CN110161511B - 一种激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种激光雷达系统。该激光雷达系统包括激光发射器，被配置为发射激光；发射光学系统，被配置为对所述激光发射器发射的激光进行整形；光学转镜，被配置为在所述第一方向上扫描所述激光；以及接收光学系统，被配置为接收由目标物漫反射的回波。此外，该激光雷达系统还包括激光探测器，该激光探测器被配置为将接收光学系统接收到的回波转换为电信号。

Description

一种激光雷达系统

技术领域

本发明主要涉及激光雷达技术领域，具体地，涉及一种目标视场全覆盖的激光雷达系统。

背景技术

激光雷达原本用于测绘，随着其技术工艺不断进步，成本逐渐降低，应用范围开始逐步扩大。现阶段，激光雷达的下游应用市场主要包括自动驾驶、辅助驾驶、AGV的导航与防撞、服务机器人、工业测绘、资源勘探等领域。从技术原理分，主要有三角法激光雷达、TOF(Time Of Flight，飞行时间)系列激光雷达、相位法激光雷达三种。TOF激光雷达目前是主流，机械旋转式和固态激光雷达中的大多数都属于此列。它通过计算激光光源到被测物体的飞行时间来进行测距。

目前市面上广泛使用的机械旋转式的多线激光雷达内部有多个单点激光发射器与单点探测器，类似多台单点激光测距仪的堆叠，线数越多，生产装调难度越大，工艺越复杂，成本越高。且系统内空间利用率低，发热量大。另外，其激光雷达点云(Point Cloud)在竖直方向呈离散分布，对于小尺寸目标存在漏检风险。

因此，需要一种结构简单、装调方便且能够实现目标视场全覆盖的激光雷达系统。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种发射光学系统，包括：准直子单元，被配置为使光在第一方向上准直；以及角度控制子单元，被配置为控制光在第二方向上的发散角；其中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

根据一个实施例，所述第一方向是发射光的半导体激光发射器的快轴方向；并且所述第二方向是所述半导体激光发射器的慢轴方向。

根据一个实施例，所述准直子单元是非球面柱透镜。

根据一个实施例，所述角度控制子单元是柱面镜、柱面镜系统或衍射镜。

根据本发明的另一个方面，提供了一种激光雷达系统，包括：激光发射器，被配置为发射激光；发射光学系统，被配置为对所述激光发射器发射的激光进行整形；光学转镜，被配置为在所述第一方向上扫描所述激光；以及接收光学系统，被配置为接收由目标物漫反射的回波。

根据一个实施例，所述激光雷达系统还包括：激光探测器，被配置为将接收光学系统接收到的回波转换为电信号。

根据一个实施例，所述激光发射器选自半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、气体激光器。

根据一个实施例，所述光学转镜为平面反射镜、正反双面平面反射镜或多个反射镜面所围成的闭合多面体。

根据一个实施例，所述激光探测器为线阵APD阵列。

根据一个实施例，所述线阵APD的阵列单元沿所述第二方向布置。

本发明所述的激光雷达系统仅采用一个发射单元和一个接收单元，装调简单，成本低廉，体积小。更重要的，本发明所述的激光雷达系统点云(Segment Cloud)可在探测视场范围内达到100％覆盖(No-Gap)，避免了机械或其他方案激光雷达的扫描线束之间的间隔问题，大大降低了目标漏检概率。

根据以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

附图说明

图1是根据本发明的激光雷达系统的框图；

图2是从第一方向上观察的发射光学系统的示意图；

图3是从第二方向上观察的发射光学系统的示意图；

图4示出了经过发射光学系统整形后的线光束的形状；

图5示出了在第一方向上观察的经由光学转镜的转动的光路图；

图6示出了在第二方向上观察的经由光学转镜的转动的光路图；以及

图7示出了作为激光雷达的探测器的线阵APD阵列。

具体实施方式

以下，参考附图描述根据本发明的示例性实施例，但是应当理解，以下的实施例仅仅是示例性的，并且不是要将本发明限制到以下实施例。

首先，参考图1描述根据本发明的激光雷达系统的整体配置。如图1所示，根据本发明的激光雷达系统沿光的传播路径依次包括激光发射器、发射光学系统、光学转镜、接收光学系统和激光探测器。以下，对根据本发明的激光雷达系统的各个组件进行详细的描述。

根据本发明的激光发射器采用脉冲式激光器，脉冲式激光器以一定的周期发射脉冲光。在本示例性实施例中，可以选择半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、气体激光器以及其他类型的激光器，只要该激光器能够发射脉冲光即可。

从激光发射器发射的激光行进到发射光学系统中。在本示例性实施例中，发射光学系统被配置为对激光发射器发出的激光束进行整形。具体地，根据本示例性实施例的发射光学系统包括准直子单元和角度控制子单元。

准直子单元被配置为将激光发射器发出的激光束在第一方向上进行准直，以将发散角压缩至几个毫弧度以内，例如5个毫弧度，3个毫弧度，1个毫弧度等等。准直子单元的示例包括透镜组、双胶合透镜或者诸如平凸或双凸透镜之类的单片透镜。此外，准直子单元可以是球面柱面镜、非球面柱面镜、鲍威尔棱镜、球面柱面镜系统、非球面柱面镜系统、球面与非球面混合柱面镜系统，准直子单元包括但不限于以上几种。

角度控制子单元被配置为控制激光发射器发出的激光束在第二方向上的发散角，角度控制子单元可以压缩发散角也可以扩展发散角，经调整后的发散角即为激光雷达在第二方向的视场角。角度控制子单元可以为柱面镜、柱面镜系统或衍射镜，角度控制子单元包括但不限于以上几种。

在本示例性实施例中，准直子单元和角度控制子单元这两个子单元的作用方向相互垂直。也就是说，第一方向垂直于第二方向，例如第一方向为水平方向，第二方向为垂直方向。此外，准直子单元和角度控制子单元的布置顺序可以调换。也就是说，激光可以首先通过准直子单元，然后再行进通过角度控制子单元。可替代地，激光可以首先通过角度控制子单元，然后再行进通过准直子单元。

在激光经过发射光学系统之后，激光被整形成具有特定发散角的线光束。如图2所示，其示出了从第一方向上观察的发射光学系统的示意图。如图所示，从激光发射器发射出的激光首先通过作为准直子单元的平凸非球柱透镜(图2中左侧的透镜)，经由准直子单元的准直作用，光束在该方向上被准直为具有一定宽度的准直光束。随后，经准直的光束被作为角度控制子单元的示例性的平凹柱透镜(图2中右侧的透镜)在与第一方向垂直的方向上压缩或者扩散。

图3示出了在与第一方向垂直的方向(第二方向)上观察的发射光学系统的示意图。如图所示，从激光发射器发射出的激光首先通过作为准直子单元的平凸非球柱透镜(图3中左侧的透镜)，由于准直子单元的准直作用具有方向性，光束在第二方向上不被做任何处理，如图所示，其在第二方向上仍为发散光束。随后，在第二方向上未被准直的光束被作为角度控制子单元的透镜(图3中右侧的透镜)在第二方向上压缩或者扩散。在图3的示例中，由于采用平凹柱透镜作为角度控制子单元，因此激光束被扩散。

在激光雷达系统的在第二方向上的视场角被设置为与经过准直子单元之后的激光束在第二方向上的发散角相等的情况下，则不需要角度控制子单元，即发射光学系统仅包括准直子单元。

如上所述，从激光器发出的激光经过发射光学系统的作用后，被整形成在第二方向上具有特定发散角的线光束。图4示出了经过发射光学系统整形后的线光束的形状。

通过发射光学系统的激光行进到光学转镜，并由光学转镜朝向目标物反射。光学转镜在驱动系统的作用下发生转动，从而改变线光束的传播方向，以实现在第一方向上的扫描。在本示例性实施例中，光学转镜的角度扫描范围即为激光雷达系统在第一方向上的视场角。

在本示例性实施例中，光学转镜可以为平面反射镜、正反双面平面反射镜或多个反射镜面所围成的闭合多面体。为了提高光能利用率，减少在转镜反射面上的能量损失，可以在反射面镀上相应波长或波段的增反膜。与通常的微振镜的毫米级的有效尺寸相比，本发明的光学转镜的有效尺寸可以更大，以使得能够接收到更多的回波，从而有利于提高探测距离。此外，光学转镜能实现更大的扫描角度，并且能够加工多个有效面，从而可以在更大的角度范围内采集到更多的有效信息，提高了扫描范围和效率。

此外，驱动系统可以为电机，电机有多种选择，扫描方式、扫描角度范围和转速等也可根据需要进行灵活设置。比如，可以在指定的扫描范围内进行往复摆动扫描，也可以沿指定方向绕着旋转轴做360度转动，等等。

光学转镜还用来接收由目标物漫反射的回波，该边所接收的回波的传播方向以朝向接收光学系统行进。

图5示出了在第一方向上观察的经由光学转镜的转动的光路图。如图5所示，由于激光(在第一方向上被准直)经发射光学系统被整形为线光束，经光学转镜偏转后的扫描光束仍为线光束，并且光学转镜的角度扫描范围为激光雷达系统在第一方向上的视场范围。

图6示出了在第二方向上观察的经由光学转镜的转动的光路图。如图6所示，在第二方向上的视场角由激光在该方向的发散角限定。

在本示例性实施例中，接收光学系统包括接收镜头和滤光片。接收镜头被配置为将接收到的回波信号汇聚到激光探测器，接收光学系统可以是球面透镜、球面透镜组、非球面镜或非球面镜组、柱透镜组等等。接收光学系统的视场角与发射光学系统在第二方向的视场角相匹配。

接收系统还包括滤光片，用来对接收到的回波进行过滤，保留有效波段。在本示例性实施例中，有效波段是指激光发射器发射的脉冲激光所对应的波段。滤光片还用于尽可能滤除其他波段的背景光，以提高信噪比。这有助于对回波信号的识别和处理。滤光片的数量和位置可以根据系统需求灵活设置。

经由接收光学系统会聚和过滤的激光行进到激光探测器，激光探测器用于将接收到的光信号转换成电信号。激光探测器可以是APD探测器(雪崩光电二极管)，可替代地，激光探测器也可以是PIN等其他光电探测器。

优选地，本发明可以使用如图7所示的线阵APD阵列作为激光雷达的探测器，对APD具体的阵列单元数目不做限制，例如可以为1×16、1×32、1×64的线阵APD探测器。线阵APD的阵列单元沿第二方向排列，以与光学转镜扫描方向相互垂直。在这种情况下，激光发射器每发射一个激光脉冲，探测器阵列上的所有单元都可以接收到回波信号，从而实现了并行测量。这提高了激光雷达的测量效率。

以上已经参考附图描述了根据本发明的激光雷达系统，以下以具体的实例对本发明的激光雷达系统作进一步的描述。

在本实例中，选用半导体激光器作为激光发射器，这是因为半导体激光器具有体积小、效率高、易于集成、可高速直接调制、成本低廉等优点。

在选择半导体激光二极管作为激光发射器的情况下，在以上描述的实施例中，通过准直子单元准直激光二极管的快轴，并且通过角度控制子单元控制激光二极管的慢轴的发散角(发散角等于激光雷达系统在慢轴方向上的视场角)。但是，可以准直激光二极管的慢轴，并且控制快轴方向上的发散角。优选地，准直激光二极管的快轴，并且控制慢轴方向上的发散角，因为这种方式较易于实现。在这种情况下，半导体激光二极管的快轴方向相当于上述第一方向，并且半导体激光二极管的慢轴方向相当于上述第二方向。

半导体激光器发射的激光光束具有在垂直和平行于结平面的两个方向上发散角不同、光斑形状不规则、存在固有像散的特点。为了保证光束质量，分别对两个方向上的光束进行准直整形。一般而言，半导体激光器沿快轴方向发光尺寸小，容易准直，沿慢轴方向发光尺寸较大，准直效果不显著(难以达到非常好的准直效果)。在本实例中，利用半导体激光器的这一特点，仅对其快轴方向的光束进行准直，例如可以将该方向的发散角压缩至5mrad以内(近似平行，因为不可能实现发散角为0)。对于与快轴方向垂直的慢轴方向的光束，本实例对其进行整形处理，使得激光在慢轴方向上的发散角为激光雷达系统垂直视场角。通过该发射光学系统，激光雷达的扫描光束被整形为线光束。

具体地，在本实例中，发射光学系统采用非轴对称的光学系统，其可以为一对正交柱透镜组成的镜组，并且能够在两个方向上进行独立控制。作用于快轴方向光束的准直子单元是平凸非球面柱透镜。通过采用非球面柱透镜，可以修正球面透镜在准直系统中的球差，通过调整曲面常数和非球面系数，非球面透镜可以最大限度的消除球差。

在本实例中，仅需要一个高数值孔径、短焦距的非球面柱透镜就可以实现多片球面镜达到的准直效果，从而简化了系统设计，减小系统尺寸，降低装调难度，提高光能利用率，降低系统的综合成本。

作用于慢轴方向光束的角度控制子单元可以采用一个平凹柱透镜，将激光发射器发出的激光束在慢轴方向进行拉伸，达到指定的发散角。由于发射光学系统在两个方向上独立控制，互不干涉，有利于实现更好的整形效果，且结构简单，装调方便。

此外，由于本发明的激光雷达的扫描光束是经发射光学系统整形后的线光束，在快轴方向上呈连续分布，避免了机械或其他方案激光雷达的扫描线束之间的间隔问题，对于视场范围内的小尺寸目标不存在漏检风险，可在探测视场范围内达到100％覆盖(No-Gap)。

虽然尽管已经参考示例实施例描述了本公开，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例实施例。所附权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以包含所有这些修改和等同的结构和功能。

Claims (8)

1.一种激光雷达系统，包括：

激光发射器，被配置为发射激光；

发射光学系统，被配置为对所述激光发射器发射的激光进行整形，以将所述激光整形为具有预设发散角的线光束；所述发射光学系统，包括：

准直子单元，被配置为使光在第一方向上准直；以及

角度控制子单元，被配置为控制光在第二方向上的发散角，以得到激光雷达在第二方向的视场角；

其中，所述第一方向与所述第二方向垂直；

光学转镜，被配置为在所述第一方向上扫描所述激光，所述光学转镜的反射面上镀有相应波长或波段的增反膜；以及

接收光学系统，被配置为接收由目标物漫反射的回波，所述接收光学系统的视场角与所述第二方向的视场角相匹配；其中，所述第一方向是发射光的半导体激光发射器的快轴方向；并且

所述第二方向是所述半导体激光发射器的慢轴方向。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述准直子单元是非球面柱透镜。

3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述角度控制子单元是柱面镜、柱面镜系统。

4.根据权利要求1所述的激光雷达系统，还包括：

激光探测器，被配置为将接收光学系统接收到的回波转换为电信号。

5.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述激光发射器选自半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、气体激光器。

6.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述光学转镜为平面反射镜、正反双面平面反射镜或多个反射镜面所围成的闭合多面体。

7.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其中，所述激光探测器为线阵APD阵列。

8.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其中，所述线阵APD的阵列单元沿所述第二方向布置。

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