CN109725320A - 一种激光雷达 - Google Patents
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Abstract
一种激光雷达，所述激光雷达包括：至少一个激光器，适于发射激光脉冲；发射光路模块，所述发射光路模块与所述至少一个激光器耦合，所述激光脉冲经由所述发射光路模块发射出去；接收光路模块，适于接收回波脉冲；至少一个单光子探测器，所述至少一个单光子探测器与所述接收光路耦合，适于对所述接收光路模块处理后的回波脉冲进行检测。通过本发明技术方案可以提高激光雷达的测距性能。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种激光雷达。
背景技术
激光雷达通常指采用直接飞行时间法(Direct Time-of-Flight)进行距离测量的扫描测距装置。由于其测量原理的限制，采用三角法、间接飞行时间法的激光雷达，其测距范围通常在10米左右；在室外环境光较强的条件下测量距离又会大大缩减。
现有技术中，对于采用脉冲飞行时间法的激光雷达，例如用于机器人、地面测绘和机载的单线激光雷达、用于辅助驾驶和自动驾驶的多线激光雷达，通常有一对激光器和探测器或者多对激光器和探测器，激光器以很高的频率发射光脉冲。探测器系统通过测量发光时刻与接收到光脉冲时刻之间的时间差来测量距离，每一次发射脉冲可以获得一次测距结果。激光雷达装置中通常有一个旋转结构来实现扫描，有些是固定激光器探测器来旋转反射镜，有些是将激光器和探测器固定在转子上整体旋转。这类激光雷达中通常采用雪崩光电二极管(Avalanche Photo-diode，APD)作为探测器，雪崩光电二极管具备将一个光电子通过雪崩过程放大为多个电子的特性，将信号幅度倍增，提升了探测灵敏度，从而达到实现更远测量距离的目的。某些激光雷达为了实现更远的测量距离，会采用光电倍增管(Photo-Multiplier Tube,PMT)作为探测器。PMT相比APD，光电增益通常大3至4个量级，因此可以在相同激光发射脉冲强度下，实现更远的探测距离。
但是，PMT虽然有很高的光电增益(灵敏度)，有利于远距离探测。但是它作为一种非固态的光电探测器，缺点包括以下几点：1.体积大，无法用于小型激光雷达上；2.入射光强过强会导致其损坏，因此当环境光或者激光脉冲回波较强时，有潜在的损坏PMT的风险；3.制作过程需要手工环节，器件成本高。4.工作电压通常上千伏，增加了系统集成难度。APD的缺点如下：1.APD的光电增益通常为几十倍到100倍，远低于PMT光电增益的典型值一百万倍，因此电路噪声更容易将APD的信号“淹没”，影响远距离探测性能；2.在APD光电增益较低的情况下，为了增加探测距离，通常需要增加接收透镜口径，这使得装置的体积增加；3.同样由于APD的光电增益较低，系统中必须有高带宽的放大电路对APD输出的电流脉冲信号进行放大，特别是在一个多通道的雷达系统中，通常需要每个通道都配备一个放大电路，这会导致系统的体积、功耗、成本都增加；4.APD器件的增益随温度的漂移十分明显，这需要在系统中增加温度监控、温度控制等功能，来应对APD的温漂对测量结果的影响，这进一步增加了系统复杂性和成本。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何提高激光雷达的测距性能。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种激光雷达，所述激光雷达包括：至少一个激光器，适于发射激光脉冲；发射光路模块，所述发射光路模块与所述至少一个激光器耦合，所述激光脉冲经由所述发射光路模块发射出去；接收光路模块，适于接收回波脉冲；至少一个单光子探测器，所述至少一个单光子探测器与所述接收光路耦合，适于对所述接收光路模块处理后的回波脉冲进行检测。
可选的，所述激光雷达还包括：温度控制器，适于将所述至少一个激光器的温度控制在设定温度范围内；所述接收光路模块包括：窄带滤光片，接收障碍物针对所述激光脉冲反射的所述回波脉冲，并滤除所述回波脉冲中的环境光噪声。
可选的，所述温度控制器包括温度传感器和执行器；所述温度传感器适于检测所述至少一个激光器的温度；所述执行器根据所述至少一个激光器的温度和所述设定温度范围对所述至少一个激光器进行控制。
可选的，所述窄带滤光片的通带范围覆盖所述激光器在所述设定温度范围内的中心波长；所述温度控制器为半导体制冷器件。
可选的，所述设定温度的最高温度与最低温度之差小于等于10摄氏度。
可选的，所述激光雷达还包括：收发光路隔离结构，适于将所述激光脉冲的传输通路与所述回波脉冲的传输通路进行隔离。
可选的，每一单光子探测器包括多个并联的盖革模式雪崩二极管。
可选的，所述激光雷达还包括旋转电机；所述激光器的数量为一个，所述激光器结合所述旋转电机形成出射端，所述出射端与多个单光子探测器形成线阵。
可选的，所述激光雷达还包括机械振镜或微振镜；所述激光器的数量为多个，多个激光器结合所述机械振镜或所述微振镜形成出射端，所述出射端与多个单光子探测器形成面阵。
可选的，所述激光雷达还包括：猝灭电路，适于终止所述单光子探测器的雪崩放电过程，所述猝灭电路外部耦接所述单光子探测器，或者内部集成于所述单光子探测器；所述猝灭电路采用主动方式或被动方式终止雪崩放电过程。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明技术方案的激光雷达可以包括至少一个激光器，适于发射激光脉冲；发射光路模块，所述发射光路模块与所述至少一个激光器耦合，所述激光脉冲经由所述发射光路模块发射出去；接收光路模块，所述接收光路模块适于接收回波脉冲；至少一个单光子探测器，所述至少一个单光子探测器与所述接收光路耦合，适于对所述接收光路模块处理后的回波脉冲进行检测。由于单光子探测器的光电增益通常比APD高非常多(通常高上万倍)，因此在电路噪声相同，没有环境光的条件下，本发明技术方案基于单光子探测器的激光雷达可以比基于APD的激光雷达的探测距离更远(例如可以达到100倍甚至更多)，激光雷达的最远探测距离得到显著提升；此外，相对于传统的非固态单光子探测器PMT，单光子探测器件有明显的体积优势，使得激光雷达的体积小，可以应用于更多应用场景。另外。单光子探测器的温度敏感性比APD低，并且偏置电压通常只需要几十伏(而APD需要上百伏高压，PMT需要上千伏高压)，上述特性可以降低激光雷达的系统复杂度，使得雷达系统的可靠性得到提升。进一步，通过采用单光子探测器，有利于降低激光雷达读出电路的复杂度和半导体器件的量产成本，进而使得基于单光子探测器的激光雷达成本降低。
进一步，本发明技术方案的激光雷达还可以包括温度控制器，适于将所述至少一个激光器的温度控制在设定温度范围内；所述接收光路模块包括：窄带滤光片，接收障碍物针对所述激光脉冲反射的所述回波脉冲，并滤除所述回波脉冲中的环境光噪声。窄带滤光片可以抑制环境光噪声，窄带滤光片的通带的宽度需要覆盖激光器的发光中心波长，减小或避免信号损失；本发明技术方案中的温度控制器可以控制激光器的信号波长稳定在一定范围内，从而可以减小窄带滤光片的通带宽度；通过温度控制器和窄带滤光片的结合可以保证激光器的信号损失较小的同时，可以最大程度的抑制环境光噪声，保证激光雷达的测距性能。
附图说明
图1是本发明实施例一种激光雷达的结构示意图；
图2是本发明实施例另一种激光雷达的结构示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，现有技术中探测器采用PMT虽然有很高的光电增益(灵敏度)，有利于远距离探测。但是它作为一种非固态的光电探测器，缺点包括以下几点：1.体积大，无法用于小型激光雷达上；2.入射光强过强会导致其损坏，因此当环境光或者激光脉冲回波较强时，有潜在的损坏PMT的风险；3.制作过程需要手工环节，器件成本高。4.工作电压通常上千伏，增加了系统集成难度。APD的缺点如下：1.APD的光电增益通常为几十倍到100倍，远低于PMT光电增益的典型值一百万倍，因此电路噪声更容易将APD的信号“淹没”，影响远距离探测性能；2.在APD光电增益较低的情况下，为了增加探测距离，通常需要增加接收透镜口径，这使得装置的体积增加；3.同样由于APD的光电增益较低，系统中必须有高带宽的放大电路对APD输出的电流脉冲信号进行放大，特别是在一个多通道的雷达系统中，通常需要每个通道都配备一个放大电路，这会导致系统的体积、功耗、成本都增加；4.APD器件的增益随温度的漂移十分明显，这需要在系统中增加温度监控、温度控制等功能，来应对APD的温漂对测量结果的影响，这进一步增加了系统复杂性和成本。
由于单光子探测器的光电增益通常比APD高一万倍，因此在电路噪声相同，没有环境光的条件下，本发明技术方案基于单光子探测器的激光雷达可以比基于APD的激光雷达的探测距离远100倍，激光雷达的最远探测距离得到显著提升；此外，相对于传统的非固态单光子探测器PMT，单光子探测器件有明显的体积优势，使得激光雷达的体积小，可以应用于更多应用场景。另外。单光子探测器的温度敏感性比APD低，并且偏置电压只需要几十伏(而APD需要上百伏高压，PMT需要上千伏高压)，上述特性可以降低激光雷达的系统复杂度，使得雷达系统的可靠性得到提升。进一步，通过采用单光子探测器，使得激光雷达读出电路不复杂、半导体器件量产成本低，进而使得基于单光子探测器的激光雷达成本降低。
本发明技术方案中基于单光子探测器件的激光雷达，可以同时满足人眼安全限值、高测量频率、低激光器功率、体积小、测距远的需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1是本发明实施例一种激光雷达的结构示意图。
图1所示的激光雷达可以包括至少一个激光器103、发射光路模块101、接收光路模块102和至少一个单光子探测器104。
激光器103可以发射激光脉冲。激光器103的数量可以是一个，也可以是多个，本发明实施例对此不做限制。
发射光路模块101可以与所述至少一个激光器103耦合，激光器103发射的激光脉冲经由所述发射光路模块101发射出去。激光脉冲经过障碍物反射形成回波脉冲。
接收光路模块102可以接收回波脉冲。
至少一个单光子探测器104与所述接收光路耦合，适于对所述接收光路模块102处理后的回波脉冲进行检测。单光子探测器104的数量可以是一个，也可以是多个；单光子探测器104的数量可以与激光器103的数量相等，也可以不相等，本发明实施例对此不做限制。
本领域技术人员应当理解的是，激光雷达除了上述结构部件之外，还可以包括读出电路105，读出电路105可以将单光子探测器的探测结果进行转换后输出。
需要说明的是，单光子探测器104可以将光电二极管偏置在盖革区域，一旦光子入射产生光电子，将触发器件产生自持雪崩放电，直到器件内部或外部的猝灭电路将雪崩放电终止。基于此原理，单光子探测器104还可以有多种不同的名称，例如可以称为：单光子雪崩二级管(Single Photon Avalanche Diodes,SPAD)、盖革模式雪崩光电二级管(Geiger-Mode Avalanche Photo Diode，GM-APD)、硅光电倍增器(Silicon Photo-Multiplier，SiPM)、固态光电倍增器(Solid State Photo-Multiplier,SSPM)、多像素光子计数器(Multi-Cell Photon Counter,MPPC)。
在单光子探测器104中，每个测量通道的单光子探测器104可以由多个二极管并联形成。以GM-APD为例，GM-APD自身的暗计数以及环境光造成的计数噪声会随机地发生，只采用单个GM-APD作为单光子探测器104时，激光器103发出的激光脉冲、暗计数、环境光子导致的盖革模式雪崩，其输出信号的波形都是相同的，无法区分，导致激光雷达的扫描结果中有大量的噪点。在只采用单个GM-APD作为单光子探测器104的情况下，也可以通过多次测量，寻找在时间轴上重合的脉冲，将随机噪声脉冲排除掉，从而抑制噪点。但是在激光雷达的应用场景中，障碍物通常处于高速运动中，信号脉冲在时间轴上是移动的，且反复测量导致得到单个距离测量结果的总时间增加，点频降低，与激光雷达需要更高的测量频率矛盾。
而将多个GM-APD并联构成单光子探测器104，使得只有单个GM-APD发生雪崩时，其输出信号为单个GM-APD的雪崩信号，而当回波脉冲造成多个GM-APD同时雪崩时(由于激光雷达发射激光脉冲的宽度通常小于GM-APD输出信号宽度，因此可以认为激光脉冲造成多个GM-APD的雪崩是同时发生的)，单光子探测器104输出信号幅度为多个GM-APD的雪崩信号的线性叠加。而由于GM-APD自身的暗计数和环境光造成的噪声具有随机性，绝大部分情况下同一时刻只会有单个GM-APD发生雪崩，而回波脉冲造成的输出信号是多个GM-APD信号的叠加，因此在后续的读出电路105处理中，可以通过信号幅度将暗计数和环境光噪声有效剔除掉，提取出真实的回波脉冲信号。并且，这一过程不需要反复测量，在单次测量(也即激光器103发射单个激光脉冲)中就能完成，在保持高测量频率的基础上，将噪声造成的雷达点云散点抑制到极低的概率。
本发明实施例通过回波脉冲信号并发的光子数量(也即信号幅度)来甄别出有效信号，抑制噪声散点，使得激
光器103每发射一次光脉冲就可得到一个测量点，实现了高点频和低噪点。
具体实施中，将GM-APD进行并联可以有多种实现方式。猝灭电路可以包括猝灭电阻。可以将每个GM-APD串联一个猝灭电阻后并联，通过猝灭电阻将GM-APD的自持雪崩放电过程终止，该过程可以称为别动猝灭(passive quenching)。
也可以将GM-APD连接主动猝灭(active quenching)电路后并联，主动猝灭电路检测到GM-APD发生雪崩后，控制GM-APD迅速停止雪崩并恢复到可以被信号触发的状态。还可以将每个GM-APD的阴极或阳极都连接到一路读出电路，对其脉冲信号进行数字化之后，在数字逻辑上进行合并。
可以理解的是，被动猝灭电路或主动猝灭电路也可以采用其他任意可实施的电路结构，本发明实施例对此不做限制。
进一步地，对于基于单光子探测器104的激光雷达，主要噪声是光噪声。而缩小透镜尺寸会等比例地减小光信号和光噪声，信噪比保持不变。由此，本发明实施例中的激光雷达不需要增加透镜口径来提高光信号相对电路噪声的信噪比，使得透镜尺寸不会成为限制激光雷达体积缩小的主要因素，从而可以减小激光雷达的体积。
进一步地，由于单光子探测器104的光电增益高，通常不需要再进行后级电路放大，因此读出电路105的结构相对简单、便于集成，有利于在有限的空间内布置多个通道的单光子探测器104和读出电路105，从而提高激光雷达的测距性能。此外，读出电路105的结构相对简单，单光子探测器104为固态器件，且半导体器件量产成本低，从而可以降低激光雷达的成本。
进一步地，单光子探测器104的温度敏感性明显比APD低，并且偏置电压只需要几十伏，而APD需要上百伏高压，PMT需要上千伏高压，这些特性可以降低激光雷达的系统复杂度，使得雷达系统的可靠性提升。
需要说明的是，GM-APD可以基于半导体工艺设计和制造，不仅限于硅半导体工艺，也可采用铟镓砷或其他半导体工艺，以适应激光雷达对不同激光波段优化接收效率的需要。
图2是本发明实施例另一种激光雷达的结构示意图。
相对于图1所示的激光雷达，图2所示的激光雷达还可以包括温度控制器201和窄带滤光片202。
温度控制器201适于将所述至少一个激光器103的温度控制在设定温度范围内。所述接收光路模块102可以包括窄带滤光片202，窄带滤光片202可以接收障碍物针对所述激光脉冲反射的所述回波脉冲，并滤除所述回波脉冲中的环境光噪声。
可以理解的是，窄带滤光片202的数量可以是一个或多个。
由于单光子探测器104的光电增益可达到十万至百万倍，电信息足够强，使得系统中的电路噪声通常不会成为主要噪声，而环境光噪声成为基于单光子探测器104的激光雷达系统中的主要噪声。环境光噪声不但会降低信噪比，导致测量距离减少，甚至可能导致单光子探测器104持续雪崩，无法正常测量。通过配置滤光片可以抑制环境光噪声，保证基于单光子探测器104的激光雷达正常测量。
具体而言，由于激光雷达的工作环境的多样性，激光器103的工作温度变化范围大，而激光器103发射的激光脉冲的中心波长会随温度变化发生改变，导致激光器103发射的激光脉冲的信号波长变化范围大。而滤光片的通带的宽度需要覆盖激光器的发光中心波长，使信号不损失；如果将滤光片的通带扩大到激光器103在工作温度范围内可能出现的最小波长和最大波长，那么处于最小波长和最大波长的波长范围内的环境光无法得到抑制，直接影响强光环境条件下，激光雷达的测量距离。
本发明实施例中，通过温度控制器201对激光器103进行温度控制，使激光器103发射的激光脉冲的中心波长不随激光雷达的工作温度发生变化，从而可将窄带滤光片202的通带范围大大减小，使得环境光被抑制到最优的程度，使激光雷达的测量距离增加。
本发明实施例通过温度控制器201和窄带滤光片202的结合可以保证激光器103的信号不损失的同时，可以最大程度的抑制环境光噪声，保证激光雷达的测距性能。
需要说明的是，温度控制器201控制激光器103的设定温度可以根据具体的应用环境进行配置，例如设定温度的最大温度和最小温度之差可以是10摄氏度以内、5摄氏度以内或者1摄氏度以内。相应地，窄带滤光片202的通带宽度可以根据设定温度的大小进行配置。换言之，所述窄带滤光片202的通带范围覆盖所述激光器103在所述设定温度范围内的中心波长。
本领域技术人员应当理解的是，发射光路模块101还可以包括发射透镜(未标示)，发射透镜可以实现对激光脉冲信号的发散作用。接收光路模块102可以包括接收透镜，接收透镜可以实现对回波脉冲信号的聚合作用。
进一步地，温度控制器201可以包括温度传感器(图未示)和执行器(图未示)；所述温度传感器适于检测所述至少一个激光器103的温度；所述执行器根据所述至少一个激光器103的温度和所述设定温度范围对所述至少一个激光器103进行控制。
可以理解的是，温度传感器和执行器可以采用任意可实施的半导体器件或电路器件来实施，本发明实施例对此不做限制。
进一步地，温度控制器201可以为半导体制冷器件。
继续参照图2，所述激光雷达还可以包括收发光路隔离结构203，适于将所述激光脉冲的传输通路与所述回波脉冲的传输通路进行隔离。具体而言，通过收发光路隔离结构203，可以避免激光器103发射激光脉冲时，导致的回波脉冲的传输通路中的接收电路饱和，使得近处障碍物无法被探测到的情况，进而可以保证激光雷达的测距性能。
进一步地，激光雷达还可以包括旋转电机(图未示)。所述激光器103的数量为一个，所述激光器103结合所述旋转电机形成出射端，所述出射端与多个单光子探测器104形成线阵，从而可以实现激光雷达的扫描测量。
在一个变化例中，激光雷达还可以包括机械振镜(图未示)或微振镜(图未示)；所述激光器103的数量为多个，多个激光器103结合所述机械振镜或所述微振镜形成出射端，所述出射端与多个单光子探测器104形成面阵。其中，单光子探测器104的数量和激光器103的数量可以相等，也可以不相等。通过对单光子探测器104的数量和激光器103进行配置，可以实现激光雷达测量的多样性，以便适用于更多应用场景。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种激光雷达，其特征在于，包括：
至少一个激光器，适于发射激光脉冲；
发射光路模块，所述发射光路模块与所述至少一个激光器耦合，所述激光脉冲经由所述发射光路模块发射出去；
接收光路模块，适于接收回波脉冲；
至少一个单光子探测器，所述至少一个单光子探测器与所述接收光路耦合，适于对所述接收光路模块处理后的回波脉冲进行检测。
2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括：
温度控制器，适于将所述至少一个激光器的温度控制在设定温度范围内；
所述接收光路模块包括：窄带滤光片，接收障碍物针对所述激光脉冲反射的所述回波脉冲，并滤除所述回波脉冲中的环境光噪声。
3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述温度控制器包括温度传感器和执行器；
所述温度传感器适于检测所述至少一个激光器的温度；
所述执行器根据所述至少一个激光器的温度和所述设定温度范围对所述至少一个激光器进行控制。
4.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述窄带滤光片的通带范围覆盖所述激光器在所述设定温度范围内的中心波长；所述温度控制器为半导体制冷器件。
5.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述设定温度的最高温度与最低温度之差小于等于10摄氏度。
6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括：
收发光路隔离结构，适于将所述激光脉冲的传输通路与所述回波脉冲的传输通路进行隔离。
7.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，每一单光子探测器包括多个并联的盖革模式雪崩二极管。
8.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括旋转电机；所述激光器的数量为一个，所述激光器结合所述旋转电机形成出射端，所述出射端与多个单光子探测器形成线阵。
9.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括机械振镜或微振镜；所述激光器的数量为多个，多个激光器结合所述机械振镜或所述微振镜形成出射端，所述出射端与多个单光子探测器形成面阵。
10.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，还包括：猝灭电路，适于终止所述单光子探测器的雪崩放电过程，所述猝灭电路外部耦接所述单光子探测器，或者内部集成于所述单光子探测器；所述猝灭电路采用主动方式或被动方式终止雪崩放电过程。
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