一种改变激光扫描分辨率的异形透镜组件及三维激光雷达

1.本公开涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种改变激光扫描分辨率的异形透镜组件及三维激光雷达。


背景技术：

2.激光雷达利用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式，其由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。三维激光雷达是利用激光作为发射源，并接收返回的信息来描述被测量物理的表面形态的。由于被测物体的位置及反射率不同，接收到的返回信号也有区别。三维激光雷达测得的三维信息是利用激光雷达中激光光线的扫描来测量一整片待测区域，得到成千上万个包含距离深度信息的点组成的表面形态，形成三维点云图形。
3.市场上商业化的雷达受限于元器件性能及体积、成本等条件，其分辨率及视场角往往不能满足于特殊场景的用途。铁路监测用激光雷达系统要求激光雷达对铁路上闯入的小型障碍物(20cm
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20cm
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20cm)做到精准识别，并进行告警，这就要求激光雷达分辨率高。而市场上多数成品三维激光雷达不能满足铁路部门的要求，特别是监测距离超过100m时无法分辨20cm
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20cm
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20cm障碍物。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种改变激光扫描分辨率的异形透镜组件及三维激光雷达，旨在对雷达发射的激光扫描光线进行聚焦透射处理，解决雷达在监测距离较大时无法分辨障碍物的技术问题。
5.本公开的第一个方面提供了一种改变激光扫描分辨率的异形透镜组件，包括：平板透镜，其包括相对设置且相互平行的第一平面及第二平面；n个第一直角透镜，位于平板透镜的第一平面；其中，每个第一直角透镜对应一束激光扫描光线，用于将与其对应的激光扫描光线进行聚焦透射处理；n为大于等于2的正整数；n个第二直角透镜，位于平板透镜的第二平面；其中，n个第二直角透镜与n个第一直角透镜一一对应，n个第二直角透镜用于将n个第一直角透镜输出的激光扫描光线再次进行聚焦透射处理，以使照射在待测区域铁轨上的扫描光线均匀分布。
6.进一步地，每个第一直角透镜的一透镜直边位于平板透镜的一侧上，透镜斜边与其对应的激光扫描光线垂直。
7.进一步地，平板透镜与多束激光扫描光线中位于中间位置的激光扫描光线垂直。
8.进一步地，多束激光扫描光线中相邻两个激光扫描光线的夹角θ相等，每个第一直角透镜中与平板透镜接触的一内角大小也为θ。
9.进一步地，n个第一直角透镜及n个第二直角透镜的折射率相同；以及，n个第二直角透镜的折射角度大于n个第一直角透镜的折射角度。
10.进一步地，n个第一直角透镜中的一半第一直角透镜与另一半第一直角透镜相对
设置于平板透镜的一侧。
11.进一步地，n个第一直角透镜、平板透镜及n个第二直角透镜均由透明介质构成。
12.进一步地，该改变激光扫描分辨率的异形透镜组件设置于雷达发射口前方。
13.进一步地，n个第二直角透镜与平板透镜接触的内角大于n个第一直角透镜与平板透镜接触的内角θ。
14.本公开的第二个方面提供了一种三维激光雷达，包括：如本公开第一个方面提供的改变激光扫描分辨率的异形透镜组件，该改变激光扫描分辨率的异形透镜组件设置于雷达发射口前方，用于对雷达发射的多束激光扫描光线进行聚焦透射处理，以使照射在待测区域铁轨上的扫描光线均匀分布。
15.本公开的实施例提供的一种改变激光扫描分辨率的异形透镜组件及三维激光雷达，该异形透镜组件通过分别设置在平板透镜两侧的多个第一直角透镜及第二直角透镜对三维激光雷达发射的激光扫描光线进行两次聚焦透射处理，可使得待测区域铁轨与激光雷达距离较远的一侧激光扫描光线进行聚拢，使得待测区域铁轨与激光雷达距离较近的一侧激光扫描光线进行分散，从而实现照射在待测区域铁轨上的扫描光线能够均匀分布，以提高三维激光雷达在扫描间隔较大时，对小型障碍物的监测准确度。
附图说明
16.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
17.图1示意性示出了普通三维激光雷达的结构示意图；
18.图2示意性示出了根据本公开一实施例的改变激光扫描分辨率的异形透镜组件的结构示意图；
19.图3示意性示出了根据本公开一实施例的改变激光扫描分辨率的异形透镜组件的激光光线示意图；
20.图4示意性示出了根据本公开一实施例的其中一个单元对激光光束的光处理示意图。
具体实施方式
21.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
22.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
23.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
24.图1示意性示出了普通三维激光雷达的结构示意图。
25.如图1所示，该三维激光雷达包括：三维激光雷达10、雷达支撑架20、雷达固定转接件30及立杆底座40。雷达固定转接件30位于立杆底座40上方，雷达支撑架20位于雷达固定转接件30上，用于支撑三维激光雷达10。三维激光雷达10用于发射激光扫描光线对待测区域铁轨50进行监测。
26.从图1可以看出，当三维激光雷达10扫描角度一致时，待测区域铁轨50距离三维激光雷达10近端的一侧，其扫描线间隔较小，而待测区域铁轨50距离三维激光雷达10远端的一侧，其扫描线间隔急剧增大。而当扫描线间隔大于20cm时，将不能发现铁路部门要求告警的小型障碍物。
27.基于现有技术中普通三维激光雷达的存在的技术缺陷，本公开的实施例提供了一种改变激光扫描分辨率的异形透镜组件，该异形透镜组件可使得分辨率较低的三维激光雷达也能够提高监测性能，满足铁路部分的高分辨监测障碍物需求。
28.图2示意性示出了根据本公开一实施例的改变激光扫描分辨率的异形透镜组件的结构示意图。
29.如图2所示，该改变激光扫描分辨率的异形透镜组件200，该改变激光扫描分辨率的异形透镜组件设置于雷达发射口前方，用于改变雷达发射出的激光扫描光线的传输路径，该异形透镜组件200包括：n个第一直角透镜210、平板透镜220及n个第二直角透镜230，其中，n为大于等于2的正整数。本公开的实施例中，平板透镜220包括相对设置且相互平行的第一平面及第二平面。n个第一直角透镜210位于平板透镜220的第一平面；其中，每个第一直角透镜210对应一束激光扫描光线，用于将与其对应的激光扫描光线进行聚焦透射处理。n个第二直角透镜230位于平板透镜220的第二平面；其中，n个第二直角透镜230与n个第一直角透镜210一一对应，n个第二直角透镜230用于将n个第一直角透镜210输出的激光扫描光线再次进行聚焦透射处理，以使照射在待测区域铁轨50上的扫描光线能够均匀分布。
30.本公开的实施例中，使用该异形透镜组件200时，可使得待测区域铁轨50距离三维激光雷达10近端的一侧，其扫描线间隔较小，此时该异形透镜组件200将光线分散；而使得待测区域铁轨50距离三维激光雷达10远端的一侧，其扫描线间隔急剧增大，此时该异形透镜组件200将光线聚拢，实现待测区域铁轨50上扫描光线能够均匀分布。
31.如图3所示，当n取值为4时，第一直角透镜210具体包括：第一直角透镜211、第一直角透镜212、第一直角透镜213及第一直角透镜214，第一直角透镜211、212及第一直角透镜213、214相对设置于平板透镜上，用以实现对不同入射方向的激光扫描光线进行聚焦透射处理。第二直角透镜230具体包括：第二直角透镜231、第二直角透镜232、第二直角透镜233及第二直角透镜234。其中，第一激光扫描光线l1、第二激光扫描光线l2、第四激光扫描光线l4及第五激光扫描光线l5分别垂直照射(即入射角为90
°
)在第一直角透镜211、第一直角透镜212、第一直角透镜213及第一直角透镜214的斜边上，第一直角透镜211、第一直角透镜212、第一直角透镜213及第一直角透镜214分别用于对与其对应的激光扫描光线进行第一次聚焦透射处理，然后射入平板透镜220后，再次分别经过第二直角透镜231、第二直角透镜232、第二直角透镜233及第二直角透镜234进行第二次聚焦透射处理，得到聚焦透射后的第一激光扫描光线l1’、第二激光扫描光线l2’、第四激光扫描光线l4’及第五激光扫描光线l5’。其中，第三激光扫描光线l3直接垂直射入平板透镜220中，并按原来的发射路线射出平板透镜220，即位于中间位置的第三激光扫描光线l3不经过第一直角透镜及第二直角透镜
的聚焦透射处理。
32.由图3所示可以看出，该异形透镜组件200将激光扫描光线经过两次聚焦透射处理，使得各激光扫描光线能够偏折相应的角度，使得待测区域铁轨50上扫描光线能够均匀分布。
33.优选地，多束激光扫描光线中相邻两个激光扫描光线的夹角θ相等，每个第一直角透镜中与平板透镜接触的一内角大小也为θ。沿用上述实施例，第三激光扫描光线l3与平板透镜220中心位置垂直，相邻两个激光扫描光线的夹角为θ，则第一激光扫描光线l1与第二激光扫描光线l2之间的夹角、第二激光扫描光线l2与第三激光扫描光线l3之间的夹角、第三激光扫描光线l3与第四激光扫描光线l4之间的夹角及第四激光扫描光线l4与第五激光扫描光线l5之间的夹角相等，均为θ。
34.如图4所示，沿用上述实施例，第二激光扫描光线l2与平板透镜220中间部分的法线夹角也为θ，依此类推下去，第一激光扫描光线l1与平板透镜220中间部分的法线夹角为2θ，第四激光扫描光线l4与平板透镜220中间部分的法线夹角为θ，第五激光扫描光线l5与平板透镜220中间部分的法线夹角为2θ。
35.本公开的实施例中，n个第一直角透镜210及n个第二直角透镜230的折射率优选相同。其中，n个第二直角透镜230的折射角度大于n个第一直角透镜210的折射角度。
36.以第二激光扫描光线l2为例，要使得第二激光扫描光线l2垂直入射至第一直角透镜212，因此需将第一直角透镜212与平板透镜220接触部分的一夹角(非直角)大小也为θ。将第二直角透镜232与平板透镜220接触部分的一夹角(非直角)大小设置为其中，此时入射至第二直角透镜232的光线与法线夹角即(入射角)为通过下列公式可计算出出射角σ为：
[0037][0038]
其中，n为透镜介质的折射率。
[0039]
如图4所示，原第二激光扫描光线l2的出射角为θ(对应光线l2”的位置)，而实际第二激光扫描光线l2的出射角为σ(对应光线l2’的位置)，其对应的偏折角度为在相同的出射角σ下，由上式可以看出，经过第二直角透镜232进行再次聚焦透射处理后的激光扫描光线的折射角度与第二直角透镜的折射率相关。因此，可根据所需偏折的角度，设计多个第一直角透镜210及多个第二直角透镜230，进而实现对激光扫描光束的聚焦透射处理，以使照射在待测区域铁轨50上的扫描光线能够均匀分布。
[0040]
本公开的实施例中，n个第一直角透镜210、平板透镜220及n个第二直角透镜230均由透明介质构成，本公开的实施例对各透镜的制备材料不做限定。
[0041]
需说明的是，本公开的实施例中，第一直角透镜及第二直角透镜的数量包括但不仅限于4个，为满足不同的应用场景，其还可以为3个、5个、6个或更多个，本公开的实施例对第一直角透镜及第二直角透镜的数量不做限定。另外，其他激光扫描光线的聚焦处理过程与第二激光扫描光线l2原理一致，本公开的实施例对其他激光扫描光线的聚焦处理不再一一详细赘述。
[0042]
本公开的实施例另一方面提供了一种三维激光雷达，包括：如上述实施例所示的
改变激光扫描分辨率的异形透镜组件200，该改变激光扫描分辨率的异形透镜组件200设置于雷达发射口前方，用于对雷达发射的多束激光扫描光线进行聚焦透射处理，以使照射在待测区域铁轨上的扫描光线能够均匀分布。
[0043]
需说明的是，该异形透镜组件200具体结构及对光线的处理过程如图2～4所示，此处不再详细的赘述。
[0044]
本公开的实施例提供的一种改变激光扫描分辨率的异形透镜组件及三维激光雷达，该异形透镜组件通过分别设置在平板透镜两侧的多个第一直角透镜及第二直角透镜对三维激光雷达发射的激光扫描光线进行两次聚焦透射处理，可使得待测区域铁轨与激光雷达距离较远的一侧激光扫描光线进行聚拢，使得待测区域铁轨与激光雷达距离较近的一侧激光扫描光线进行分散，从而实现照射在待测区域铁轨上的扫描光线能够均匀分布，以提高三维激光雷达在扫描间隔较大时，对小型障碍物的监测准确度。
[0045]
尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。
[0046]
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
[0047]
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。