光電接收器件4傳來的這個回波信號后就會控制液晶光閥陣列5關(guān)閉該液晶光閥單元6并打開下一個液晶光閥單元6，然后控制信號發(fā)射模塊的常規(guī)信號光源2發(fā)射新的測量信號，這樣就可以讓新打開的那個液晶光閥單元6對應(yīng)的局部場景的反射光線照射到常規(guī)光電接收器件4上又產(chǎn)生一個新的回波信號，隨著該流程的連續(xù)執(zhí)行，探測場景中每個局部場景的反射光線都會依次照射到常規(guī)光電接收器件4上，并產(chǎn)生一個接一個的回波信號，從而實現(xiàn)對整個探測場景的掃描。本發(fā)明在信號接收模塊僅使用普通的常規(guī)光電接收器件4和液晶光閥陣列5就可以實現(xiàn)全固態(tài)掃描，顯著降低了全固態(tài)激光雷達的成本，對家用服務(wù)機器人普及具有決定性作用。

步驟s4：信號處理及控制電路1每次接收到一個回波信號后，都會與常規(guī)信號光源2發(fā)射的測量信號進行對比計算，求出信號差并計算出相應(yīng)的距離數(shù)據(jù)，該距離數(shù)據(jù)與相應(yīng)液晶光閥單元6在液晶光閥陣列5中的陣列位置數(shù)據(jù)相匹配就能夠得到一個有效的掃描數(shù)據(jù)。

該步驟指的是：當步驟s3使常規(guī)光電接收器件4產(chǎn)生一個接一個的回波信號后，這些回波信號都會逐個傳輸給信號處理及控制電路1，信號處理及控制電路1通過對每個回波信號和常規(guī)信號光源2發(fā)射的對應(yīng)測量信號進行對比計算后就可以求出信號差，通過這個信號差就可以計算出每個局部場景的距離數(shù)據(jù)，其具體的算法包括信號差計算、距離計算等均與現(xiàn)有技術(shù)的激光雷達和激光測距儀的算法完全相同，例如經(jīng)典的時差法、相位法、脈沖個數(shù)法等等同樣適用于本發(fā)明，這都是本領(lǐng)域技術(shù)人員非常熟悉的，不需要付出創(chuàng)造性勞動即可用于本發(fā)明的實施，因此不再具體贅述；并且本發(fā)明目的是要提出新的全固態(tài)掃描方法，解決在使用常規(guī)信號光源2和常規(guī)光電接收器件4的情況下實現(xiàn)全固態(tài)掃描的難題，而不是要提出計算信號差和距離的新算法，因為采用現(xiàn)有技術(shù)的算法已經(jīng)完全可以滿足實施本發(fā)明的需要了。在本步驟中得到的每個局部場景的距離數(shù)據(jù)都需要匹配地址數(shù)據(jù)，該地址數(shù)據(jù)與該局部場景所對應(yīng)的液晶光閥單元6在液晶光閥陣列5中的陣列位置數(shù)據(jù)相同或者鏡像，此點在步驟s2中也有講解。具體來說，如果信號接收模塊的光學鏡頭3成像為正像則地址數(shù)據(jù)與液晶光閥單元6在液晶光閥陣列5中的陣列位置數(shù)據(jù)相同、如果光學鏡頭3成像為倒像則地址數(shù)據(jù)與該陣列位置數(shù)據(jù)鏡像，總之該地址數(shù)據(jù)一定與光學鏡頭3成像和液晶光閥單元6在液晶光閥陣列5中的陣列位置數(shù)據(jù)有可以推導和計算的幾何關(guān)系，本領(lǐng)域技術(shù)人員都可以實施相關(guān)推導和計算。當距離數(shù)據(jù)匹配地址數(shù)據(jù)后就能夠表達探測場景中某個點的掃描結(jié)果，這就是一個有效的掃描數(shù)據(jù)。該掃描數(shù)據(jù)的距離數(shù)據(jù)和地址數(shù)據(jù)在信號處理及控制電路1中匹配并且編碼輸出。

步驟s5：信號處理及控制電路1控制液晶光閥陣列5中的所有液晶光閥單元6全部開關(guān)一次后，就可以得到一組掃描數(shù)據(jù)的集合，該掃描數(shù)據(jù)的集合就是這個探測場景的點云圖。

該步驟指的是：由步驟s3可知，只有當信號處理及控制電路1接收到回波信號后才會關(guān)閉這個液晶光閥單元6，并打開下一個液晶光閥單元6；由步驟s4可知，回波信號輸入信號處理及控制電路1后會計算出距離數(shù)據(jù)、匹配地址數(shù)據(jù)并編碼后輸出；所以當信號處理及控制電路1控制液晶光閥陣列5中的所有液晶光閥單元6全部開關(guān)一次后，就意味著對探測場景中所有局部場景都掃描了一遍、也得到了所有局部場景的距離數(shù)據(jù)并匹配了位置數(shù)據(jù)、完成了掃描數(shù)據(jù)的編碼輸出，顯然這些掃描數(shù)據(jù)的集合就是這個探測場景的點云數(shù)據(jù)，而且根據(jù)需要還可以再掃描第二遍、第三遍。

以上僅為本發(fā)明的較佳實施例及所運用技術(shù)原理的講解，其描述較為具體和通俗易懂，但不能因此理解為是對本發(fā)明專利范圍的限制；并且，雖然本發(fā)明名稱為“一種全固態(tài)激光雷達的掃描方法”，但該名稱不能解釋為本發(fā)明只能采用激光作為信號光源，因為本發(fā)明的掃描方法除了可以采用主流的激光作為信號光源外，還可以采用led燈、紅外二極管等作為信號光源。