CN110161514A - 一种激光雷达、激光雷达测量方法及车辆驾驶系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达、激光雷达测量方法及车辆驾驶系统，该激光雷达至少包括激光器，光路选择器件、光开关、光栅调谐器、探测器和MCU，在MCU控制下，控制光栅调谐器的扫描角度和光开关的光开关通道，实现对被测物体的扫描测量，确定被测物体的距离，这样，采用光栅调谐器作为扫描器件，实现了发射光和接收光为同光路，无需严格的光学对准调试，工艺简单，可以直接与光纤耦合，激光雷达内部光路均在光纤内部传输，能量损耗小，集成度高，机械机构简单，可以降低成本，提高了可靠性。

Description

一种激光雷达、激光雷达测量方法及车辆驾驶系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达、激光雷达测量方法及车辆驾驶系统。

背景技术

激光雷达是一种光学探测技术，可以应用于高精度测绘、机器人、自动驾驶等领域，具有抗干扰强、分辨率高、探测距离远等优点，应用非常广泛。目前，根据激光雷达的扫描器件的不同可分为：机械式激光雷达和固态激光雷达。

现有技术中，机械式激光雷达通常使用电机驱动反射镜、接收光路同轴旋转，原理相对简单，但是由于使用电机作为扫描器件，功耗较大，并且均采用分立器件，集成度低，要求接收光路与发射光路严格平行，对机械结构的稳定性提出了很高要求，实际需要复杂的光路调整工艺，影响生产效率。

固态激光雷达是将扫描器件固态化，现有技术中主要是采用微机电系统(Microelectro mechanical System，MEMS)反射镜替代电机作为扫描器件，但是，仍使用了大量分立器件，集成度低，并且接收器是固定的，不能跟随发射角度变化，因此，需要能够覆盖扫描范围的接收视场角，容易带来更大的背景噪声，需要更高的发射功率和接收灵敏度，要求较高，并且接收端的光学口径大，器件无法小型化。

另外，现有技术中还提供了可以实现收发同光路设计的机械式激光雷达与固态激光雷达，但需在反射镜和激光器、探测器之间加入分光器件，损耗较大，光线经过两次分光器，只有1/4光信号能量进入探测器，因此，会有光信号损耗。

发明内容

本发明实施例提供一种激光雷达、激光雷达测量方法及车辆驾驶系统，以解决现有技术中激光雷达集成度低，结构复杂，损耗较大的问题。

本发明实施例提供的具体技术方案如下：

本发明一个实施例提供了一种激光雷达，包括激光器，还包括：光路选择器件、光开关、光栅调谐器、探测器和微控制单元MCU；

所述光路选择器件包括第一端口、第二端口和第三端口，所述激光器通过第一端口连接所述光路选择器件，所述光开关连接在所述第二端口与光栅调谐器之间，所述探测器通过所述第三端口连接所述光路选择器件；

所述MCU分别与所述激光器、光开关、光栅调谐器、探测器通信连接。

结合本发明的一个实施例，所述激光雷达还包括激光器驱动电路；所述激光器通过所述激光器驱动电路与所述MCU连接。

结合本发明的一个实施例，所述激光雷达还包括光开关控制电路；所述光开关控制电路连接在所述MCU与所述光开关之间。

结合本发明的一个实施例，所述激光雷达还包括用于对所述光栅调谐器进行加热的光栅调制电路；所述光栅调制电路连接在所述MCU与所述光栅调谐器之间。

结合本发明的一个实施例，所述激光雷达还包括温度传感器；所述温度传感器与所述MCU连接。

结合本发明的一个实施例，所述光路选择器件为光纤环形器。

结合本发明的一个实施例，所述激光雷达还包括处理电路；所述处理电路分别与所述探测器和所述MCU连接。

结合本发明的一个实施例，所述激光雷达还包括电源电路、通信电路和透镜；所述电源电路和所述通信电路分别与MCU连接；所述透镜与所述光栅调谐器连接。

本发明另一个实施例提供了一种激光雷达测量方法，包括：

根据光栅调谐器当前的扫描角度，发射激光信号；

接收被测物体返回的反射光；

根据接收到的反射光，确定所述被测物体的距离。

结合本发明另一个实施例，所述激光雷达还包括光开关；

则根据光栅调谐器当前的扫描角度，发射激光信号，具体包括：将激光信号分别经由所述光开关当前的光开关通道、以及所述光栅调谐器当前的扫描角度，发射出去。

结合本发明另一个实施例，所述激光雷达至少包括微控制单元MCU和光栅调谐器；则若确定所述光栅调谐器未完成在所述光开关当前的光开关通道下的单线扫描，则进一步包括：

通过所述MCU向所述光栅调谐器发送电压控制信号；

通过所述电压控制信号，对所述光栅调谐器进行加热，调整所述光栅调谐器当前的扫描角度，以使所述光栅调谐器完成在所述光开关当前的光开关通道下的单线扫描。

结合本发明另一个实施例，通过所述电压控制信号，对所述光栅调谐器进行加热，调整所述光栅调谐器当前的扫描角度，具体包括：

获取当前检测到的内部环境温度；

通过所述MCU，根据确定的下一次的扫描角度，以及温度与扫描角度映射关系，确定下一次的扫描角度对应的温度；

根据所述内部环境温度和所述对应的温度，确定所述光栅调谐器的实际控制需要的调整温度；

根据所述调整温度，以及电压与温度映射关系，确定所述调整温度对应的电压；

根据所述对应的电压，向所述光栅调谐器发送电压控制信号，控制所述光栅调谐器调整为所述下一次的扫描角度。

结合本发明另一个实施例，若确定所述光栅调谐器完成在所述光开关当前的光开关通道下的单线扫描，则进一步包括：

判断是否切换完光开关所有的光开关通道，并确定未切换完光开关所有的光开关通道时，切换所述光开关当前的光开关通道，以使光开关在所述光栅调谐器完成在所述光开关当前的光开关通道下的单线扫描后，切换到另一个光开关通道。

本发明另一个实施例提供了一种激光雷达测量方法，应用于上述任一种激光雷达，包括：

微控制单元MCU分别控制调整光开关切换至当前的光开关通道，并控制光栅调谐器当前的扫描角度；

控制激光器发射激光信号，其中，所述激光信号分别经由光路选择器件、光开关当前的光开关通道、光栅调谐器，并由所述光栅调谐器发射到所述光栅调谐器当前的扫描角度的方向；

若确定探测器中接收到返回的反射光，则根据所述反射光，确定被测物体的距离；其中，所述反射光是所述当前的扫描角度的方向的被测物体返回的，并经由所述光栅调谐器、所述光开关当前的光开关通道、所述光路选择器件传输到所述探测器的。

结合本发明另一个实施例，进一步包括：

若确定所述光栅调谐器未完成在所述光开关当前的光开关通道下的单线扫描，则根据确定的下一次的扫描角度，以及电压与温度映射关系，温度与扫描角度映射关系，确定所述下一次的扫描角度对应的电压；

根据所述对应的电压，将所述光栅调谐器当前的扫描角度调整为所述下一次的扫描角度，以使所述光栅调谐器完成在所述光开关当前的光开关通道下的单线扫描。

结合本发明另一个实施例，进一步包括：

获取所述温度传感器当前检测到的所述激光雷达的内部环境温度；

根据确定的下一次的扫描角度，以及光栅调谐器的温度与扫描角度映射关系，确定下一次的扫描角度对应的温度；

根据所述内部环境温度和所述对应的温度，确定所述光栅调谐器的实际控制需要的调整温度，并根据所述光栅调谐器的实际控制需要的调整温度，以及光栅调谐器的电压与温度映射关系，确定所述光栅调谐器对应的电压；

根据所述对应的电压，向光栅调制电路发送电压控制信号，通过所述光栅调制电路，控制所述光栅调谐器调整为所述下一次的扫描角度。

结合本发明另一个实施例，确定被测物体的距离之后，进一步包括：

若确定所述光栅调谐器完成在所述光开关当前的光开关通道下的单线扫描，并确定未切换完光开关所有的光开关通道，则控制所述光开关切换到另一个光开关通道，直至确定所述光开关切换完所有的光开关通道。

本发明另一个实施例提供了一种车辆驾驶系统，至少包括上述任一种激光雷达和控制中心，其中，所述控制中心与所述激光雷达的MCU连接，用于接收所述激光雷达获得的被测物体的距离，用于车辆的驾驶。

本发明实施例中提供了一种激光雷达，至少包括激光器，光路选择器件、光开关、光栅调谐器、探测器和MCU；光路选择器件包括第一端口、第二端口和第三端口，所述激光器通过第一端口连接所述光路选择器件，所述光开关连接在所述第二端口与光栅调谐器之间，所述探测器通过所述第三端口连接所述光路选择器件，MCU分别与所述激光器、光开关、光栅调谐器、探测器通信连接，从而可以在MCU控制下，控制光栅调谐器扫描角度和光开关的光开关通道，实现对被测物体的扫描测量，确定被测物体的距离，这样，采用光栅调谐器作为扫描器件，实现了发射光和接收光为同光路，无需严格的光学对准调试，工艺简单，可以直接与光纤耦合，集成度高，激光雷达内部光路均在光纤内部传输，能量损耗小，集成度高，机械机构简单，可以降低成本，提高了可靠性。

附图说明

图1为现有技术中机械式激光雷达系统示意图；

图2为现有技术中一种固态激光雷达系统示意图；

图3为现有技术中另一种固态激光雷达系统示意图；

图4为本发明实施例中激光雷达系统基本结构示意图；

图5为本发明实施例中激光雷达具体结构示意图；

图6为本发明实施例中光纤环形器的原理示意图；

图7为本发明实施例中光栅调谐器衍射原理示意图；

图8为本发明实施例中车辆驾驶系统结构示意图；

图9为本发明实施例中一种激光雷达测量方法流程示意图；

图10为本发明实施例中另一种激光雷达测量方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本发明实施例的理解，下面先对几个概念进行简单介绍：

激光雷达：是一种光学探测技术，通常采用飞行时间测距法。首先向目标物体发射一束激光，再根据接收-反射的时间间隔来确定目标物体的实际距离，然后根据距离及激光发射的角度，通过简单的几何变化可以推导出目标物体的位置信息。相较于摄像头，激光雷达受外界自然光影响小，探测距离远，通常可达100m以上，并且算法简单，可以直接生成位置信息，具有显著优点。激光雷达系统通常可以分为三个部分：第一是激光发射器，例如，通常使用905nm或者1550nm波长的激光器；第二部分是扫描器件，主要用于发射端的激光扫描；第三个部分是感光部件，用于检测目标物体的反射光，得到对应的距离信息。

固态激光雷达：固态激光雷达是将扫描器件固态化。

光栅调谐器：是一种可调谐光栅，可以通过施加应力、或者加热等的方式改变光线输出角度，本发明实施例中，将光栅调谐器作为激光雷达应用中的扫描器件。

单线扫描：本发明实施例中主要是光开关保持单一光开关通道不变，仅改变光栅调谐器的扫描角度，即发射角度，实现对被测物体X方向的成像。

激光雷达可以应用于高精度测绘、机器人、自动驾驶等领域。其中，对于自动驾驶系统，激光雷达通常是关键传感器，可用于定位、障碍物检测、物体分类、动态物体跟踪等。目前，根据激光雷达的扫描器件的不同可分为：机械式激光雷达和固态激光雷达。

参阅图1所示，为现有技术中机械式激光雷达系统示意图，如图1所示，机械式激光雷达，使用电机驱动反射镜、接收光路同轴旋转。每次激光器发射激光脉冲光线，经过一定时间后，反射光线返回探测器，处理电路完成距离信息计算。然后，电机转动一定角度，反射镜角度变化θ，则反射光线变化角度2θ，通过一系列的角度调整，激光器完成对目标区域的扫描。但是，系统均采用分立器件，集成度低，并采用电机作为扫描器件，功耗较大，对于车辆应用领域，则对轴承、润滑系统等工艺要求极高，可靠性差。另外，接收光路需要与发射光路严格平行，保证接收信号的最佳信噪比，这样，就对机械结构的稳定性要求较高，需要复杂的光路调整工艺，影响了生产效率，成本较高。例如，尤其在自动驾驶应用领域，保证全生命周期的可靠性，是一个非常复杂的工程问题，目前面向自动驾驶应用领域，只有低线束的机械激光雷达进入了量产环节，且成本很高。

参阅图2所示，为现有技术中一种固态激光雷达系统示意图，如图2所示，现有技术中采用微机电系统(Micro electro mechanical System，MEMS)反射镜替代电机作为扫描器件，通过控制电路驱动电压变化，从而使MEMS反射镜的反射角度变化，完成发射光线的扫描。其中，MEMS反射镜是一种采用半导体工艺将微电子技术与机械工程融合到一起的工业技术，已广泛应用于加速度计、压力传感器等产品中。但是，现有技术中的固态激光雷达，使用MEMS反射镜，光线在激光雷达内部仍在自由空间中传播，使用了大量分立器件，集成度较低，并且，由于接收器是固定的，不能跟随发射角度变化，因此需要覆盖扫描范围的接收视场角，容易带来更大的背景噪声，这就要求更高的发射功率和接收灵敏度，并且接收端的光学口径大，器件无法小型化。

另外，参阅图3所示，为现有技术中另一种固态激光雷达系统示意图，仍采用MEMS反射镜替代电机作为扫描器件，但是图3所示的激光雷达，在MEMS反射镜和激光器、探测器之间加入分光器件，即图3中所示的分光镜，实现了收发同光路，但是，这种设计虽然可以实现收发同光路，但信号损耗较大，光线在自由空间中传播，光线经过两次分光镜，只有1/4光信号能量进入探测器，会有光信号损耗。

因此，本发明实施例中，提供了一种新的收发同光路的激光雷达，即发射光路和接收光路为同一光路，也属于一种固态激光雷达，主要采用光栅调谐器作为扫描器件，可以通过电压控制，改变其发射角度，实现对目标区域的扫描，光栅调谐器本身为光路可逆器件，无需严格光学对准调试，工艺简单，并且本发明实施例中的激光雷达，采用光路选择器件连接发射端、扫描器件和接收端，激光雷达内部光路均在光纤内部传播，集成度高，减少了信号损耗，机械结构简单，也降低了成本。

具体地，为了解决现有技术中激光雷达集成度低，结构复杂，损耗较大的问题，参阅图4所示，为本发明实施例中激光雷达系统基本结构示意图，至少包括激光器、光路选择器件、扫描器件、探测器。

基本原理为：激光器发射脉冲激光，通过光路选择器件传输至扫描器件，扫描器件将光线以不同扫描角度发射至被测物体，被测物体返回的反射光再进入扫描器件，然后经过光路选择器件进入探测器，从而完成激光信号的发射和接收，根据探测器接收到的反射光，可以确定出被测物体的距离。

其中，1)光路选择器件连接激光器、扫描器件和探测器，互相之间均是通过光纤连接。

本发明实施例中，光路选择器件为光纤环形器。

本发明实施例中，这种结构避免了重复的光路对准，信噪比高，系统集成度高，可以使得激光雷达内部光路均在光纤内部传播，极大简化了整体系统设计，机械结构简单，从而可以降低成本，提高可靠性，便于大规模量产应用。

2)本发明实施例中，扫描器件采用光路可逆的扫描器件，激光信号发射和接收在扫描器件内部可以共光路，但时间上是错开的，具体扫描器件采用光栅调谐器，可以通过控制调整光栅调谐器的扫描角度，实现对整个目标区域的扫描。

本发明实施例中，采用光栅调谐器作为扫描器件，光栅调谐器本身为光路可逆器件，无需严格光学对准调试，结构简单，并且，光栅调谐器可以采用集成光电子技术，全固态，调制响应快，可以直接和光纤耦合，激光雷达内部光路均在光纤内部传输，能量损耗小，集成度高。

基于上述实施例中，下面具体介绍本发明实施例中激光雷达系统结构。

基于上述实施例，本发明实施例中主要采用光栅调谐器为扫描器件，以光路选择器件为光纤环形器，参阅图5所示，为本发明实施例中激光雷达具体结构示意图，至少包括激光器、光路选择器件、光开关、光栅调谐器、探测器和微控制单元(Micro controllerUnit，MCU)，其中，图5中所示的光纤环形器即表示光路选择器件，本发明实施例中是以光路选择器件为光纤环形器为例进行的说明，以下为便于描述主要是以光路选择器件进行描述，但应该知道的是，下文描述的光路选择器件即为图5中的光纤环形器。

下面主要分为两方面对本发明实施例中的激光雷达进行介绍：

第一方面：基于图5所示的激光雷达结构示意图，下面先对本发明实施例中激光雷达的结构进行简单介绍：

光路选择器件包括第一端口、第二端口和第三端口，激光器通过第一端口连接光路选择器件，光开关连接在第二端口与光栅调谐器之间，探测器通过第三端口连接光路选择器件。

MCU分别与激光器、光开关、光栅调谐器、探测器通信连接。

进一步地，激光雷达还包括激光器驱动电路；激光器通过激光器驱动电路与MCU连接。

激光雷达还包括光开关控制电路；光开关控制电路连接在MCU与光开关之间。

激光雷达还包括用于对光栅调谐器进行加热的光栅调制电路；光栅调制电路连接在MCU与所述光栅调谐器之间。

激光雷达还包括温度传感器；温度传感器与MCU连接。

激光雷达还包括处理电路；处理电路分别与探测器和所述MCU连接。

激光雷达还包括电源电路、通信电路和透镜；电源电路和通信电路分别与MCU连接；透镜与光栅调谐器连接。

第二方面：基于上述激光雷达的结构，下面对激光雷达的各个部分进行具体介绍：

1)激光器，用于根据MCU发送的激光信号发射指令发射激光信号。

进一步地，如图5所示，激光雷达还包括激光器驱动电路；激光器通过激光器驱动电路与MCU连接。

激光器驱动电路，用于接收MCU发送的激光信号发射指令，并根据激光信号发射指令，控制激光器发射激光信号。

即可以通过激光器驱动电路控制激光器发出激光信号。

2)光路选择器件，用于通过第一端口接收激光信号并通过第二端口将激光信号传输到光开关。

本发明实施例中，光路选择器件主要是用于信号的传输，是一种单向传输器件，使得发射激光信号和反射光能进入不同的光路传输。

其中，光路选择器件为光纤环形器，光纤环形器具有多个端口，主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中，是光纤通信的常用器件。参阅图6所示，为光纤环形器的原理示意图，例如，光纤环形器包括第一端口1、第二端口2和第三端口3，若第一端口1为输入，第二端口2为输出，则第三端口3就为隔离端口，能力几乎不能穿过，以此类推同样地，若第二端口2为输入，第三端口3为输出，则第一端口1就为隔离端口，从而实现单向传输目的，保证发射光和反射光可以分别经由不同的传输方向，并且由于光线环形器具有方向传输，因此可以减少光信号损耗，激光器发射的激光信号通过光纤环形器，几乎全部能量都会进入光开关端。

同样地，光路选择器件还用于，通过第二端口接收反射光并通过第三端口，将反射光传输到探测器。

3)光开关，用于将激光信号通过当前的光开关通道传输到光栅调谐器。

进一步地，如图5所示，激光雷达还包括光开关控制电路；光开关控制电路连接在MCU与光开关之间，用于接收MCU发送的光开关切换指令，并根据光开关切换指令，控制光开关当前的光开关通道，以使在光栅调谐器完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描后，切换到另一个光开关通道，直至光开关切换完所有的光开关通道。

其中，光开关至少包括一个光开关通道，即具有一个或多个可选择的传输窗口，可以对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作。根据光开关的输入和输出端口数，可分为M×N等多种型号，可以应用于光插/分复用、光学测试、光传感系统等。

本发明实施例中，光开关在光开关控制电路控制下，可以切换到不同的光开关通道，从而可以选择激光信号进入光栅调谐器的不同位置，实现光栅调谐器多线扫描的目的，具体地，MCU可以在确定光栅调谐器完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描后，控制光开关切换到另一个光开关通道，直至确定光开关切换完所有的光开关通道，即实现光栅调谐器在光开关所有的光开关通道下的单线扫描，实现对整个目标区域的扫描测量，例如，光开关有4路光开关通道，则可以分别依次进行切换，实现4线扫描的效果。

进一步地，针对反射光，光开关，还用于将反射光通过当前的光开关通道传输到光路选择器件。

4)光栅调谐器，用于将激光信号发射到当前的扫描角度的方向，以及接收当前的扫描角度的方向的被测物体返回的反射光，将反射光返回传输到光开关，以使反射光分别经由关开关当前的光开关通道、光路选择器件的第二端口和第三端口，传输到探测器。

其中，本发明实施例中，主要是将光栅调谐器作为扫描器件，并实现收发同光路，光栅调谐器可以作为扫描器件，这是因为，光栅调谐器可以通过施加应力或加热方式改变其扫描角度，下面简单介绍下光栅调谐器原理。

参阅图7所示，为光栅调谐器衍射原理示意图，光栅具有衍射效应，如图6所示，光线入射至光栅，可产生0级、1级等多级衍射光。利用内部结构、材料选择等，可以抑制0级衍射光，使仅存在1级衍射光，并可设计2级及其以上的衍射光的发射角度大于90°，即返回器件内部无法射出。

其中，一级衍射光的发射角度与光栅结构、材料参数有关。

具体为：dsinθ＝nλ，其中d为光栅的空间周期长度，n为光栅材料折射率，λ为波长，θ为衍射角度，因此，通过加热方式可以改变光栅材料折射率，或者施加应力的方式改变光栅的周期长度，从而可以改变一级衍射光的发射角度，因此，利用该原理，光栅调谐器可以作为扫描器件，可扫描一定范围内的物体。本发明实施例中，主要通过电压调整，在光栅调谐器的加热器上施加电压，改变光栅调谐器的温度，扫描角度可以随着电压线性变化，从而控制调整光栅调谐器当前的扫描角度。

进一步地，如图5所示，激光雷达还包括用于对光栅调谐器进行加热的光栅调制电路；光栅调制电路连接在MCU与光栅调谐器之间，用于接收MCU发送的电压控制信号，并根据电压控制信号对光栅调谐器进行加热，控制光栅调谐器当前的扫描角度，以使光栅调谐器完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描。

这样，MCU可以通过光栅调制电路，调整光栅调谐器当前的扫描角度，以使光栅调谐器完成在光开关当前的光开关通道下的各扫描角度的单线扫描。

从而光栅调谐器可以基于当前的扫描角度，进行扫描，将激光信号发射到当前的扫描角度的方向，并可以接收返回的反射光，将反射光再返回传输到光开关，并分别经由关开关当前的光开关通道、光路选择器件的第二端口和第三端口，传输到探测器。

也就是说，本发明实施例中被测物体返回的反射光可以沿原路返回，经过光栅调谐器、光开关，只是与发射光传输时间是错开的，然后通过光纤环形器，传输至探测器，实现光线收发同光路传输。

5)探测器，用于检测被测物体返回的反射光。

例如，探测器可以为雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)探测器。

进一步地，如图5所示，激光雷达还包括处理电路；处理电路分别与探测器和MCU连接，用于检测探测器中是否接收到反射光，并对反射光进行处理，将处理后的反射光输入到MCU中。

其中，处理电路对反射光进行处理，例如包括对反射光进行信号整形、放大、降噪等处理，本发明实施例中并不进行限制。

6)MCU是激光雷达的运算单元，主要可以有以下几种功能：

a、控制光开关切换至当前的光开关通道。

具体为：通过光开关控制电路，向光开关发送光开关切换指令，控制光开关当前的光开关通道。

MCU可以不断调整光开关通道，以使能够遍历所有的光开关通道，具体为，MCU进一步用于：

若确定光栅调谐器完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描，并确定未切换完光开关所有的光开关通道，则控制光开关切换到另一个光开关通道，直至确定光开关切换完所有的光开关通道。

例如，若光开关有3个光开关通道，分别为光开关通道1、光开关通道2和光开关通道3，先控制光开关切换到光开关通道1，确定光栅调谐器完成在光开关通道1下的单线扫描后，控制光开关切换到光开关通道2，确定光栅调谐器完成在光开关通道2下的单线扫描后，最后，控制光开关切换到光开关通道3，确定光栅调谐器完成在光开关通道3下的单线扫描，从而实现光栅调谐器在光开关所有的光开关通道下的单线扫描。

b、控制光栅调谐器当前的扫描角度。

具体为：向光栅调制电路发送电压控制信号，通过光栅调制电路，控制光栅调谐器当前的扫描角度。

MCU可以不断调整光栅调谐器的扫描角度，实现其在关开关单一光开关通道下的单线扫描，具体地，MCU进一步用于：若确定光栅调谐器未完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描，则根据确定的下一次的扫描角度，以及光栅调谐器的电压与温度映射关系，温度与扫描角度映射关系，确定下一次的扫描角度对应的电压；根据对应的电压，将光栅调谐器当前的扫描角度调整为下一次的扫描角度，以使光栅调谐器完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描。

这样，MCU可以通过调整电压，来确定对应的光栅调谐器的扫描角度，从而不断调整光栅调谐器的扫描角度，完成单线扫描。

进一步地，由于随着电压的施加，或激光雷达的持续工作，激光雷达内部的环境温度也会变化，因此，仅根据光栅调谐器的电压与温度映射关系，来控制调整电压输出，可能会不准确，为提高准确性，本发明实施例中提供了一种可能的实施方式，激光雷达还包括温度传感器；温度传感器与MCU连接。

则MCU进一步用于：获取温度传感器当前检测到的激光雷达的内部环境温度；根据确定的下一次的扫描角度，以及光栅调谐器的温度与扫描角度映射关系，确定下一次的扫描角度对应的温度；根据内部环境温度和对应的温度，确定光栅调谐器的实际控制需要的调整温度，并根据光栅调谐器的实际控制需要的调整温度，以及光栅调谐器的电压与温度映射关系，确定光栅调谐器对应的电压；根据对应的电压，向光栅调制电路发送电压控制信号，通过光栅调制电路，控制光栅调谐器调整为下一次的扫描角度。

也就是说，本发明实施例中，可以通过温度传感器实时检测激光雷达的内部环境温度，根据内部环境温度，计算温度补偿，确定出由电压带来的实际温度变化，从而可以减少环境温度变化对光栅调谐器的扫描角度偏移影响，提高对扫描角度控制的准确性。

c、根据探测器接收到的反射光，确定被测物体的距离。

具体为：确定激光信号发射与反射光接收之间的时间差，根据该时间差，确定被测物体的距离。

7)激光雷达还包括电源电路、通信电路和透镜。

其中，电源电路和通信电路分别与MCU连接。电源电路为稳压、防反接等电源保护电路与12V-5V等电压转换电路。通信电路指与外部通信的接口电路，例如控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)接口、以太网(Ethernet)接口等。

透镜与光栅调谐器连接，用于将光栅调谐器发射的激光信号发散到当前的扫描角度的方向。

本发明实施例中的激光雷达，采用光栅调谐器作为扫描器件，光栅调谐器本身是光路可逆器件，发射光和接收光为同光路，因此，无需严格的光学对准调试，工艺简单，并且光栅调谐器可以采用集成光电子技术，全固态，调制响应快，可以直接与光纤耦合，提高集成度，并且采用光纤环形器或光纤隔离器与光纤耦合器作为光路选择器件，连接激光器、扫描器件和探测器，从而可以使得本发明实施例中激光雷达内部光路均在光纤内部传输，能量损耗小，集成度高，机械结构简单，信噪比高，可以降低成本，提高可靠性，便于大规模量产应用。

本发明实施例中的激光雷达相较于图1和图2所示的现有中的激光雷达，实现了收发同光路，结构简单，集成度高，而且相较于图3所示的现有技术中的固态激光雷达，能量损耗小，可以实现激光雷达内部光路均在光纤内部传输，图3中所示的激光雷达虽然也可以实现收发同光路，但是相同的激光信号发射功率，图3中的激光雷达中探测器接收到的反射光的信号强度只有发射功率的1/4。

值得说明的是，本发明实施例中的结构示意图是为了更加清楚地说明本发明实施例中的技术方案，并不构成对本发明实施例提供的技术方案的限制，并且激光雷达中各器件，也可以根据实际情况和需求，将多个器件集成在一起，通过一个集成的器件来实现多个功能，例如，在实际实现时，每个器件可以是一个单独的芯片，独立存在，也可以集成在一个芯片上实现，例如将光开关和光栅调谐器集成在一个芯片上实现，当然也并不仅限于自动驾驶应用领域，对于其它的结构和业务应用，本发明实施例提供的技术方案对于类似的问题，同样适用。

下面采用一个具体应用场景对上述实施例进行进一步说明，本发明实施例中的激光雷达可以应用于自动驾驶车辆系统，可以用于定位、障碍物检测等，参阅图8所示，为本发明实施例中车辆驾驶系统结构示意图，至少包括上述实施例中的激光雷达和控制中心，控制中心与激光雷达的MCU连接，用于接收激光雷达确定的被测物体的距离，用于车辆的驾驶。

在自动驾驶应用领域，激光雷达是自动驾驶系统的核心器件，本发明实施例中激光雷达集成度高，结构简单，将其应用于自动驾驶车辆系统中，高集成度的固态激光雷达可以有效降低成本，提高可靠性，从而可以推进激光雷达的量产和应用。

本发明各个实施例中，以激光雷达测量方法应用于图4和图5所示的激光雷达结构为例进行示意性说明。

基于上述实施例，参阅图9所示，为本发明实施例中一种激光雷达测量方法流程图，该方法主要应用于激光雷达的MCU，该方法包括：

步骤900：MCU初始化。

步骤901：控制光开关切换。

具体地，通过光开关控制电路，控制光开关切换至当前的光开关通道。

步骤902：获取温度传感器当前检测到的激光雷达的内部环境温度。

步骤903：确定光栅调谐器温度补偿后，控制光栅调谐器当前的扫描角度。

具体为：获取温度传感器当前检测到的激光雷达的内部环境温度；根据确定的下一次的扫描角度，以及光栅调谐器的温度与扫描角度映射关系，确定下一次的扫描角度对应的温度；根据内部环境温度和对应的温度，确定光栅调谐器的实际控制需要的调整温度，并根据光栅调谐器的实际控制需要的调整温度，以及光栅调谐器的电压与温度映射关系，确定光栅调谐器对应的电压；根据对应的电压，向光栅调制电路发送电压控制信号，通过光栅调制电路，控制光栅调谐器调整为下一次的扫描角度。

从而可以不断调整光栅调谐器当前的扫描角度，以使光栅调谐器完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描。

步骤904：控制激光器发射激光信号。

步骤905：开始计时。

步骤906：探测器读数。

本发明实施例中，探测器会显示信号强度，若接收到反射光，则信号强度会很高，可以设置一定阈值通过探测器读数，若确定大于阈值，则确定检测到返回的反射光。

步骤907：判断是否检测到返回的反射光，若是，则执行步骤908，否则，则继续执行步骤907。

也就是说，当检测到反射光，即认为有被测物体，从而可以利用飞行时间法计算出被测物体的距离，若未检测到反射光，则继续检测，直到检测到反射光为止。

步骤908：停止计时。

步骤909：计算被测物体的距离。

这时，得到本次扫描，即在当前光开关通道、当前扫描角度下检测到的被测物体的距离。

步骤910：判断是否完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描，若是，则执行步骤911，否则，则执行902。

步骤911：判断是否切换完光开关所有的光开关通道，若是，则执行步骤912，否则，则返回执行步骤901。

即判断光栅调谐器是否完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描，若否，则可以返回继续执行步骤902，直至确定光栅调谐器完成在当前光开关通道下的单线扫描，然后切换光开关，循环执行，使光栅调谐器继续完成在切换后的光开关通道下的单线扫描，直至光栅调谐器完成在所有光开关通道下的单线扫描，即切换完光开关所有的光开关通道。

即本发明实施例中，通过光开关切换和光栅调谐器扫描角度的调整，先使得光栅调谐器完成在当前光开关通道下的单线扫描，实现对被测物体在X方向的扫描，然后，在X方向角度完成扫描后，即完成在当前光开关通道下的单线扫描后，改变光开关通道，开始Y方向扫描，即变化Y向角度，重新再扫描X方向的所有角度，遍历光开关的所有光开关通道，从而可以完成整个X、Y方向的扫描，即实现光栅调谐器在光开关所有光开关通道下的单线扫描。

步骤912：通信输出结果。

即这时获取到激光雷达对整个区域的扫描测量结果。

步骤913：判断是否停止检测，若是，则执行步骤914，否则，则返回继续执行步骤901。

也就是说，激光雷达的扫描测量是循环执行的，一个大的循环，开始检测障碍物，实现光栅调谐器在所有关开关通道下的单线扫描，输出整个X、Y方向的扫描的障碍物检测结果，然后，判断是否停止障碍物检测，若否，则开始下一次大的循环，重新切换光开关通道以及光栅调谐器的扫描角度，若是，则停止检测，例如车辆停止自动驾驶功能，不再进行障碍物检测，则就不需要再次循环检测了。

步骤914：结束。

这样，例如在自动驾驶车辆应用领域，通过激光雷达工作，即可实时得到前方道路的三维轮廓，从而可以判断障碍物与可行驶区域，提高自动驾驶准确性和安全性。

基于上述实施例，参阅图10所示，为本发明实施例中的另一种激光雷达测量方法流程图，该方法主要应用于激光雷达，该方法包括：

步骤1000：根据光栅调谐器当前的扫描角度，发射激光信号。

其中，激光雷达至少包括MCU和光栅调谐器、关开关。

则在执行步骤1000时，具体包括：将激光信号分别经由光开关当前的光开关通道、以及光栅调谐器当前的扫描角度，发射出去。

也就是说，本发明实施例中，激光雷达在发射激光信号时，激光信号经由光开关当前的光开关通道、光栅调谐器当前的扫描角度，最后发射出去。

进一步地，本发明实施例中，还可以调整光开关当前的光开关通道和光栅调谐器当前的扫描角度，以实现对整个目标区域的扫描，具体地提供了一种可能的实施方式：

1)调整光栅调谐器的扫描角度。

具体地：若确定光栅调谐器未完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描，则进一步包括：通过MCU向光栅调谐器发送电压控制信号；通过电压控制信号，对光栅调谐器进行加热，调整光栅调谐器当前的扫描角度，以使光栅调谐器完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描。

这样，通过光开关不同的光开关通道、光栅调谐器不同的扫描角度，实现光栅调谐器在所有光开关通道下的单线扫描。

进一步地，随着激光雷达的工作，其内部环境温度会发生变化，为提高对光栅调谐器扫描角度调整的准确性，本发明实施例中还可以根据当前的内部环境温度，来调整光栅调谐器的扫描角度，具体地提供了一种可能的实施方式：获取当前检测到的内部环境温度；通过MCU，根据确定的下一次的扫描角度，以及温度与扫描角度映射关系，确定下一次的扫描角度对应的温度；根据内部环境温度和对应的温度，确定光栅调谐器的实际控制需要的调整温度；根据调整温度，以及电压与温度映射关系，确定光栅调谐器对应的电压；根据对应的电压，向光栅调谐器发送电压控制信号，将光栅调谐器当前的扫描角度调整为下一次的扫描角度。

2)调整关开关的光开关通道。

具体地：若确定光栅调谐器完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描，则进一步包括：判断是否切换完光开关所有的光开关通道，并确定未切换完光开关所有的光开关通道时，切换光开关当前的光开关通道，以使光开关在光栅调谐器完成在光开关当前的光开关通道下的单线扫描后，切换到另一个光开关通道。

步骤1010：接收被测物体返回的反射光。

步骤1020：根据接收到的反射光，确定被测物体的距离。

基于上述实施例，本发明实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意方法实施例中的激光雷达测量方法。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种激光雷达，包括激光器，其特征在于，还包括：光路选择器件、光开关、光栅调谐器、探测器和微控制单元MCU；

所述光路选择器件包括第一端口、第二端口和第三端口，所述激光器通过第一端口连接所述光路选择器件，所述光开关连接在所述第二端口与光栅调谐器之间，所述探测器通过所述第三端口连接所述光路选择器件；

所述MCU分别与所述激光器、光开关、光栅调谐器、探测器通信连接。

2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括激光器驱动电路；所述激光器通过所述激光器驱动电路与所述MCU连接。

3.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括光开关控制电路；所述光开关控制电路连接在所述MCU与所述光开关之间。

4.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括用于对所述光栅调谐器进行加热的光栅调制电路；所述光栅调制电路连接在所述MCU与所述光栅调谐器之间。

5.如权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括温度传感器；所述温度传感器与所述MCU连接。

6.如权利要求1-5任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述光路选择器件为光纤环形器。

7.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括处理电路；所述处理电路分别与所述探测器和所述MCU连接。

8.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括电源电路、通信电路和透镜；所述电源电路和所述通信电路分别与MCU连接；所述透镜与所述光栅调谐器连接。

9.一种激光雷达测量方法，其特征在于，包括：

根据光栅调谐器当前的扫描角度，发射激光信号；

接收被测物体返回的反射光；

根据接收到的反射光，确定所述被测物体的距离。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述激光雷达还包括光开关；

则根据光栅调谐器当前的扫描角度，发射激光信号，具体包括：

将激光信号分别经由所述光开关当前的光开关通道、以及所述光栅调谐器当前的扫描角度，发射出去。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述激光雷达至少包括微控制单元MCU和光栅调谐器；

若确定所述光栅调谐器未完成在所述光开关当前的光开关通道下的单线扫描，则进一步包括：

通过所述MCU向所述光栅调谐器发送电压控制信号；

通过所述电压控制信号，对所述光栅调谐器进行加热，调整所述光栅调谐器当前的扫描角度，以使所述光栅调谐器完成在所述光开关当前的光开关通道下的单线扫描。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，通过所述电压控制信号，对所述光栅调谐器进行加热，调整所述光栅调谐器当前的扫描角度，具体包括：

获取当前检测到的内部环境温度；

通过所述MCU，根据确定的下一次的扫描角度，以及温度与扫描角度映射关系，确定下一次的扫描角度对应的温度；

根据所述内部环境温度和所述对应的温度，确定所述光栅调谐器的实际控制需要的调整温度；

根据所述调整温度，以及电压与温度映射关系，确定所述光栅调谐器对应的电压；

根据所述对应的电压，向所述光栅调谐器发送电压控制信号，将所述光栅调谐器当前的扫描角度调整为所述下一次的扫描角度。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，若确定所述光栅调谐器完成在所述光开关当前的光开关通道下的单线扫描，则进一步包括：

判断是否切换完光开关所有的光开关通道，并确定未切换完光开关所有的光开关通道时，切换所述光开关当前的光开关通道，以使光开关在所述光栅调谐器完成在所述光开关当前的光开关通道下的单线扫描后，切换到另一个光开关通道。

14.一种车辆驾驶系统，其特征在于，至少包括所述权利要求1-8任一项所述的激光雷达和控制中心，其中，

所述控制中心与所述激光雷达的微控制单元MCU连接，用于接收所述激光雷达获得的被测物体的距离，用于车辆的驾驶。