CN109870699A - 一种激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种激光雷达，包括：激光器，发射激光光束；扫描器，所述激光器的出光方向上，用于改变所述激光器发射的激光光束的出射方向；分束器，位于所述扫描器的一侧；探测器，位于所述分束器的第一面一侧；所述扫描器位于所述分束器的第二面一侧；所述分束器用于将经所述扫描器改变方向后的激光光束透射至目标物；所述分束器还用于将所述目标物反射的激光光束反射至所述探测器。本发明实施例提供一种激光雷达，以实现提供一种同轴的激光雷达，以降低对探测器的要求，以及增加探测器接收到的光能量。

Description

一种激光雷达

技术领域

本发明实施例涉及雷达技术，尤其涉及一种激光雷达。

背景技术

激光雷达是以发射激光光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是先向目标发射探测激光光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，例如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

激光雷达通常包括激光器与探测器。根据激光器和探测器光轴的相对位置，激光雷达可以分为离轴和同轴两种。对于离轴激光雷达而言，激光器发射的光束经第一镜组后照射到目标物，经目标物反射的激光光束经第二镜组后被探测器探测到，第一镜组和第二镜组为不同的镜组。对于同轴激光雷达而言，激光器发射的激光光束与探测器探测到的激光光束共用同一镜组。现有的激光雷达主要采用离轴的方案，但是离轴方案也有较大的缺陷，例如接收视场范围太大，背景噪声大，因此对于探测器的要求较高，成本也比较高。此外，现有技术中的探测器仅能探测到目标物反射的极少的光能量，此问题亟待解决。

发明内容

本发明实施例提供一种激光雷达，以实现提供一种同轴的激光雷达，以降低对探测器的要求，以及增加探测器接收到的光能量。

本发明实施例提供一种激光雷达，包括：

激光器，发射激光光束；

扫描器，位于所述激光器的出光方向上，用于改变所述激光器发射的激光光束的出射方向；

分束器，位于所述扫描器的一侧；

探测器，位于所述分束器的第一面一侧；所述扫描器位于所述分束器的第二面一侧；

所述分束器用于将经所述扫描器改变方向后的激光光束透射至目标物；所述分束器还用于将所述目标物反射的激光光束反射至所述探测器。

可选地，所述分束器包括偏振分光棱镜。

可选地，所述激光雷达还包括四分之一波片；所述分束器位于所述扫描器与所述四分之一波片之间。

可选地，所述激光雷达还包括角度放大器，所述角度放大器包括位于所述分束器远离所述扫描器一侧的负透镜单元，所述负透镜单元具有负光焦度。

可选地，所述角度放大器还包括位于所述激光器与所述扫描器之间的正透镜单元，所述正透镜单元具有正光焦度。

可选地，所述扫描器包括MEMS扫描镜。

可选地，所述激光雷达还包括位于所述激光器与所述扫描器之间的准直器，所述准直器将所述激光器发射的激光光束准直。

可选地，所述激光雷达还包括位于所述分束器与所述探测器之间的接收镜组，所述接收镜组用于将目标物反射的激光光束进行聚焦，并照射到探测器上。

可选地，所述激光雷达还包括位于所述分束器与所述探测器之间的滤光片，所述滤光片用于透过所述激光器发射的激光光束，并过滤所述激光器发射的激光光束之外的光。

可选地，所述激光雷达还包括：

控制器，与所述激光器电连接，所述控制器用于控制所述激光器发射激光光束；

驱动器，与所述控制器以及所述扫描器电连接，所述驱动器在所述控制器的控制下驱动所述扫描器改变所述激光器发射的激光光束的出射方向；

接收电路，与所述探测器以及所述控制器电连接，所述接收电路用于将从所述探测器接收的光电流信号转换为电压信号并输出至所述控制器；所述控制器还用于根据所述电压信号计算目标物的参数信息。

本发明实施例提供的激光雷达包括分束器，激光器发射的激光光束经过分束器照射到目标物，经目标物反射的激光光束经分束器后被探测器探测到，激光器发射的激光光束与探测器探测到的激光光束共用分束器，从而实现了同轴的激光雷达，以降低对探测器的要求。沿光轴方向上，扫描器位于激光器与分束器之间，目标物反射的激光光束被分束器反射至探测器，相对于现有技术中目标物反射的激光光束被扫描器反射至探测器而言，由于分束器相比于扫描器具有更大的口径，分束器相比于扫描器具有更大的反射面，分束器比扫描器可以反射更多的被目标物反射的光能量到探测器，提高了激光雷达的精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；

图2为经过偏振分光棱镜和四分之一波片的光照射到目标物的光路示意图；

图3为被目标物反射的光经过四分之一波片和偏振分光棱镜的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种激光雷达的结构示意图，参考图1，激光雷达包括激光器1、扫描器4、分束器6和探测器9。激光器1发射激光光束，激光器1例如可以采用光纤激光器、激光二极管、气体激光器或者固体激光器等。扫描器4位于激光器1的出光方向上，用于改变激光器1发射的激光光束的出射方向，因此扫描器4可以改变激光器1发射的激光光束的出射角度，实现对目标物的扫描。分束器6位于扫描器4的一侧。探测器9位于分束器6的第一面61一侧，扫描器4位于分束器6的第二面62一侧。分束器6用于将经扫描器4改变方向后的激光光束透射至目标物，分束器6还用于将目标物反射的激光光束反射至探测器9。探测器9例如可以采用APD光电探测器，APD光电探测器为集成了雪崩光电二极管的光电探测器。

示例性地，分束器6可以包括胶层(图1中以加粗线条示出)，入射到该胶层上光束的一部分反射，另一部分透射。分束器6的第一面61与分束器6的第二面62可以位于胶层的不同侧。第一面61与分束器6的第二面62可以相邻设置。

本发明实施例提供的激光雷达包括分束器，激光器发射的激光光束经过分束器照射到目标物，经目标物反射的激光光束经分束器后被探测器探测到，激光器发射的激光光束与探测器探测到的激光光束共用分束器，从而实现了同轴的激光雷达，以降低对探测器的要求。沿光轴方向上，扫描器位于激光器与分束器之间，目标物反射的激光光束被分束器反射至探测器，相对于现有技术中目标物反射的激光光束被扫描器反射至探测器而言，由于分束器相比于扫描器具有更大的口径，分束器相比于扫描器具有更大的反射面，分束器比扫描器可以反射更多的被目标物反射的光能量到探测器，提高了激光雷达的精度。

可选地，参考图1，分束器6包括偏振分光棱镜。经扫描器4改变方向后的激光光束透过偏振分光棱镜后变为线偏振光。可以使用线偏振光来照射目标物。在一些可选的实施方式中，分束器6为分光棱镜时，经扫描器4改变方向后的激光光束透过分光棱镜后依然为自由偏振态的光，可以使用自由偏振态的光来照射目标物。

示例性地，分束器6可以包括胶层(图1中以加粗线条示出)，胶层可以使入射光中的P偏振光透射，使S偏振光反射。P偏振光为偏振方向平行于纸面的光，S偏振光为偏振方向垂直于纸面的光。

可选地，参考图1，分束器6包括偏振分光棱镜，激光雷达还包括四分之一波片10，分束器6位于扫描器4与四分之一波片10之间。经扫描器4改变方向后的激光光束透过偏振分光棱镜以及四分之一波片10后变为圆偏振光，可以使用圆偏振光来照射目标物。经目标物反射的圆偏振光再次经过四分之一波片10后，被偏振分光棱镜全部反射至探测器9。即，被目标物反射的激光光束未在分束器6透射，被分束器6全部反射至探测器9，从而提高了激光雷达的精度。

图2为经过偏振分光棱镜和四分之一波片的光照射到目标物的光路示意图，参考图2，偏振分光棱镜(即分束器6)能把入射的自由偏振态的光分成两束垂直的线偏光。其中P偏振光(在图2中以短横线示意P偏振光)完全通过偏振分光棱镜，而S偏振光(在图2中以圆点示意S偏振光)以45度角被反射，S偏振光的出射方向与P偏振光成90度角。透过偏振分光棱镜的P偏振光经过四分之一波片10后，改变其π/2的相位差，形成圆偏振光，并照射到目标物上。

图3为被目标物反射的光经过四分之一波片和偏振分光棱镜的光路示意图，参考图3，图3中以圆点示意S偏振光，被目标物反射的圆偏振光经过四分之一波片10后，改变其π/2的相位差，形成线偏振光，且此偏振光为S偏振光。这是由于目标物的反射，造成了线偏振方向的反向(即图2中虚线框位置处的P偏振光在图3中为S偏振光)。由此S偏振光被偏振分光棱镜全部反射。

可选地，参考图1，激光雷达还包括角度放大器，角度放大器包括位于分束器6远离扫描器4一侧的负透镜单元5。即，负透镜单元5位于分束器6与目标物之间。负透镜单元5具有负光焦度。负透镜单元5可以为单个负透镜，或者负透镜单元5可以为一个具有负光焦度的透镜组。经扫描器4改变方向后的激光光束具有一个比较小的扫描角度。经过角度放大器的放大以后，可以使激光雷达具有较大的扫描角度。

可选地，参考图1，角度放大器还包括位于激光器1与扫描器4之间的正透镜单元3，正透镜单元3具有正光焦度。正透镜单元3可以为单个正透镜，或者正透镜单元3可以为一个具有正光焦度的透镜组。正透镜单元3和负透镜单元5共同构成的角度放大器，不仅可以使激光雷达具有较大的扫描角度。进一步地，由于正透镜单元3具有光线汇聚能力，可以将激光器1发射的激光光束的光斑尺寸缩小，然后将缩小后的激光光束照射到扫描器4上，因此使激光器1发射的激光光束全部照射到扫描器4上，提高了光能利用率。

可选地，参考图1，扫描器4包括MEMS扫描镜。MEMS为Micro-Electro-MechanicalSystem的简称，其中文释义为微机电系统。MEMS为本领域公知术语。MEMS扫描镜指的是微反射镜面。微反射镜面在驱动力作用下发生偏转，从而改变光束的出射角度。与传统光学扫描方式相比，MMES扫描镜在体积、重量、功耗以及动态响应方面的优点尤为突出，此外还具备MEMS器件所共有的成本低、易于实现批量制造的优点。在其他实施方式中，MEMS扫描镜还可以使用机械振镜或者旋转棱镜进行替代。

可选地，参考图1，激光雷达还包括位于激光器1与扫描器4之间的准直器2，准直器2将激光器1发射的激光光束准直。

可选地，参考图1，激光雷达还包括位于分束器6与探测器9之间的接收镜组7，接收镜组7用于将目标物反射的激光光束进行聚焦，并照射到探测器9上。

可选地，参考图1，激光雷达还包括位于分束器6与探测器9之间的滤光片8，滤光片8用于透过激光器1发射的激光光束，并过滤激光器1发射的激光光束之外的光。激光器1发射的激光光束可以透过滤光片8，太阳光等激光器1发射的激光光束之外的光不能透过滤光片8。滤光片8过滤掉了干扰光，从而提高了激光雷达的信噪比。

可选地，参考图1，激光雷达还包括控制器11、驱动器12和接收电路13。控制器11与激光器1电连接，控制器11用于控制激光器1发射激光光束。驱动器12与控制器11以及扫描器4电连接，驱动器12在控制器11的控制下驱动扫描器12改变激光器1发射的激光光束的出射方向。接收电路13与探测器9以及控制器11电连接，接收电路13用于将从探测器9接收的光电流信号转换为电压信号并输出至控制器11。控制器11还用于根据电压信号计算目标物的参数信息。目标物的参数信息例如目标物的距离、方位、高度、速度、姿态、形状等参数。

示例性地，控制器11控制扫描器4进行光束扫描，并记录每一时刻的光束偏转角度值。控制器11可以控制激光器1的发射频率和发射功率。控制器11从接收电路13获取回波信号，以脉冲飞行时间计算方法计算目标物的距离。将目标物的距离与对应时刻的光束偏转角度(垂直方向上的偏振角度和水平方向上的偏转角度)结合即可获得目标物的三维位置。

可选地，激光雷达还包括模数转换电路、数模转换电路和放大器。数模转换电路可以与控制器11以及驱动器12电连接，用于将控制器11输出的数字信号转化为模拟信号并传递至驱动器12。放大器的输入端可以与接收电路13的输出端电连接，放大器的输出端可以与模数转换电路电连接，模数转换电路的输出端可以与控制器11电连接。放大器用于对接收电路13输出的电信号进行放大。模数转换电路用于将经放大器放大后的模拟信号转化为数字信号并传递至控制器11。

示例性地，入射至MEMS扫描镜的光斑直径为2mm，可以选择MEMS扫描镜直径为3mm。MEMS扫描镜尺寸越小，扫描频率越大。MEMS扫描镜的水平扫描角度可以为±5.5度，垂直扫描角度可以为±1度。当MEMS扫描镜的水平扫描角度为5度，MEMS扫描镜对激光光束的偏转角度为10度，正透镜单元3和负透镜单元5共同构成的角度放大器的放大倍数被设计为6倍时，可以实现的激光光束的偏转角度为60度。可以理解的是，MEMS扫描镜的水平扫描角度、MEMS扫描镜的垂直扫描角度以及角度放大器的放大倍数可以根据实际需求而设计，本发明实施例对此不作限定。本发明实施例提供的激光雷达可以实现水平扫描角度120度、垂直扫描角度20度的扫描视场。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：

激光器，发射激光光束；

扫描器，位于所述激光器的出光方向上，用于改变所述激光器发射的激光光束的出射方向；

分束器，位于所述扫描器的一侧；

探测器，位于所述分束器的第一面一侧；所述扫描器位于所述分束器的第二面一侧；

所述分束器用于将经所述扫描器改变方向后的激光光束透射至目标物；所述分束器还用于将所述目标物反射的激光光束反射至所述探测器。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述分束器包括偏振分光棱镜。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括四分之一波片；所述分束器位于所述扫描器与所述四分之一波片之间。

4.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括角度放大器，所述角度放大器包括位于所述分束器远离所述扫描器一侧的负透镜单元，所述负透镜单元具有负光焦度。

5.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述角度放大器还包括位于所述激光器与所述扫描器之间的正透镜单元，所述正透镜单元具有正光焦度。

6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述扫描器包括MEMS扫描镜。

7.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括位于所述激光器与所述扫描器之间的准直器，所述准直器将所述激光器发射的激光光束准直。

8.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括位于所述分束器与所述探测器之间的接收镜组，所述接收镜组用于将目标物反射的激光光束进行聚焦，并照射到探测器上。

9.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括位于所述分束器与所述探测器之间的滤光片，所述滤光片用于透过所述激光器发射的激光光束，并过滤所述激光器发射的激光光束之外的光。

10.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括：

控制器，与所述激光器电连接，所述控制器用于控制所述激光器发射激光光束；

驱动器，与所述控制器以及所述扫描器电连接，所述驱动器在所述控制器的控制下驱动所述扫描器改变所述激光器发射的激光光束的出射方向；

接收电路，与所述探测器以及所述控制器电连接，所述接收电路用于将从所述探测器接收的光电流信号转换为电压信号并输出至所述控制器；所述控制器还用于根据所述电压信号计算目标物的参数信息。