CN110161517A - 激光雷达系统和激光扫描控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种激光雷达系统和激光扫描控制方法。该激光雷达系统可以包括：激光发射模组、双折射棱镜、振镜和激光接收模组；激光发射模组，用于发射激光光束；双折射棱镜，用于将激光光束分离成出射向振镜的第一激光和第二激光；第一激光和第二激光之间存在夹角；振镜，用于将第一激光和第二激光反射至探测区域的不同位置；激光接收模组，用于分别接收从探测区域反射回来的第一回波光束和第二回波光束；其中，第一回波光束为第一激光被探测区域内的物体反射返回的激光，第二回波光束为第二激光被探测区域内的物体反射返回的激光。采用本实施例的激光雷达系统可以提高扫描视场角。

Description

激光雷达系统和激光扫描控制方法

技术领域

本申请涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种激光雷达系统和激光扫描控制方法。

背景技术

目前，激光雷达技术的一个主要问题是如何实现光束的扫描，这也是激光雷达技术在激光测距技术上更进一步的关键所在。

其中，微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)激光雷达，一般使用MEMS振镜的振动实现光束扫描。但是MEMS激光雷达的一个主要问题是MEMS振镜的偏转角度有限，导致扫描角度不够，从而限制了扫描视场范围。通常单个的MEMS振镜的机械扫描角度一般是±5°，即扫描视场角为±10°，这对于自动驾驶或者辅助驾驶等场景的扫描视场是远远不够的。

总之，目前的激光雷达系统存在扫描视场角过小的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高扫描视场角的激光雷达系统和激光扫描控制方法。

第一方面，一种激光雷达系统，包括：激光发射模组、双折射棱镜、振镜和激光接收模组；

所述激光发射模组，用于发射激光光束；

所述双折射棱镜，用于将所述激光光束分离成出射向所述振镜的第一激光和第二激光；所述第一激光和所述第二激光之间存在夹角；

所述振镜，用于将所述第一激光和所述第二激光反射至探测区域的不同位置；

所述激光接收模组，用于分别接收从所述探测区域反射回来的第一回波光束和第二回波光束；其中，所述第一回波光束为所述第一激光被探测区域内的物体反射返回的激光，所述第二回波光束为所述第二激光被探测区域内的物体反射返回的激光。

在其中一个实施例中，所述激光接收模组包括第一探测器阵列和第二探测器阵列，所述第一探测器阵列对应接收所述第一回波光束，所述第二探测器阵列对应接收所述第二回波光束。

在其中一个实施例中，所述激光雷达系统还包括：反射镜，所述反射镜位于所述激光光束的出射光路上，用于将所述激光光束反射至所述双折射棱镜。

在其中一个实施例中，所述双折射棱镜位于所述激光发射模组和所述振镜之间的光路上。

在其中一个实施例中，所述双折射棱镜为沃拉斯顿棱镜或洛匈棱镜。

在其中一个实施例中，所述夹角小于或等于所述振镜的光学扫描角度。

在其中一个实施例中，所述振镜为MEMS振镜。

在其中一个实施例中，所述夹角与所述双折射棱镜的尺寸和材料相关。

在其中一个实施例中，所述双折射棱镜的材料包括以下内容中的至少一种：石英、氟化镁、α-偏硼酸钡、方解石。

在其中一个实施例中，所述激光发射模组包括：光源和准直透镜；所述光源用于发射激光光束，所述准直透镜，用于对所述激光光束进行准直处理。

在其中一个实施例中，所述激光接收模组还包括：接收聚焦透镜；所述接收聚焦透镜用于将所述第一回波光束和所述第二回波光束分别聚焦到所述第一探测器阵列和所述第二探测器阵列。

第二方面，一种激光扫描控制方法，应用于上述的激光雷达系统；所述方法包括：

所述激光发射模组发射激光光束；

所述双折射棱镜将所述激光光束分离成出射向所述振镜的第一激光和第二激光；所述第一激光和所述第二激光之间存在夹角；

所述振镜将所述第一激光和所述第二激光反射至探测区域的不同位置；

所述激光接收模组分别接收从所述探测区域反射回来的第一回波光束和第二回波光束；其中，所述第一回波光束为所述第一激光被探测区域内的物体反射返回的激光，所述第二回波光束为所述第二激光被探测区域内的物体反射返回的激光。

上述激光雷达系统和激光扫描控制方法，相比于传统的激光雷达系统中振镜将激光光束反射至探测区域的技术方案而言，在本实施例中双折射棱镜可以将激光光束分离成存在夹角的第一激光和第二激光，振镜可以将第一激光和第二激光反射至探测区域的不同位置，即当振镜扫描角度一定时，探测区域上存在两个不同位置的扫描光斑，提高了单次扫描区域的大小，而当振镜振动进行扫描时，扫描范围相当于两个不同位置的扫描光斑运动范围的叠加，可以提高激光雷达系统的扫描视场角和扫描范围，同时等效地提高了激光雷达系统的输出点频，简化了激光雷达系统，降低了成本。

附图说明

图1为一个实施例中激光雷达系统的结构示意图；

图2为一个实施例中激光雷达系统的结构示意图；

图3为一个实施例中沃拉斯顿棱镜的光束分离示意图；

图4为一个实施例中激光扫描控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

参照图1，示出了本实施例中的一种激光雷达系统的结构示意图。其中，激光雷达系统10可以包括：激光发射模组101、双折射棱镜102、振镜103和激光接收模组104；

激光发射模组101，用于发射激光光束；

双折射棱镜102，用于将激光光束分离成出射向振镜103的第一激光和第二激光；第一激光和第二激光之间存在夹角；

振镜103，用于将第一激光和第二激光反射至探测区域105的不同位置；

激光接收模组104，用于分别接收从探测区域105反射回来的第一回波光束和第二回波光束；其中，第一回波光束为第一激光被探测区域内的物体反射返回的激光，第二回波光束为第二激光被探测区域内的物体反射返回的激光。

需要说明的是，双折射棱镜具有光束分离功能，且分离的第一激光和第二激光之间存在夹角；凡是满足该条件的光学器件均可以作为本实施例中的双折射棱镜。示例性地，双折射棱镜可以由两个具有不同光轴特性的晶体构成。

可以理解的是，相比于传统的激光雷达系统中振镜将激光光束直接反射至探测区域的技术方案而言，在本实施例中双折射棱镜可以将激光光束分离成存在夹角的第一激光和第二激光，振镜可以将第一激光和第二激光反射至探测区域的不同位置，即当振镜扫描角度一定时，探测区域上存在两个不同位置的扫描光斑，提高了单次扫描区域的大小，而当振镜振动进行扫描时，扫描范围相当于两个不同位置的扫描光斑运动范围的叠加，可以提高激光雷达系统的扫描视场角和扫描范围，同时等效地提高了激光雷达系统的输出点频，相当于通过一套激光发射模组和激光接收模组实现了两套的扫描效果，简化了激光雷达系统，降低了成本。

在一个实施例中，参照图2所示，激光接收模组104可以包括第一探测器阵列和第二探测器阵列，第一探测器阵列对应接收第一回波光束，第二探测器阵列对应接收第二回波光束。其中，第一探测器阵列和第二探测器阵列均包含多个感光单元且分别对应不同的感光单元。可选的，感光单元可以是APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)、SIPM(Silicon photomultiplier，硅光电倍增管)、SPAD(Single Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管)、MPPC(硅光电倍增管)、PMT(photomultiplier tube，光电倍增管)等。

在本实施例中，通过第一探测器阵列接收第一回波光束，通过第二探测器阵列接收第二回波光束，实现对第一回波光束和第二回波光束的并行接收，降低了对第一回波光束的接收和对第二回波光束的接收之间的干扰。

在一个实施例中，参照图2所示，激光发射模组101可以包括：光源和准直透镜；光源用于发射激光光束，准直透镜，用于对激光光束进行准直处理；以实现激光光束的平行出射，避免发散。此外，激光接收模组104还可以包括：接收聚焦透镜；接收聚焦透镜用于将第一回波光束和第二回波光束分别聚焦到第一探测器阵列和第二探测器阵列上；通过对回波光束的聚焦，增加第一探测器阵列和第二探测器阵列对回波光束的接收检测效率，增加对回波光束的接收，避免漏检，保证探测能力。可选的，准直透镜或接收聚焦透镜可以包括以下任一种：球透镜、球透镜组、柱透镜组。

参照图2所示，激光雷达系统10还可以包括：反射镜106，反射镜106位于激光光束的出射光路上，用于将激光光束反射至双折射棱镜102。

其中，反射镜可以是平面反射镜、柱面反射镜等，其形状、倾斜角度等均可以根据实际情况而定，本实施例对此不做限定。相比于图1中激光发射模组直接将激光光束发射至双折射棱镜的技术方案而言，在图2所示的激光雷达系统中，反射镜可以用于将激光发射模组发出的激光光束反射到双折射棱镜上以进行光束分离，因此激光发射模组的位置和发射方向可以更灵活的进行布置，例如可以实现如图2中的布置，通过反射镜实现光路折叠，激光发射模组和激光接收模组可以并排布置且距离更近，使得整个激光雷达系统的结构可以更紧凑，降低激光雷达系统的体积。

在一个实施例中，参照图1和图2所示，双折射棱镜102可以位于激光发射模组101和振镜103之间的光路上，以实现激光光束的直接分离，避免经过多个光路导致的损耗。实际中，激光发射模组和振镜之间还可以存在透镜、玻片等其它光学器件。

可选地，上述夹角小于或等于振镜的光学扫描角度。显然，当双折射棱镜对光束的分离角度(夹角)与振镜的光学扫描角度相等时，若振镜扫描角度一定，探测区域上存在两个不同位置的扫描光斑，而若振镜振动进行扫描，两个扫描光斑对应的扫描范围之间恰好不存在重叠视场且相接，可以实现扫描视场角和扫描范围的倍增；当双折射棱镜对光束的分离角度(夹角)小于振镜的光学扫描角度时，两个扫描光斑对应的扫描范围之间存在重叠视场，扫描密度增加；当双折射棱镜对光束的分离角度大于振镜的光学扫描角度时，两个扫描光斑对应的扫描范围之间存在空白区域，造成漏检，且难以调度其它激光雷达系统进行补充扫描。

因此，在一种实施方式中，夹角小于振镜的光学扫描角度，且夹角与光学扫描角度的差值小于预设阈值，如此两个扫描光斑对应的扫描范围之间的重叠视场较小，同样可以实现扫描视场角和扫描范围的提高。

需要说明的是，夹角与双折射棱镜的尺寸和材料相关，因而可以根据实际需求设计第一激光和第二激光之间的夹角大小。双折射棱镜的材料包括以下内容中的至少一种：石英、氟化镁、α-偏硼酸钡(α-BBO)、方解石；具体地，一般作为双折射棱镜的基底材料。例如，方解石对应的双折射棱镜对光束的分离角度(夹角)相对其他材料更大。

可选地，双折射棱镜为沃拉斯顿棱镜或洛匈棱镜。参照图3所示，以沃拉斯顿棱镜为例，示出了其结构和光束分离示意图。当入射光束是圆偏振光并和光轴成一定角度时，出射光束就会分离成存在夹角的第一激光和第二激光，第一激光和第二激光分别为P偏振光和S偏振光。

相对而言，沃拉斯顿棱镜对光束的分离角度较大，可以和振镜的光学扫描角度匹配，尤其是MEMS振镜(如光学扫描角度±10°)；而洛匈棱镜对光束的分离角度较小，相应经过振镜后的光学扫描角度也会降低。因此，本实施例可以根据不同的扫描需求，选取适配的振镜和双折射棱镜。

可选地，振镜可以为机械式、电子式振镜；特别地，可以为微机电振镜系统或称为MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)振镜，包括但不限于静电式、压电式、电磁式、热电式等不同驱动方式的MEMS振镜，存在重量轻、尺寸小、易控制、精度高等诸多优势。

总的来说，参照图2所示，光源发出的激光光束经过准直透镜准直后成为一束准直平行光束，准直平行光束经过一个反射镜反射到沃拉斯顿棱镜，沃拉斯顿棱镜可以将准直平行光束分离为具有一定夹角的第一激光和第二激光，并且第一激光和第二激光的偏振态不同，一束是P偏振光，一束是S偏振光；第一激光和第二激光经过同一个MEMS振镜反射后射向探测区域，也保持一定的夹角，并且在探测区域上的光斑位置也不同，MEMS振镜二维转动可以将第一激光和第二激光这两束光束分别扫描成一个立体的空间角；这两束光束经探测区域的不同位置反射，形成两束回波光束，进入激光接收模组的接收聚焦透镜，并聚焦到探测器阵列，并被探测器阵列中的不同区域的感光单元分别探测，基于探测到的回波信号可以计算得到探测区域的不同位置的扫描视场数据。

可以理解的是，计算机设备可以与各激光雷达系统通过各种数据接口有线连接，也可以与各激光雷达系统通过各类无线网络无线连接，总之可以获取各激光雷达系统得到的扫描视场数据，并将各扫描视场数据拼接为目标视场数据。

参照图4所示，本实施例还提供了一种激光扫描控制方法，应用于上述激光雷达系统；方法可以包括：

S401，激光发射模组发射激光光束；

S402，双折射棱镜将激光光束分离成出射向振镜的第一激光和第二激光；第一激光和第二激光之间存在夹角；

S403，振镜将第一激光和第二激光反射至探测区域的不同位置；

S404，激光接收模组分别接收从探测区域反射回来的第一回波光束和第二回波光束；其中，第一回波光束为第一激光被探测区域内的物体反射返回的激光，第二回波光束为第二激光被探测区域内的物体反射返回的激光。

关于激光扫描控制方法的具体限定可以参见上文中对于激光雷达系统的限定，在此不再赘述。

本领域技术人员可以理解，图1,2中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

以上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。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：激光发射模组、双折射棱镜、振镜和激光接收模组；

所述激光发射模组，用于发射激光光束；

所述双折射棱镜，用于将所述激光光束分离成出射向所述振镜的第一激光和第二激光；所述第一激光和所述第二激光之间存在夹角；

所述振镜，用于将所述第一激光和所述第二激光反射至探测区域的不同位置；

所述激光接收模组，用于分别接收从所述探测区域反射回来的第一回波光束和第二回波光束；其中，所述第一回波光束为所述第一激光被探测区域内的物体反射返回的激光，所述第二回波光束为所述第二激光被探测区域内的物体反射返回的激光。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光接收模组包括第一探测器阵列和第二探测器阵列，所述第一探测器阵列对应接收所述第一回波光束，所述第二探测器阵列对应接收所述第二回波光束。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述双折射棱镜为沃拉斯顿棱镜或洛匈棱镜。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述夹角小于或等于所述振镜的光学扫描角度。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述振镜为MEMS振镜。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述夹角与所述双折射棱镜的尺寸和材料相关。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双折射棱镜的材料包括以下内容中的至少一种：石英、氟化镁、α-偏硼酸钡、方解石。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光发射模组包括：光源和准直透镜；所述光源用于发射激光光束，所述准直透镜，用于对所述激光光束进行准直处理。

9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述激光接收模组还包括：接收聚焦透镜；所述接收聚焦透镜用于将所述第一回波光束和所述第二回波光束分别聚焦到所述第一探测器阵列和所述第二探测器阵列。

10.一种激光扫描控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9中任一项所述的激光雷达系统；所述方法包括：

所述激光发射模组发射激光光束；

所述双折射棱镜将所述激光光束分离成出射向所述振镜的第一激光和第二激光；所述第一激光和所述第二激光之间存在夹角；

所述振镜将所述第一激光和所述第二激光反射至探测区域的不同位置；

所述激光接收模组分别接收从所述探测区域反射回来的第一回波光束和第二回波光束；其中，所述第一回波光束为所述第一激光被探测区域内的物体反射返回的激光，所述第二回波光束为所述第二激光被探测区域内的物体反射返回的激光。