CN109725299B - 一种激光扫描装置、雷达装置及其扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光扫描装置、雷达装置及其扫描方法，该扫描装置包括：扫描棱镜，包括多个扫描镜面，该多个扫描镜面围绕扫描轴旋转,每个该扫描镜面的法线分别与该扫描轴形成一空间角，所有的该空间角的角度不完全相同；收发组件，该收发组件包括激光发射单元以及激光接收单元，该激光发射单元通过扫描镜面的转动而产生扫描线，其中，同一激光发射单元通过该扫描棱镜的旋转产生多条扫描线。本发明可扩展激光雷达装置的水平扫描视场，扩展激光雷达装置的扫描线的线数，提高激光雷达装置的中心扫描视场的扫描线数量。降低激光雷达装置的内部部件数量、便于部件排布、压缩体积、降低成本。

Description

一种激光扫描装置、雷达装置及其扫描方法

技术领域

本发明涉及三维激光扫描领域，特别是涉及一种激光扫描装置、雷达装置及其扫描方法。

背景技术

如图1所示为美国专利申请US8767190B2的激光雷达中的扫描装置示意图。

其中，母板20设置在框架22上。多个发射面板30依次插设在母板20上，多个检测面板32依次插设在母板20上。多个发射面板30沿垂直方向设置，多个检测面板32沿垂直方向设置。每个发射面板30上设置有一个发射器，每个检测面板32上设置有一个检测器。框架22进行旋转，从而获取360度的扫描视场。

根据以上结构，每设置一个发射面板30只能获取一条扫描线，也就是说，如欲获取64条扫描线，需要设置64个发射面板30和64个检测面板32，则设备内部需要设置的部件数量较大，不便于压缩体积，降低成本。

然而，随着对激光雷达的应用愈加广泛，应用场合愈加精细化，压缩体积、降低成本成为行业内的普遍技术追求。

进而，如能够利用少量的激光发射单元，而产生超过激光发射单元配置数量的扫描线，则可以降低设备内部部件数量、便于部件排布、压缩体积、降低成本。

除以上首要需解决的问题之外，还存在以下问题。

如图2所示为现有技术中激光扫描装置的结构示意图。激光扫描装置通过激光发射单元产生出射光，进而生成扫描线。激光扫描装置如图2所示，包括扫描塔镜40及透射镜组50。该扫描塔镜40绕旋转轴X进行旋转。该透射镜组50与该扫描塔镜40的顶面平行设置。该扫描塔镜40为标准的四棱塔镜。

激光发射单元60发出的出射光L穿透该透射镜组50后，经该扫描塔镜40的斜面反射，从而从该激光扫描装置中出射。经障碍物漫反射产生的入射光L’为一光柱，其经透射镜组50汇聚后，被激光接收单元70接收。

激光发射单元60相对扫描塔镜40的位置不变，随着扫描塔镜40的转动，出射光L在一定视场角内往复扫描。

可见，在现有技术的技术方案中，扫描视场相当有限，以图2为例，其有效扫描视场小于90度。而如何进一步扩大扫描视场以适配于更加丰富多样的实际需求场景，为目前所亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，基于有限的激光发射单元，扩展激光扫描装置的扫描线的数量。

进一步的，扩展激光扫描装置的水平扫描视场。

进一步的，提高激光扫描装置的中心扫描视场的扫描线数量。

本发明公开了一种激光扫描装置，包括：

扫描棱镜，该扫描棱镜包括多个扫描镜面，该多个扫描镜面围绕扫描轴旋转,每个该扫描镜面的法线分别与该扫描轴形成一空间角，所有的该空间角的角度不完全相同；收发组件，该收发组件包括激光发射单元以及激光接收单元，该激光发射单元通过扫描镜面的转动而产生扫描线，其中，同一激光发射单元通过该扫描棱镜的旋转产生多条扫描线。

该装置包括至少两组收发组件，所述收发组件的扫描视场部分重叠。

该装置包括至少三组收发组件，所述收发组件环绕所述扫描棱镜设置，所有收发组件的视场依次对接，形成连续视场。

至少部分所述收发组件相对该扫描轴对称设置。

各个所述收发组件相对该扫描轴的空间姿态夹角不同或相同。

所述收发组件沿该扫描轴的轴向高度不同或相同。

该扫描棱镜包括三个、四个、五个或六个扫描镜面。

所述空间角之间以相同角度差递减。

每组该收发组件包括多个激光发射单元以及多个激光接收单元，每个激光发射单元分别发出一激光束，各个激光束之间均存在夹角。

所述激光束呈发散状态排列或者呈汇聚状态排列。

同一扫描镜面既实现对该激光束的反射，也接收该激光束照射在目标物后所返回的信号光，并将该信号光反射至与发出该激光束的激光发射单元对应的激光接收单元。

本发明公开了一种激光雷达装置，包括：所述的激光扫描装置。

本发明还公开了一种激光雷达装置的扫描方法，进一步包括：

设置收发组件，该收发组件包括激光发射单元以及激光接收单元；使得具有多个扫描镜面的扫描棱镜围绕扫描轴旋转；使得该激光发射单元向该扫描镜面投射激光束，并通过扫描镜面的转动而产生扫描线，每个该扫描镜面的法线分别与该扫描轴形成空间角，所有的该空间角的角度不完全相同，以使得同一个激光发射单元产生多条扫描线。

所述的方法包括设置至少两组收发组件，所述收发组件的扫描视场部分重叠。

所述的方法包括设置至少三组收发组件，所述收发组件环绕所述扫描棱镜设置，所有收发组件的视场依次对接，形成连续视场。

所述的方法包括该扫描镜面将与该扫描线对应的从目标物返回的信号光，反射至与产生该扫描线的激光发射单元对应的激光接收单元。

所述的方法包括该激光发射单元向该扫描棱镜投射的激光束经反射后的出射光符合以下公式：

V_Angle＝Lidar_Angle(Lidar_NUM)+Mirror_Angle

X＝Range*cos(V_Angle*D2Rad)*cos(H_Angle*D2Rad)

Y＝Range*cos(V_Angle*D2Rad)*sin(-H_Angle*D2Rad)

Z＝Range*sin(V_Angle*D2Rad)

其中，以该扫描轴在该扫描棱镜中的区段的中心点为坐标原点，建立坐标系，该扫描轴为z轴，在水平面内建立x轴、y轴，H_Angle为该出射光在水平面的投影与x轴之间的角度，V_Angle为该出射光与水平面之间的角度，N为该扫描棱镜所具有的扫描镜面的数量，Lidar_NUM为激光发射单元的编号，Lidar_Angle(Lidar_NUM)为编号为Lidar_NUM的激光发射单元的激光束与水平面之间的角度，Mirror_Angle为产生该出射光的扫描镜面的法线与水平面之间的角度，alpha为扫描棱镜在旋转角度为0时，沿顺时针方向该x轴与该出射光在水平面的投影之间的角度，Range为该激光雷达装置测量得到的该出射光的测距值，D2Rad为一常数，X、Y、Z分别为该出射光所遇到的目标物的三维坐标，其中，当该扫描棱镜沿顺时针旋转时，theta为该扫描棱镜的旋转角度，当该扫描棱镜沿逆时针旋转时，theta为360-该扫描棱镜的旋转角度。

所述的方法包括该扫描棱镜在旋转360/N度的过程中依次经过第一角度、第二角度、第三角度、第四角度；

检测该扫描棱镜旋转至第一角度时，获取第一组该收发组件针对第一扫描镜面的信号光；检测该扫描棱镜旋转至第二角度时，获取第二组该收发组件针对第二扫描镜面的信号光；检测该扫描棱镜旋转至第三角度时，停止获取第一组该收发组件针对第一扫描镜面的信号光；检测该扫描棱镜旋转至第四角度时，停止获取第二组该收发组件针对第二扫描镜面的信号光。

所述的方法包括该获取第一组该收发组件针对第一扫描镜面的信号光的步骤进一步包括：

驱动第一组该收发组件的激光发射单元投射该激光束；该停止获取第一组该收发组件针对第一扫描镜面的信号光的步骤进一步包括：停止驱动第一组该收发组件的激光发射单元投射该激光束。

本发明的技术效果在于，扩展激光雷达装置的水平扫描视场。扩展激光雷达装置的扫描线的线数。进一步的，提高激光雷达装置的中心扫描视场的扫描线数量，丰富中心视场的扫描数据。另外，可利用少量的激光发射单元产生超过激光发射单元配置数量的扫描线，则可以降低激光雷达装置的内部部件数量、便于部件排布、压缩体积、降低成本。

附图说明

图1所示为美国专利申请US8767190B2的激光雷达中的扫描装置示意图。

图2所示为现有技术中激光扫描装置的结构示意图。

图3A、3B所示为本发明的激光扫描装置的主体结构示意图。

图4所示为本发明的扫描棱镜的主体结构示意图。

图5A-5D所示为具备各个空间角的扫描镜面的剖面示意图。

图5E所示为图5A-5D中经各个扫描镜面所产生的扫描线示意图。

图5F所示为收发组件相对一个扫描镜面的光路示意图。

图6A所示为激光束呈现发散状态排列的示意图。

图6B所示为激光束呈现汇聚状态排列的示意图。

图7A所示为扫描棱镜的旋转视场总体示意图。

图7B-7E所示为图7A的旋转视场分步示意图。

图8A、8B所示为扫描线示意图。

图9所示为具有两个收发组件的激光扫描装置的结构示意图。

图10所示为具有三个收发组件的激光扫描装置的结构示意图。

图11所示为具有四个收发组件的激光扫描装置的结构示意图。

图12A所示为具有三棱镜的激光扫描装置的结构示意图。

图12B、12C所示为图12A基础上的扫描范围示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例描述本发明的技术方案的实现过程，不作为对本发明的限制。

如图3A、3B所示为本发明的激光扫描装置的主体结构示意图。图4所示为本发明的扫描棱镜的主体结构示意图。为了清晰展示本发明的技术改进之处，公知部分的结构，如扫描驱动等部件未显示在图中。

激光扫描装置是激光雷达装置的主要光学结构，是实现激光扫描的光学基础。激光雷达装置除包括该激光扫描装置外，还包括其他处理模块、电池模块等属于公知常识的部件。

如图3A所示，本发明的激光扫描装置包括扫描棱镜1以及收发组件2。

扫描棱镜1可包括多个扫描镜面，所有扫描镜面围绕一扫描轴O旋转。具体来说，扫描棱镜1可包括三、四、五或六扫描镜面，以下暂以四个扫描镜面为例进行描述。

每组该收发组件均包括激光发射单元以及激光接收单元。激光发射单元产生的激光束照射在一扫描镜面上，经该扫描镜面反射后出射于激光雷达装置，随着扫描棱镜1的旋转，该扫描镜面的法线保持与水平面之间的角度不变，在水平方向内的角度不断变化，则该激光束的反射方向也随之不断变化，即可应生成一条扫描线。

另外，每个该扫描镜面的法线分别与该扫描轴形成空间角。如果所有的空间角完全一致，则同一激光发射单元经不同扫描镜面反射而生成的扫描线相互重合，即，仅实际生成一条扫描线。然而，在本发明中，所有的该空间角不完全相同，则针对同一激光发射单元，不同扫描镜面的法线与水平面之间的角度不完全相同，使得在扫描棱镜1的旋转过程中，同一激光发射单元经不同扫描镜面反射而生成的扫描线不完全相互重合，即可产生多条扫描线。

具体来说，如图4可知，该扫描棱镜1具有四个扫描镜面，每个扫描镜面均具有法线P。扫描轴O与每个扫描镜面的法线P，分别形成一空间角，共四个空间角。该四个空间角∠1、∠2、∠3、∠4不完全相同。

也就是说，该四个空间角可以各不相同，即∠1、∠2、∠3、∠4中不存在相同的两个数值。具体来说，该四个空间角的相互关系优选为以同一角度差依次递减，例如该角度差为1°,四个空间夹角可依次为91°，90°，89°和88°,以帮助同一激光发射单元经不同扫描镜面反射而生成的扫描线均匀分布。

图5A所示为具有91°空间角的扫描镜面的剖面示意图，扫描镜面上端向远离扫描轴方向倾斜。

图5B所示为具有90°空间角的扫描镜面的剖面示意图，扫描镜面与扫描轴平行。

图5C所示为具有89°空间角的扫描镜面的剖面示意图，扫描镜面上端向略微靠近扫描轴方向倾斜。

图5D所示为具有88°空间角的扫描镜面的剖面示意图，扫描镜面上端在图5C基础上进一步向靠近扫描轴方向倾斜。

图5A-5D显示的是具备各个空间角的扫描镜面分别旋转至面向收发组件2时的示意图。收发组件2相对扫描轴的位置固定，其激光束以固定位置和角度出射，而由于四个扫描镜面的法线方向不同，故而光线反射的方向也不同。当各个扫描镜面2绕所述扫描轴1旋转时，可相应产生不同空间分布的扫描线S1、S2、S3、S4,如图5E所示,S1、S2、S3、S4基本保持在水平方向延伸，四条扫描线沿竖直方向排列。

S1为图5D中88°空间角的扫描镜面所产生的示意扫描线,S2为图5C中89°空间角的扫描镜面所产生的示意扫描线,S3为图5B中90°空间角的扫描镜面所产生的示意扫描线,S4为图5A中91°空间角的扫描镜面所产生的示意扫描线。

故而，即使当收发组件2仅有一个激光发射单元时，所发出的一束出射光也可随多面扫面镜的旋转而产生4条扫描线，扩展激光雷达装置的扫描线的线数。

在另一实施例中,扫描棱镜1的四个空间角部分相同，例如，∠1＝∠2＝∠3，∠1≠∠4；或者∠1＝∠2，∠3＝∠4，∠1≠∠3；或者，∠1＝∠2，∠1≠∠3，∠1≠∠4，∠3≠∠4。

在∠1＝∠2＝∠3，∠1≠∠4的情况下,∠1、∠2、∠3所对应的扫描镜面，其产生的扫描线的落点是一致的，也就是说，这三个扫描镜面只能产生同一条扫描线，∠4所对应的扫描镜面产生另一条扫描线，一共产生两条扫描线。

同理,空间角相同的扫描镜面产生同一条扫描线。在∠1＝∠2，∠3＝∠4，∠1≠∠3的情况下，产生两条扫描线。在∠1＝∠2，∠1≠∠3，∠1≠∠4，∠3≠∠4的情况下，产生三条扫描线。

另外，同一扫描镜面既实现对激光束的反射，也接收该激光束照射在环境中目标物后所返回的信号光，并将该信号光反射至与发出该激光束的激光发射单元对应的激光接收单元，从而实现激光扫描的完整过程。参考图5F所示，扫描棱镜的扫描镜面101将收发组件2中的激光发射单元201发射的激光束反射至目标物A处，由目标物A漫反射产生的信号光(图5F中虚线)仍经该扫描镜面101反射后，由与该激光发射单元2配套使用的激光接收单元202接收，实现激光扫描。由此可见，本发明采用了出射光和入射的信号光共用同一扫描面的平行光路设计，使得光路弯折次数少，误差小，对光线采集更加精确，系统效率高，另外，对于激光雷达装置来说，激光的出射以及对信号光的接收可视为同时进行，实现了同步扫描。

在该收发组件2中，可以设置有多个激光发射单元，以及与激光发射单元相同数量的激光接收单元。每个该激光发射单元的激光束相互之间的发射仰角各不相同，该发射仰角为激光束与水平面之间的角度。该收发组件2中还包括透镜组(图中未示)，以对激光束以及信号光进行光线的准直。

以4个激光发射单元为例，还可以是8个等其他数量，不以此为限。如图6A、6B所示，该4个激光发射单元竖直排列，该4个激光发射单元的所有激光束位于同一出射平面M中，同一收发组件中各个激光束的发射仰角不同。在四个空间角各不相同的情况下,4个激光发射单元可产生16条扫描线。图6A的四个激光束呈现发散状态排列，图6B的四个激光束呈现汇聚状态排列。

在另一实施例中，激光扫描装置还可包括两组收发组件2、3。

其中，该两组收发组件各自的激光发射单元所产生的激光束经不同的该扫描镜面反射后出射于该激光扫描装置。如图3B所示，收发组件2产生的激光束与收发组件3产生的激光束分别照射在扫描棱镜1的两个扫描镜面上，进而发生反射，并出射于该激光扫描装置，进而出射于激光雷达装置。

如图7A所示为扫描棱镜1的旋转视场总体示意图，为图3B的俯视图。图7B-7E所示为图7A的旋转视场分步示意图。

以扫描轴O在扫描棱镜1内部的区段中心点为原点建立坐标系，其中以扫描轴O为z轴，并在水平面内建立x、y轴。扫描棱镜1的同一个顶点在顺时针旋转过程中依次转过A、B、C、D四个位置，即依次经历图7B-7E所示情形。

如图7B所示，A为正直放置的初始位置，B为相对A旋转小于45度的位置，C为相对A旋转大于45度小于90度的位置，D为相对A旋转90度的位置。

收发组件2、3位于扫描棱镜1的两侧，收发组件2产生激光束L2，收发组件3产生激光束L3。L2、L3均平行于y轴。

L2在扫描棱镜1位于位置A时垂直扫描镜面入射，并原路反射回来，随着扫描棱镜1的旋转,在位于位置B时，收发组件2的扫描范围相对位置A时向-y轴方向推进,L2在扫描棱镜1位于位置C时，扫描棱镜1相对位置A已旋转超过45度,则反射光旋转超过90度，扫描范围跨越x轴,覆盖到属于-y轴的视场，且达到收发组件2针对该扫描镜面的一侧视场边界。随着扫描棱镜1的继续旋转,来到位置D，开启对邻近扫描镜面的扫描过程,对邻近扫描镜面的扫描过程即是对位置A-C的扫描过程的重复。

L3在扫描棱镜1位于位置A时垂直当前扫描镜面入射，并原路反射回来，随着扫描棱镜1的旋转，在到达位置B时，L3入射至邻近扫描镜面，且到达L3针对该邻近扫描镜面的一侧视场边界，该视场边界跨越了x轴,覆盖到属于+y轴的视场，L3在扫描棱镜1旋转到位置C时，收发组件3的扫描范围相对位置B时向-y轴方向回撤,随着扫描棱镜1的继续旋转,来到位置D，此时开启对后一个扫描镜面的扫描过程，对后一扫描镜面的扫描过程即是对位置A-C的扫描过程的重复。

在位置A、D时，L2、L3分别入射至相对的两个扫描镜面，在位置B、C时，L2、L3分别入射至相邻的两个扫描镜面。

通过上述扫描情况描述可知，由于在激光扫描装置中同时设置有两组收发组件，且使得每组收发组件通过不同的扫描镜面实现反射，则每一组收发组件在各自的扫描视场中循环往复扫描，而不同的收发组件的扫描视场在水平方向上不完全相同，从而扩展了激光扫描装置的水平视场。具体来说，图7A中虚线部分分别示意了两个收发组件2、3以分别具有一个激光束为例的扫描视场范围，从图7A中可知，两组该收发组件在邻近x轴附近的扫描视场存在部分重叠，也就是两个收发组件的视场实现了对接，在水平方向上对水平视场进行了扩展。

本发明利用一维旋转的扫描棱镜，配合各扫描面的空间角的变化，从而实现了二维扫描，扫描范围同时覆盖了两个方向，以较为精巧的扫描结构，实现了增大扫描范围的目标，使得扫描过程简洁高效。

另外，在一实施例中，一部分所述收发组件的激光发射单元位于激光接收单元的上方，另一部分所述收发组件的激光接收单元位于激光发射单元的上方。即，收发组件2的激光发射单元位于激光接收单元的上方，收发组件3的激光接收单元位于激光发射单元的上方。以使得信号接收的准确，避免误差。

更进一步的，如图8A所示为收发组件2在具有4个激光发射单元，且扫描棱镜的四个空间角各不相同，且该4个激光发射单元的发射仰角也各不相同的情况下的扫描线示意图，此时具有4×4条扫描线，即扫描线S1-S16。

在实际操作中，扫描线的排布位置可根据每个激光发射单元的激光束的发射仰角、每个扫描镜面的空间角的具体数值、收发组件相对该扫描轴的空间姿态夹角来调整。例如通过对该发射仰角的具体数值的调整，使得部分扫描线重叠。两组收发组件2、3沿该扫描棱镜的扫描轴的轴向高度可以设置为相同，也可以设置为不同，收发组件2、3各自的激光发射单元的数量相同，可均竖直排列，两组收发组件中位置对应的激光发射单元的发射仰角可以相同或者各不相同，以调节扫描线的排布方式。每个收发组件其整体的仰角，可以设置为相同，或者不同，以调节扫描线的排布方式，该仰角为该收发组件的整体与该水平面之间的角度。该空间姿态夹角可以包括但不限于收发组件的沿扫描轴的轴向高度、发射仰角、指向方向。

根据实际需求调整每个激光发射单元的发射仰角、每个扫描镜面的空间夹角、收发组件的空间姿态夹角的具体数值，还可获得扫描线的其他排布方式，均在本发明的公开范围内。

在四个空间角部分相同，但不完全相同的情况下,可同理参考前述技术方案，依然可以产生超过4条的扫描线，扫描线的数量大于激光发射单元的数量。

以上展示的是收发组件2一侧所产生的扫描线的情况，收发组件3一侧也采用同样原理。配合图7A所述方案，假定收发组件2、3均包括四个激光发射单元，且该八个激光发射单元的发射仰角均不相同，即，各个激光束之间均存在夹角，此时，收发组件2、3各自产生16条扫描线，扫描视场部分重叠，且重叠部分的扫描线位置相互错开，使得重叠部分的扫描线数量加倍，则在这一重叠部分的视场区域中获得的数据将更加丰富充分。

根据实际需求调整收发组件2、3各自的每个激光发射单元的发射仰角、每个扫描镜面的空间角的具体数值、收发组件的具体设置位置及其激光束的投射方向还可获得扫描线的其他排布方式，均在本发明的公开范围内。

收发组件还可包括其他数量的激光发射单元，也在本发明的公开范围内。

另外，在一优化的方案中，收发组件2、3的激光发射单元的激光束可与y轴保持相同的水平夹角α，即收发组件2、3相对该扫描轴对称设置。

参见图9，其中虚线与y轴保持平行。另外，收发组件2、3的激光发射单元的激光束也可与y轴保持不相同的水平夹角，也就是收发组件相对该扫描轴的指向方向可不同。通过设置该水平夹角的具体数值，可以控制重叠视场的范围和位置。

上述技术方案，均为设置两组收发组件，本发明还可设置更多组收发组件，以进一步扩展水平方向的视场。

首先，如图3B所示，可进一步扩展每侧设置的收发组件的数量，例如，在收发组件3的正上方设置收发组件3’，激光束的投射方向、扫描过程、所利用的扫描面与收发组件3完全相同，以达到增加扫描线的线数的目的。同理，可在收发组件2的正上方设置收发组件2’，以配合收发组件3’使用。

在另一实施例中，如图10所示，在图9所示方案基础上，可进一步设置第三组收发组件4，其产生激光束L4。为了避免收发组件3自身对L4的视场造成遮挡，收发组件3与收发组件4可以相对扫描轴设置在不同高度上。

与前述实施例相同，第三组收发组件4的视场主要位于-x-y区域内，从而扩展了激光扫描装置在水平方向内的视场。

通过对激光束L4与x轴平行线之间的水平夹角β的具体数值选择，或者，对图10中α和β的数值的整合选择，以及根据光学原理以及实际需要设置激光束的发射仰角、每个扫描镜面的空间角的具体数值、收发组件的设置位置的具体数值，可以使得收发组件3、4的扫描视场实现对接或者重合，从而获得收发组件2、3、4三者视场依次实现对接，组成一个完整的视场，覆盖水平视场将位于180度至270度之间。从而进一步扩展了激光扫描装置的扫描能力与效率。

同理，如图11所示，在图10所示方案基础上，可进一步设置第四组收发组件5，该第四组收发组件5的视场主要位于-x+y区域内，从而扩展了激光扫描装置在水平方向内的视场。

通过对激光束L5与x轴平行线之间的水平夹角β的具体数值选择，或者，对图11中α和β的数值的整合选择，以及其他参数的选择，可以使得收发组件2、5的扫描视场实现对接或者重合，进而获得收发组件2、3、4、5四者视场依次实现对接，组成一个完整的视场，覆盖水平视场将位于270度至360度之间。从而进一步扩展了激光扫描装置的扫描能力与效率。

收发组件的个数以及位置，可根据实际需求进行其他方式的设置，均在本发明的公开范围内。

本发明的扫描棱镜1还可采用CN201720413010.7中所记载的多面扫描镜。

另外，基于前述公开的结构，本发明还公开了一种扫描方法，包括：

设置收发组件，该收发组件包括激光发射单元以及激光接收单元；

使得具有多个扫描镜面的扫描棱镜围绕扫描轴旋转；

使得该激光发射单元向该扫描镜面投射激光束，并通过扫描镜面的转动而产生扫描线，每个该扫描镜面的法线分别与该扫描轴形成空间角，所有的该空间角的角度不完全相同，以使得同一个激光发射单元产生多个扫描线。

更进一步的，该扫描镜面将与该扫描线对应的从目标物返回的信号光，反射至与产生该扫描线的激光发射单元对应的激光接收单元。

其中，设置至少两组收发组件，所述收发组件的扫描视场部分重叠。

或者，设置至少三组收发组件，所述收发组件环绕所述扫描棱镜设置，所有收发组件的视场依次对接，形成连续视场。

该激光发射单元向该扫描棱镜投射的激光束经反射后的出射光符合以下公式：

V_Angle＝Lidar_Angle(Lidar_NUM)+Mirror_Angle (2)

X＝Range*cos(V_Angle*D2Rad)*cos(H_Angle*D2Rad) (3)

Y＝Range*cos(V_Angle*D2Rad)*sin(-H_Angle*D2Rad) (4)

Z＝Range*sin(V_Angle*D2Rad) (5)

D2Rad＝3.1415/180.0

其中，H_Angle为该出射光在水平面的投影与x轴之间的角度，V_Angle为该出射光与水平面之间的角度，N为该扫描棱镜所具有的扫描镜面的数量，Lidar_NUM为激光发射单元的编号，Lidar_Angle(Lidar_NUM)为编号为Lidar_NUM的激光发射单元的激光束与水平面之间的角度，即发射仰角，Mirror_Angle为产生该出射光的扫描镜面的法线与水平面之间的角度，即镜面倾角，alpha为扫描棱镜在旋转角度为0度时，沿顺时针方向该x轴与该出射光在水平面的投影之间的角度，Range为该激光雷达装置测量得到的该出射光的测距值，D2Rad为一常数，X、Y、Z分别为该出射光所遇到的目标物的三维坐标。其中，当该扫描棱镜沿顺时针旋转时，theta为该扫描棱镜的旋转角度，当该扫描棱镜沿逆时针旋转时，theta为360-该扫描棱镜的旋转角度，该扫描棱镜的旋转角度可通过读取扫描棱镜码盘转动的数据获取，该旋转角度位于0-360之间。每个扫描镜面的镜面倾角为已知，同时，每个发射仰角为已知。

以上公式(1)(2)用于在扫描棱镜持续旋转时随时计算获取该出射光的角度参数。

以上公式(3)-(5)用于在扫描棱镜持续旋转时随时计算获取出射光所投射到的目标物的位置数据。

以图9为例，扫描棱镜顺时针旋转，扫描棱镜具有四个镜面，N＝4，图9所示为旋转角度为0的位置，此时L2照射在第一扫描镜面，L3照射在第三扫描镜面，图中处于+x方向为第二扫描面，处于-x方向为第四扫描面。以图中L2的α角为30度，L3的α角也为30度为例，则L2、L3的出射光分别相对x轴夹角为60度。即，对于L2，其alpha为300度，对于L3，其alpha为60度。

当扫描棱镜旋转45度时，theta＝45度，则L2面向第一扫描镜面，L3面向第二扫描镜面，L2的出射光的H_Angle为2×45+300＝390度，L3的出射光的H_Angle为2×45+60＝150度。

L2的出射光的V_Angle为L2的激光发射单元的发射仰角与第一扫描镜面的镜面倾角之和。L3的出射光的V_Angle为L3的激光发射单元的发射仰角与第二扫描镜面的镜面倾角之和。

当扫描棱镜旋转135度时，theta＝135度，L2面向第四扫描镜面，L3面向第一扫描镜面，而实际对光线进行反射的扫描镜面已经进行了变换，针对当前实际对光线进行反射的扫描镜面，L2的出射光的H_Angle为2×(135-90)+300＝390度，L3的出射光的H_Angle为2×(135-90)+60＝150度。

L2的出射光的V_Angle为L2的激光发射单元的发射仰角与第四扫描镜面的镜面倾角之和。L3的出射光的V_Angle为L3的激光发射单元的发射仰角与第一扫描镜面的镜面倾角之和。

当扫描棱镜旋转225度时，theta＝225度，L2面向第三扫描镜面，L3面向第四扫描镜面，同理，L2的出射光的H_Angle为2×(225-180)+300＝390度，L3的出射光的H_Angle为2×(225-180)+60＝150度。

L2的出射光的V_Angle为L2的激光发射单元的发射仰角与第三扫描镜面的镜面倾角之和。L3的出射光的V_Angle为L3的激光发射单元的发射仰角与第四扫描镜面的镜面倾角之和。

当扫描棱镜旋转315度时，theta＝315度，L2面向第二扫描镜面，L3面向第三扫描镜面，同理，L2的出射光的H_Angle为2×(315-270)+300＝390度，L3的出射光的H_Angle为2×(315-270)+60＝150度。

L2的出射光的V_Angle为L2的激光发射单元的发射仰角与第二扫描镜面的镜面倾角之和。L3的出射光的V_Angle为L3的激光发射单元的发射仰角与第三扫描镜面的镜面倾角之和。

对于该镜面倾角以及该发射仰角，将光线沿水平面向+z方向抬升为正，光线沿水平面向-z方向下压为负。

通过上述结构，激光雷达装置可以获得扩展到水平视场，得到部分视场重合以带来的扫描线加倍，以及基于该结构得到准确的目标位置信息。

对于图10、11中的收发组件4、5，其同样符合上述公式(1)-(5)。

另外，当扫描棱镜替换为其他扫描镜面数量时，例如三棱镜、五棱镜等，原理与上述四棱镜相同，在此不赘述。

在实际的激光雷达装置的运行过程中，可以从当前视场范围中选取其中数据精确度更高的部分，作为激光雷达装置的工作扫描视场。

结合图7A相关描述可知，根据需求选取精确度更高的部分作为工作扫描视场的方法包括：

步骤1，扫描棱镜在旋转360/N度的过程中依次经过旋转第一角度、第二角度、第三角度、第四角度，检测该扫描镜面旋转至第一角度时，获取第一组该收发组件针对第一扫描镜面的信号光；

配合图7A，第一角度为旋转至位置A，第二角度为旋转至位置B，第三角度为旋转至位置C，第四角度为旋转至位置D，N为扫描镜面的数量；

步骤2，检测该扫描镜面旋转至第二角度时，获取第二组该收发组件针对第二扫描镜面的信号光；

步骤3，检测该扫描镜面旋转至第三角度时，停止获取第一组该收发组件针对第一扫描镜面的信号光；

步骤4，检测该扫描镜面旋转至第四角度时，停止获取第二组该收发组件针对第二扫描镜面的信号光。

也就是说，收发组件2可获取从位置A旋转至位置C过程中所产生的扫描数据。收发组件3可获取从位置B旋转至位置D过程中所产生的扫描数据。

收发组件2可在扫描棱镜旋转至位置A时驱动第一组收发组件的激光发射单元开始发射出射光，并在旋转至位置C时停止驱动第一组收发组件的激光发射单元发射出射光，同时，收发组件3可在扫描棱镜旋转至位置B时驱动第二组收发组件的激光发射单元开始发射出射光，并在旋转至位置D时停止驱动第二组收发组件的激光发射单元发射出射光。

上述位置ABCD，也就是第一至第四角度，也可根据需求选择具体的位置信息，以截取精度最高的部分作为工作扫描视场。

以三棱镜为例，如图12A所示，三棱镜的中心点位于三维坐标系的坐标原点，在旋转角度为0时，x轴垂直于该三棱镜的截面的三角形底边，激光束L2以垂直y轴的方向入射，L3以可连接该截面右下顶点以及中心点的方向入射。

对于激光束L2，其扫描视场范围如图12B所示，以顺时针方向计算，与x轴夹60度-300度的范围。

对于激光束L3，其扫描视场范围如图12C所示，以顺时针方向计算，与x轴夹180度-420度的范围。

可见，其中存在重叠视场，最大重叠范围在与x轴夹180-300度的范围。

扫描棱镜在旋转360/3＝120度的过程中依次经过旋转至第一角度0度、第二角度60度、第三角度60度、第四角度120度。

扫描棱镜在旋转至0度时，开始获取L3的扫描数据，此时L3的出射光与x轴夹180度；

扫描棱镜在旋转至60度时，开始获取L2的扫描数据，此时L2的出射光与x轴夹180度；

扫描棱镜在旋转至60度时，停止获取L3的扫描数据，此时L3的出射光与x轴夹300度；

扫描棱镜在旋转至120度时，停止获取L2的扫描数据，此时L2的出射光与x轴夹300度。

上述方案为精确的获取L2、L3之间的最大重叠范围。除此之外也可扩大或缩小所需范围，作为工作扫描视场。

例如，扫描棱镜在旋转360/3＝120度的过程中依次经过旋转至第一角度5度、第二角度10度、第三角度105度、第四角度110度。

扫描棱镜在旋转至5度时，开始获取L3的扫描数据，此时L3的出射光与x轴夹190度；

扫描棱镜在旋转至10度时，开始获取L2的扫描数据，此时L2的出射光与x轴夹80度；

扫描棱镜在旋转至105度时，停止获取L3的扫描数据，此时L3的出射光与x轴夹390度；

扫描棱镜在旋转至110度时，停止获取L2的扫描数据，此时L2的出射光与x轴夹280度。

此时，与x轴夹190度到与x轴夹280度的范围为重叠视场，并可以获得总共310度的水平视场。

具有其他数量的扫描镜面的激光雷达装置，其扫描过程同理。

通过上述技术方案，可以扩展激光雷达装置的水平扫描视场。扩展激光雷达装置的扫描线的线数。进一步的，提高激光雷达装置的中心扫描视场的扫描线数量，丰富中心视场的扫描数据。另外，可利用少量的激光发射单元产生超过激光发射单元配置数量的扫描线，则可以降低激光雷达装置的内部部件数量、便于部件排布、压缩体积、降低成本。

上述实施例仅为实现本发明的示例性描述，而不用以限制本发明的保护范围，保护范围请参阅后附带权利要求书中记载为准。

Claims (18)

1.一种用于激光雷达的激光扫描装置，其特征在于，包括：

扫描棱镜，该扫描棱镜包括多个扫描镜面，该多个扫描镜面围绕扫描轴旋转,每个该扫描镜面的法线分别与该扫描轴形成一空间角，所有的该空间角的角度不完全相同；

至少两组收发组件，该收发组件包括激光发射单元以及激光接收单元，该激光发射单元通过扫描镜面的转动而产生扫描线，两组该收发组件位于该扫描棱镜的扫描轴的两侧以扩大垂直该扫描轴方向的扫描视场，两组该收发组件对应不同的扫描镜面；

其中，同一激光发射单元通过该扫描棱镜的旋转，通过同一激光束产生多条该扫描线；

该激光发射单元发射的激光束与该扫描轴垂直，两组该收发组件的扫描视场随着扫描棱镜的转动而存在部分重叠，重叠部分的扫描线位置相互错开，使得重叠部分的扫描线数量加倍。

2.如权利要求1所述的用于激光雷达的激光扫描装置，其特征在于，该装置包括至少三组收发组件，所述收发组件环绕所述扫描棱镜设置，所有收发组件的视场依次对接，形成连续视场。

3.如权利要求1或2所述的用于激光雷达的激光扫描装置，其特征在于，至少部分所述收发组件相对该扫描轴对称设置。

4.如权利要求1或2所述的用于激光雷达的激光扫描装置，其特征在于，各个所述收发组件相对该扫描轴的空间姿态夹角不同或相同。

5.如权利要求1或2所述的用于激光雷达的激光扫描装置，其特征在于，所述收发组件沿该扫描轴的轴向高度不同或相同。

6.如权利要求1或2所述的用于激光雷达的激光扫描装置，其特征在于，该扫描棱镜包括三个、四个、五个或六个扫描镜面。

7.如权利要求6所述的用于激光雷达的激光扫描装置，其特征在于，所述空间角之间以相同角度差递减。

8.如权利要求1或2或7所述的用于激光雷达的激光扫描装置，其特征在于，每组该收发组件包括多个激光发射单元以及多个激光接收单元，每个激光发射单元分别发出一激光束，各个激光束之间均存在夹角。

9.如权利要求8所述的用于激光雷达的激光扫描装置，其特征在于，所述激光束呈发散状态排列或者呈汇聚状态排列。

10.如权利要求8所述的用于激光雷达的激光扫描装置，其特征在于，同一扫描镜面既实现对该激光束的反射，也接收该激光束照射在目标物后所返回的信号光，并将该信号光反射至与发出该激光束的激光发射单元对应的激光接收单元。

11.一种激光雷达装置，其特征在于，包括：

如权利要求1-10中任一所述的用于激光雷达的激光扫描装置。

12.一种应用于权利要求11所述激光雷达装置的扫描方法，其特征在于，进一步包括：

设置收发组件，该收发组件包括激光发射单元以及激光接收单元；

使得具有多个扫描镜面的扫描棱镜围绕扫描轴旋转，该激光发射单元发射的激光束与该扫描轴垂直；

使得该激光发射单元向该扫描镜面投射激光束，并通过扫描镜面的转动而产生扫描线，每个该扫描镜面的法线分别与该扫描轴形成空间角，所有的该空间角的角度不完全相同，以使得同一个激光发射单元产生多条扫描线。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，设置至少两组收发组件，所述收发组件的扫描视场部分重叠。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，设置至少三组收发组件，所述收发组件环绕所述扫描棱镜设置，所有收发组件的视场依次对接，形成连续视场。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该扫描镜面将与该扫描线对应的从目标物返回的信号光，反射至与产生该扫描线的激光发射单元对应的激光接收单元。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该激光发射单元向该扫描棱镜投射的激光束经反射后的出射光符合以下公式：

V_Angle＝Lidar_Angle(Lidar_NUM)+Mirror_Angle

X＝Range*cos(V_Angle*D2Rad)*cos(H_Angle*D2Rad)

Y＝Range*cos(V_Angle*D2Rad)*sin(-H_Angle*D2Rad)

Z＝Range*sin(V_Angle*D2Rad)

其中，以该扫描轴在该扫描棱镜中的区段的中心点为坐标原点，建立坐标系，该扫描轴为z轴，在水平面内建立x轴、y轴，H_Angle为该出射光在水平面的投影与x轴之间的角度，V_Angle为该出射光与水平面之间的角度，N为该扫描棱镜所具有的扫描镜面的数量，Lidar_NUM为激光发射单元的编号，Lidar_Angle(Lidar_NUM)为编号为Lidar_NUM的激光发射单元的激光束与水平面之间的角度，Mirror_Angle为产生该出射光的扫描镜面的法线与水平面之间的角度，alpha为扫描棱镜在旋转角度为0时，沿顺时针方向该x轴与该出射光在水平面的投影之间的角度，Range为该激光雷达装置测量得到的该出射光的测距值，D2Rad为一常数，X、Y、Z分别为该出射光所遇到的目标物的三维坐标，其中，当该扫描棱镜沿顺时针旋转时，theta为该扫描棱镜的旋转角度，当该扫描棱镜沿逆时针旋转时，theta为360-该扫描棱镜的旋转角度。

17.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，进一步包括：

该扫描棱镜在旋转360/N度的过程中依次经过第一角度、第二角度、第三角度、第四角度；

检测该扫描棱镜旋转至第一角度时，获取第一组该收发组件针对第一扫描镜面的信号光；

检测该扫描棱镜旋转至第二角度时，获取第二组该收发组件针对第二扫描镜面的信号光；

检测该扫描棱镜旋转至第三角度时，停止获取第一组该收发组件针对第一扫描镜面的信号光；

检测该扫描棱镜旋转至第四角度时，停止获取第二组该收发组件针对第二扫描镜面的信号光；360/N度等分为两部分，N为该扫描棱镜所具有的扫描镜面的数量，该第一、二角度位于第一部分，该第三、四角度位于第二部分。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该获取第一组该收发组件针对第一扫描镜面的信号光的步骤进一步包括：

驱动第一组该收发组件的激光发射单元投射该激光束；

该停止获取第一组该收发组件针对第一扫描镜面的信号光的步骤进一步包括：

停止驱动第一组该收发组件的激光发射单元投射该激光束。