CN110133619A - 激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达，包括：发射装置、振镜阵列、接收装置和驱动装置，其中，发射装置包括多个激光器，激光器用于发射出射信号；振镜阵列，包括多个振镜，振镜一一对应设置在激光器发射的出射信号的出射光轴上，用于接收并反射对应的出射信号，使出射信号投射至目标视场；接收装置，用于接收由出射信号经目标视场的探测物反射形成回波信号，并根据回波信号获取目标视场的环境信息；驱动装置，包括旋转轴和驱动器，振镜阵列与旋转轴连接且夹角固定，驱动器通过旋转轴带动振镜阵列绕轴旋转，同时带动激光器阵列、接收装置与振镜阵列同步旋转。利用振镜阵列带动发射装置和接收装置同速旋转，设计的激光雷达结构简单，稳定性好，鲁棒性好。

Description

激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达探测领域，尤其是涉及一种激光雷达。

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，将接收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。

目前，多线激光雷达实现对各方向上的目标物体的特征扫描和测量，往往包括多个激光发射器和多个对应的激光探测器。其中，多个激光发射器进行纵向排布，可以产生纵向视场范围内的多束出射激光，当该多束出射激光射向目标物体上反射后形成反射激光，多线激光雷达中的多个激光探测器中对应的探测器接收反射激光，并将该反射激光传输给相应的光信号处理器进行处理，以完成对目标物体的探测。

传统的多线激光雷达有多个激光发射器和激光接收器，其系统复杂、成本高、功耗高。

发明内容

基于此，有必要针对激光雷达系统复杂问题，提供一种激光雷达。

一种激光雷达，所述激光雷达包括：

发射装置，包括多个激光器，所述激光器用于发射出射信号；

振镜阵列，包括多个振镜，所述振镜一一对应设置在所述激光器发射的所述出射信号的出射光轴上，用于接收并反射对应的出射信号，使所述出射信号投射至目标视场；

接收装置，用于接收由所述出射信号经所述目标视场的探测物反射形成回波信号，并根据所述回波信号获取所述目标视场的环境信息；

驱动装置，包括旋转轴和驱动器，所述振镜阵列与所述旋转轴连接且夹角固定，所述驱动器通过所述旋转轴带动所述振镜阵列绕轴旋转，同时带动所述激光器阵列、所述接收装置与所述振镜阵列同步旋转。

在其中一个实施例中，所述激光雷达还包括：调控模块，与所述振镜阵列连接，用于通过调整所述振镜阵列的驱动电压来驱动多个所述振镜在预设角度范围内往复振动，以调整所述出射信号的扫描密度。

在其中一个实施例中，所述激光器为垂直腔面发射激光器。

在其中一个实施例中，多个所述激光器依次发射所述出射信号。

在其中一个实施例中，所述激光雷达还包括准直透镜，设置在所述发射装置与所述振镜阵列之间，用于对所述发射装置发射的所述出射信号进行准直。

在其中一个实施例中，所述激光雷达还包括：编码盘，分别与所述驱动器和所述旋转轴连接，用于在所述驱动器通过所述旋转轴带动所述振镜阵列绕轴旋转时对所述振镜阵列的位置进行监测。

在其中一个实施例中，所述振镜阵列与所述激光器阵列通过连接轴或传动杆连接，以使所述振镜阵列与所述发射装置绕所述旋转轴同步旋转。

在其中一个实施例中，所述发射装置与所述接收装置通过连接轴或传动杆固定连接，以使所述发射装置与所述接收装置绕所述旋转轴同步旋转。

在其中一个实施例中，所述接收装置包括：

接收透镜，用于对所述回波信号进行聚焦处理；

光电探测模块，设置于所述接收透镜接收的所述回波信号的光轴上，用于接收经所述接收透镜聚焦处理后的所述回波信号，并根据所述回波信号获取所述目标视场的环境信息。

在其中一个实施例中，所述激光雷达还包括：

壳体，设有透光区域，所述接收装置和发射装置均设置于所述壳体内部，所述出射信号经所述透光区域出射，所述回波信号经所述透光区域入射。

上述激光雷达，包括发射装置、振镜阵列、接收装置和驱动装置，发射装置包括多个激光器，所述激光器用于发射出射信号；振镜阵列，包括多个振镜，所述振镜一一对应设置在所述激光器发射的所述出射信号的出射光轴上，用于接收并反射对应的出射信号，使所述出射信号投射至目标视场；接收装置，用于接收由所述出射信号经所述目标视场的探测物反射形成回波信号，并根据所述回波信号获取所述目标视场的环境信息；驱动装置，包括旋转轴和驱动器，所述振镜阵列与所述旋转轴连接且夹角固定，所述驱动器通过所述旋转轴带动所述振镜阵列绕轴旋转，同时带动所述激光器阵列、所述接收装置与所述振镜阵列同步旋转。利用振镜阵列在所述驱动装置的作用下旋转，并带动发射装置和接收装置同速旋转，该激光雷达结构简单，稳定性好，鲁棒性好，且收发离轴。多个激光器尺寸小，功率大，利于空间密排，提高的能量密度分布；利用与激光器对应的振镜阵列利用振镜阵列将出射信号反射至目标视场可实现空间分光和纵向空分复用。

附图说明

图1为本发明一实施例的激光雷达的结构示意图；

图2为本发明一实施例中激光雷达发射出射信号投射到目标视场点云位置示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请提供一种激光雷达，如图1所示，激光雷达包括:发射装置10、振镜阵列20、接收装置30和驱动装置40，其中，

发射装置10，包括多个激光器110，激光器110用于发射出射信号；

在其中一个实施例中，激光器110为垂直腔面发射激光器110(Vertical-CavitySurface-Emitting Laser，VCSEL)用于发射出射信号。

VCSEL是从集成电路的顶面发出激光。由于工艺技术成熟，VCSEL作为光源成本较低，易实现大规模集成，且空间排布更为密集，利于实现小尺寸的封装组合。发射装置10可以是多个激光器110排成一行或一列，也就是在一条之间上即可，也可以是多个激光器110错位密排为行或列。发射装置10的制作不只是一维，也可以是二维的排列，且VCSEL输出孔径较大，输出光束的发散角较低，使得光纤的连线效率更高。

在其中一个实施例中，多个激光器110依次发射出射信号。

多个激光器110按照预设时序顺序发光，出射激光经与之对应的振镜210反射后经透光区域710出射至目标区域。振镜阵列20沿预设旋转方向旋转在时间上连续旋转。多个激光器110依次发光，所有的激光器110全部发光完成，振镜阵列20对应的反射的出射信号完整地扫描一个目标区域。

此外，为了提高系统的抗干扰能力，避免同波长的串扰，发射装置10可以采用多脉冲模式发射输出出射信号，如双脉冲或者四脉冲，此处不做限制。

在其中一个实施例中，激光雷达还包括准直透镜，设置在发射装置10与振镜阵列20之间，用于对发射装置10发射的出射信号进行准直。

准直透镜设置在发射装置10与振镜阵列20之间，对发射装置10发射的出射信号进行透射和准直，以使该出射信号透射至振镜阵列20，准直通俗说就是保持透射的出射信号的光线平行。

振镜阵列20，包括多个振镜210，振镜210一一对应设置在激光器110发射的出射信号的出射光轴上，用于接收并反射对应的出射信号，使出射信号投射至目标视场；

振镜210包括光学扫描头、电子驱动放大器和光学反射镜片。振镜210振镜210一一对应设置在垂直腔面发射激光器110发射的出射信号的出射光轴上。振镜210工作过程如下例：第一激光器110发射的出射信号经与之对应的第一振镜210反射到其中任一个目标区域。多个激光器110发射出射信号，该出射信号经过振镜阵列20反射到目标视场中。振镜阵列20与旋转轴连接，并绕转轴旋转，且在旋转过程中，振镜阵列20与旋转轴连接位置和夹角均保持不变。

在其中一个实施例中，振镜210为微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)振镜。

MEMS振镜指的是将振镜集成于MEMS中。MEMS振镜优点在于小体积、低功耗，工艺简单，可靠性高、成品率高和成本低。

接收装置30，用于接收由出射信号经目标视场的探测物反射形成回波信号，并根据回波信号获取目标视场的环境信息；

接收装置30与发射装置10连接，与发射装置10或振镜阵列20同步旋转，接收装置30与发射装置10同步旋转且相对静止。接收装置30用于无论发射装置10朝任一方向发射出射信号，接收装置30均能接收到由该方向上反射的回波信号。其中，回波信号是由于出射信号经探测物反射后，被探测物吸收一部分能量，产生的具有衰减延迟的反射信号。举例来说，接收装置30还可以解析接收的回波信号，以获取回波信号携带的接收时刻信息、波形变换信息和/或回波强度信息等，来获取目标视场的环境信息。比如说，基于飞行时间、三角测距法或相位测距法获取目标视场内探测物的距离信息。基于多普勒效应，获取目标视场内处于运动状态的探测物的速度信息等。需要说明的是，上述示例仅用于举例说明，不对接收装置30的工作过程作具体限制。

在其中一个实施例中，接收装置30包括：接收透镜310，用于对回波信号进行聚焦处理；光电探测模块320，设置于接收透镜310接收的回波信号的光轴上，用于接收经接收透镜310聚焦处理后的回波信号，并将回波信号中的光信号转化为电信号后输出，并根据输出的电信号获取目标视场的环境信息。

接收透镜310设置在目标视场与光电探测模块320之间，也可以设置于壳体70的透射区域对应的窗口内，接收透镜310对目标视场反射的回波信号进行聚焦并透射，以使该回波信号由光电探测模块320接收。

光电探测模块320用于接收回波信号并解析回波信号。回波信号是由于出射信号经探测物反射后，被探测物吸收一部分能量，产生的具有衰减延迟的反射信号。且获取该回波信号的携带的接收时刻信息、波形变换信息和/或回波强度信息，获取目标视场的环境信息。比如说，基于飞行时间、三角测距法或相位测距法获取目标视场内探测物的距离信息。基于多普勒效应，获取目标视场内处于运动状态的探测物的速度信息等。上述说明仅用于举例说明，此处并不对环境信息进行限制。

驱动装置40，包括旋转轴410和驱动器420，振镜阵列20与旋转轴410连接且夹角固定，驱动器420通过旋转轴410带动振镜阵列20绕轴旋转，同时带动发射装置10、接收装置30与振镜阵列20同步旋转。

驱动装置40，与振镜阵列20连接，可以驱动振镜阵列20沿预设旋转方向旋转，且使得振镜阵列20带动发射装置10同步旋转。预设方向可以是顺时针、逆时针方向，或其他任意方向，此处不作限制。驱动装置40能够产生驱动力，该驱动力驱动与之连接的振镜阵列20旋转，而振镜阵列20连接发射装置10，故该驱动力带动振镜阵列20沿预设方向旋转，同时带动发射装置10也沿着该预设方向同步旋转。

驱动电机主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源，驱动电机与壳体70连接，能够将电能转化为驱动转矩并产生驱动力，该驱动力驱动旋转轴410沿预设旋转方向旋转，并带动振镜阵列20同步旋转。

在其中一个实施例中，激光雷达还包括：调控模块50，与振镜阵列20连接，用于通过调整振镜阵列20的驱动电压来驱动多个振镜210在预设角度范围内往复振动，以调整出射信号的扫描密度。

调控模块50可以实现MEMS振镜210啁啾扫描。调控模块50控制MEMS振镜210在第二方向上振动。举例来说，如图1所示，扫描过程可以是：MEMS振镜210在未偏转的初始位置时，MEMS振镜阵列20反射的第1个出射信号照亮第一区域；MEMS振镜210在第二方向上往复振动，发射出射信号的第2脉冲时刻，MEMS振镜210朝上偏转至第2位置，被反射的出射信号照亮第二区域，第二区域相较于第一区域整体向上偏移；直至MEMS振镜210朝上偏转至极限位置，被反射的出射信号照亮第N区域，第N区域相较于第N-1区域向上偏移；第N+1个脉冲时刻，MEMS振镜210往回偏转至第N-1位置，被反射的出射信号照亮第N-1区域；直至第2N个脉冲时刻，MEMS振镜210回到初始位置，被反射的出射信号照亮第一区域；按前述方式，第2N+1个脉冲时刻，MEMS振镜210继续朝下偏转直至极限位置，被照亮的区域从第2N+1区域整体向下偏移至第3N区域；第3N+1个脉冲时刻，MEMS振镜210往回偏转至3N-1位置，照亮第3N-1区域；直至第4N个脉冲时刻，MEMS振镜210再次回到初始位置；到此，MEMS振镜210完成一个扫描周期。同时，旋转轴410带动振镜阵列20转动，被反射的出射信号在第一方向上拉开，形成如图2所示的扫描图样。在MEMS振镜往复振动使得照亮区域上下移动时，由于扫描图样的中间区域有重叠使得扫描密度增加，中间区域的分辨率高于两侧区域的分辨率。MEMS振镜阵列20反射的出射信号照亮目标视场的光密度上不均匀，呈中间密集两端稀疏的状态，形成啁啾扫描的点云。

调控模块50驱动振镜阵列20振动频率可以根据实际需求由工程师自定义设置，当振动频率越高输出空间点云数据越密集，分辨率越高，则对环境信息的检测越为精确。其中，第二方向与预设旋转方向所在平面垂直，沿第二方向振动即为沿预设旋转方向所在平面垂直的方向上下振动。举例来说，若预设旋转方向所在平面为水平面，则第二方向指的是垂直方向，沿第二方向振动即为在垂直方向上下振动。

在其中一个实施例中，激光雷达还包括：编码盘60，分别与驱动器420和旋转轴410连接，用于在驱动器420通过旋转轴410带动振镜阵列20绕轴旋转时对振镜阵列20的位置进行监测。

编码盘60是一种通过直接编码进行测量的元件，它直接把振镜阵列20的测转角或直线位移转换成相应的代码，指示其绝对位置。编码盘60按一定的编码形式，如二进制编码，十进制编码、格莱码或余三码等，将一个圆盘或直尺分成若干等分，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测位移量大小的各等分上的编码转换成便于应用的其他二进制表达方式的测量装置。

在其中一个实施例中，振镜阵列20与发射装置10通过连接轴或传动杆连接，以使振镜阵列20与发射装置10绕旋转轴410同步旋转。

振镜阵列20在驱动装置40的带动下沿预设旋转方向旋转，连接轴或传动杆起着机械传动的作用，机械传动的作用是传递运动和力，常用机械传动系统的类型有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、带传动、链传动、轮系等。在连接轴或传动杆的带动下，使振镜阵列20和发射装置10沿预设旋转方向同步旋转。

在其中一个实施例中，发射装置10与接收装置30通过连接轴或传动杆固定连接，以使发射装置10与接收装置30绕旋转轴410同步旋转。

发射装置10在振镜阵列20的带动下沿预设旋转方向旋转，连接轴或传动杆起着机械传动的作用，机械传动的作用是传递运动和力，常用机械传动系统的类型有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、带传动、链传动、轮系等。在连接轴或传动杆的带动下，以使发射装置10和接收装置30沿预设旋转方向同步旋转。

在其中一个实施例中，激光雷达还包括：壳体70，设有透光区域710，接收装置30和发射装置10均设置于壳体70内部，出射信号经透光区域710出射，回波信号经透光区域710入射。

透光区域710指的是用于透射发射装置10发射的出射信号和目标视场探测物反射回波信号的区域，可由透光材质制备。

在其中一个实施例中，激光雷达还包括第一连接组件，可以是滑环套杆组件，滑环套杆组件包括第一套杆部和第一滑环部，其中，第一套杆部固定在壳体70上，第一滑环部的一端与第一套杆部活动连接，第一滑环部的另一端与发射装置10连接。需要说明的是，第一连接组件还可以是齿圈齿轮、或轴承，此处不做限制。

第一连接组件的两个部分，第一套杆部与壳体70连接，第一滑环部与发射装置10连接，第一套杆部固定在壳体70上，第一滑环部的一端与第一套杆部活动连接，第一滑环部的另一端与发射装置10连接。第一连接组件既能保证发射装置10在沿预设旋转方向旋转，又能够防止发射装置10在旋转驱动力的带动下出现位置偏移或者滑落，增强激光雷达的稳定性。第一连接组件的数量可以为多个。举例来说，可以是两个，两个第一连接组件分别连接发射装置10两端，使发射装置10保持平衡，防止发射装置10偏移预设位置。

在其中一个实施例中，激光雷达还包括第二连接组件，第二连接组件包括第二套杆部和第二滑环部，其中，第二套杆部固定在壳体70上，第二滑环部的一端与第二套杆部活动连接，第二滑环部的另一端与接收装置30连接。需要说明的是，第二连接组件还可以是齿圈齿轮、或轴承，此处不做限制。

接收装置30设置一个底座，接收透镜310和光电探测模块320均与底座连接，第二连接包括第二套杆部和第二滑环部，其中，第二套杆部固定在壳体70上，第二滑环部的一端与第二套杆部活动连接，另一端连接底座，第二连接组件既能保证接收装置30在沿预设旋转方向旋转，又能够防止接收装置30在旋转驱动力的带动下出现位置偏移或者滑落，增强激光雷达的稳定性。

上述激光雷达，包括发射装置、振镜阵列、接收装置和驱动装置，发射装置包括多个激光器，所述激光器用于发射出射信号；振镜阵列，包括多个振镜，所述振镜一一对应设置在所述激光器发射的所述出射信号的出射光轴上，用于接收并反射对应的出射信号，使所述出射信号投射至目标视场；接收装置，用于接收由所述出射信号经所述目标视场的探测物反射形成回波信号，并根据所述回波信号获取所述目标视场的环境信息；驱动装置，包括旋转轴和驱动器，所述振镜阵列与所述旋转轴连接且夹角固定，所述驱动器通过所述旋转轴带动所述振镜阵列绕轴旋转，同时带动所述激光器阵列、所述接收装置与所述振镜阵列同步旋转。利用振镜阵列在所述驱动装置的作用下旋转，并带动发射装置和接收装置同速旋转，该激光雷达结构简单，稳定性好，鲁棒性好，且收发离轴。多个激光器尺寸小，功率大，利于空间密排，提高的能量密度分布；利用与激光器对应的振镜阵列利用振镜阵列将出射信号反射至目标视场可实现空间分光和纵向空分复用。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。需要说明的是，本申请的“一实施例中”、“例如”、“又如”等，旨在对本申请进行举例说明，而不是用于限制本申请。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括：

发射装置，包括多个激光器，所述激光器用于发射出射信号；

振镜阵列，包括多个振镜，所述振镜一一对应设置在所述激光器发射的所述出射信号的出射光轴上，用于接收并反射对应的出射信号，使所述出射信号投射至目标视场；

接收装置，用于接收由所述出射信号经所述目标视场的探测物反射形成回波信号，并根据所述回波信号获取所述目标视场的环境信息；

驱动装置，包括旋转轴和驱动器，所述振镜阵列与所述旋转轴连接且夹角固定，所述驱动器通过所述旋转轴带动所述振镜阵列绕轴旋转，同时带动所述激光器阵列、所述接收装置与所述振镜阵列同步旋转。

2.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：

调控模块，与所述振镜阵列连接，用于通过调整所述振镜阵列的驱动电压来驱动多个所述振镜在预设角度范围内往复振动，以调整所述出射信号的扫描密度。

3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光器为垂直腔面发射激光器。

4.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，多个所述激光器依次发射所述出射信号。

5.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准直透镜，设置在所述发射装置与所述振镜阵列之间，用于对所述发射装置发射的所述出射信号进行准直。

6.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：编码盘，分别与所述驱动器和所述旋转轴连接，用于在所述驱动器通过所述旋转轴带动所述振镜阵列绕轴旋转时对所述振镜阵列的位置进行监测。

7.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述振镜阵列与所述激光器阵列通过连接轴或传动杆连接，以使所述振镜阵列与所述发射装置绕所述旋转轴同步旋转。

8.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射装置与所述接收装置通过连接轴或传动杆固定连接，以使所述发射装置与所述接收装置绕所述旋转轴同步旋转。

9.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述接收装置包括：

接收透镜，用于对所述回波信号进行聚焦处理；

光电探测模块，设置于所述接收透镜接收的所述回波信号的光轴上，用于接收经所述接收透镜聚焦处理后的所述回波信号，并根据所述回波信号获取所述目标视场的环境信息。

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：

壳体，设有透光区域，所述接收装置和发射装置均设置于所述壳体内部，所述出射信号经所述透光区域出射，所述回波信号经所述透光区域入射。