CN110471071B - 一种多线状光型全固态激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多线状光型全固态激光雷达，特征是包括若干线状光激光发射模块，光电探测模块及信号处理电路板；线状光激光发射模块设置在光电探测模块两侧；线状光激光发射模块由激光器、聚焦凸透镜及线状光透镜依次排列构成；光电探测模块包括依次排列的多元线列探测器、滤光片、成像透镜组或单个凸透镜，还有读出线路板；多元线列探测器连读出线路板，读出线路板及激光器连信号处理电路板；线状光透镜的中心与成像透镜组的第一透镜中心或单个凸透镜中心处于左右向同一竖直平面的同一水平线上；各线状光激光发射模块线状光的俯仰角具有不同角度，俯仰角顶点为线状光透镜中心。本发明优点是:得到目标的轮廓信息，提高探测距离。

Description

一种多线状光型全固态激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种多线状光型全固态激光雷达。

背景技术

现今自动驾驶技术、无人机探测技术等逐渐兴起，这些技术的关键是要实现对目标的精确探测，实现实时获取目标的轮廓信息、距离信息、方位信息，为了满足上述需要，就需要采用激光雷达。激光雷达作为目标探测的核心部件，其性能直接影响目标探测结果，开发高性能激光雷达成为行业研究的热点。

按照扫描方式分类，激光雷达可以分为机械式激光雷达、MEMS激光雷达、全固态激光雷达。由于机械式激光雷达存在宏观转动的部件，导致其质量大、稳定性差、使用寿命短，单个测量单元配准难度高，因此价格昂贵，难以大规模量产，没有被广泛应用。而MEMS激光雷达和全固态激光雷达相对于机械式激光雷达具有更小的体积和更高的稳定性，但是由于MEMS扫描镜的关键技术没有解决，MEMS激光雷达发展缓慢，并未商业化。为适应市场的需要，并克服机械式激光雷达的缺点，国内外对激光雷达的研究逐渐转移到全固态激光雷达。

近些年面阵式全固态激光雷达的研究取得了较大进展。面阵式全固态激光雷达是将单点激光通过发散透镜变为面光照射目标，然后用多元面阵探测器接收目标的像，多元面阵探测器的每一单元探测器得到目标上对应点的距离信息和方位信息，从而得到整个目标的信息，可以还原目标轮廓。这种面阵式全固态激光雷达的缺点是面光的能量衰减迅速，导致探测距离短。为了克服面阵光探测距离短的缺点，近年，LeddarTech公司研究了一款基于一条带状光的全固态激光雷达，它是将单点激光通过透镜变为比面光窄的带状光，然后用多元线列探测器接收目标的像，虽然提高了探测距离，但是多元线列探测器是多个单元探测器按列或行排列形成的，得到的只是目标某一方向上的点的信息，视场范围窄，且点云数量少，所以没有目标的轮廓信息，不能进行目标检测、目标分类、目标识别，难以运用到自动驾驶或无人机探测技术领域。尽管解决这个问题可以用多元面阵探测器替换多元线列探测器，但是这样会增加成本，且会提高接收电路的复杂度。为此，如何改进现有技术，在使用多元线列探测器的前提下，提高视场范围，并增加点云数量，获得目标的轮廓信息，实现目标检测、目标分类、目标识别，成为业界关注的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于针对上述问题，提供一种多线状光型全固态激光雷达，在采用多元线列探测器的前提下，通过使用多个线状光，提高视场范围，并增加点云数量，既得到了目标的轮廓信息，也进一步提高了探测距离。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多线状光型全固态激光雷达，其特征在于包括若干线状光激光发射模块，光电探测模块及信号处理电路板；所述若干线状光激光发射模块沿左右方向设置在所述光电探测模块左右两侧；所述线状光激光发射模块由激光器、聚焦凸透镜及线状光透镜沿前后方向由后至前依次排列构成；所述光电探测模块，包括沿前后方向由后至前依次排列的多元线列探测器、滤光片、成像透镜组或单个凸透镜，还包括读出线路板，所述多元线列探测器连接所述读出线路板的电流信号输入端，所述读出线路板的电压信号输出端连接所述信号处理电路板的探测信号输入端，所述激光器连接所述信号处理电路板的激光信号输出端；所述线状光透镜的中心与成像透镜组的第一透镜中心或者单个凸透镜的中心处于沿左右方向的同一竖直平面的同一水平线上；在探测的目标上形成多条水平线状光的各个线状光激光发射模块发出的沿前后方向的线状光其俯仰角分别具有不同的角度，且所述俯仰角的顶点为线状光透镜的中心；所述成像透镜组的第一透镜或单个凸透镜与多元线列探测器共中心线设置；所述多条水平线状光，经过成像透镜组或单个凸透镜及滤光片成像在多元线列探测器上。

所述多元线列探测器采用APD探测器、PIN探测器或PMT探测器。

所述线状光激光发射模块发出的线状光的俯仰角其角度范围为大于-90°，小于+90°。

所述光电探测模块左右两侧的线状光激光发射模块间的距离为0-50mm。

本发明的有益效果是：克服了现有技术的缺陷，现有技术是将单点激光通过透镜变为比面光窄的带状光，然后用多元线列探测器接收目标的像，虽然与面阵光探测距离短的缺点相比提高了探测距离，但是多元线列探测器得到的只是目标某一方向上的点的信息，视场范围窄，且点云数量少，所以没有目标的轮廓信息，不能进行目标检测、目标分类、目标识别，难以运用到自动驾驶领域及无人机探测技术领域。与现有技术比，采用本发明提供的多线状光型全固态激光雷达，由于采用了若干线状光激光发射模块，沿左右方向设置在所述光电探测模块左右两侧；因此获得多个线状光，并用透镜成像的方法将多个线状光成像在同一多元线列探测器上，由此，视场范围增宽，点云数据显著提高，可获得点的距离信息、方位信息，从而还原目标的轮廓信息，实现了对目标轮廓的探测。同时由于线状光相对于面光和带状光的发散角度更小，能量衰减小，所以在现有技术基础上进一步提高了探测距离。且与采用多元面阵探测器相比，成本低，接收电路结构简单。本发明完全可以应用到自动驾驶及无人机探测技术领域

附图说明

图1是本发明的主视结构及其在探测目标应用中的发光原理示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的侧视图；

图4是线状光激光发射模块的线状光成像在多元线列探测器上的水平线状光。

图中：A1-A8线状光激光发射模块；1a激光器，2a聚焦凸透镜，3a线状光透镜；B光电探测模块，1b多元线列探测器，2b滤光片,3b成像透镜组，4b读出线路板，C信号处理电路板，C1-C8激光信号输出端，C9探测信号输入端，D目标。

以下结合附图和实施例对本发明详细说明。

具体实施方式

图1-3示出一种多线状光型全固态激光雷达，其特征在于包括若干线状光激光发射模块，光电探测模块B及信号处理电路板C,所述若干线状光激光发射模块沿左右方向设置在所述光电探测模块左右两侧；在实际应用中，线状光激光发射模块的数量是根据对探测目标需要的点云数据的多少或者对目标轮廓的清晰程度要求来确定的。如图2所示，本实施例中设置了8个线状光激光发射模块A1-A8，每侧4个沿左右方向设置在所述光电探测模块B的左右两侧。线状光激光发射模块A1-A4在光电探测模块B左侧，线状光激光发射模块A5-A8在光电探测模块B右侧。所述光电探测模块B左右两侧的线状光激光发射模块间的距离为0-50mm。即线状光激光发射模块A1-A4、A5-A8间的距离为0-50mm。线状光激光发射模块间的距离大小是根据现场应用中全固态激光雷达的规格大小来确定的。本实施例为一小型全固态激光雷达，线状光激光发射模块A1-A4、A5-A8间的距离为2mm。为了布局规整，线状光激光发射模块A1-A4、A5-A8间的距离相同，为均布设置，但在应用中，适应不同雷达的结构布局，线状光激光发射模块间的距离也可以是不相同的。

所述线状光激光发射模块A1-A8具有相同结构，分别由激光器1a、聚焦凸透镜2a及线状光透镜3a沿前后方向由后至前依次排列构成。

所述光电探测模块B，包括沿前后方向由后至前依次排列的多元线列探测器1b、滤光片2b、成像透镜组或单个凸透镜，还包括读出线路板4b。本实施例中，采用了成像透镜组3b。多元线列探测器1b连接所述读出线路板4b的电流信号输入端(未示出)，经读出线路的电流电压转换，所述读出线路板4b的电压信号输出端(未示出)连接所述信号处理电路板C的探测信号输入端C9，所述激光器1a连接所述信号处理电路板C的激光信号输出端。本例中，8个线状光激光发射模块A1-A8的激光器1a分别连接信号处理电路板C的激光信号输出端C1-C8。

所述线状光透镜3a的中心与成像透镜组的第一透镜中心或者单个凸透镜的中心处于沿左右方向的同一竖直平面的同一水平线上。本实施例中，采用了8个线状光透镜3a，并采用了成像透镜组3b，因此，8个线状光激光发射模块A1-A8的线状光透镜3a的中心与成像透镜组3b的第一透镜中心处于沿左右方向的同一竖直平面的同一水平线上。

在探测的目标D上形成8条水平线状光S1-S8的各个线状光激光发射模块A1-A8发出的沿前后方向的线状光其俯仰角分别具有不同的角度，且所述俯仰角的顶点分别为所述8个线状光透镜3a的中心。所述线状光激光发射模块发出的线状光的俯仰角其角度范围为大于－90°，小于+90°。

所述成像透镜组第一透镜或单个凸透镜与多元线列探测器共中心线设置,本例中，采用了成像透镜组3b，如图1-图3所示，所述成像透镜组3b的第一透镜与多元线列探测器1b共中心线设置。

探测的目标上的8条水平线状光S1-S8，经过成像透镜组3b及滤光片2b成像在多元线列探测器1b上。

在实际制作中多元线列探测器1b采用APD探测器、PIN探测器或PMT探测器。这里，APD探测器即为雪崩光电二极管探测器，PIN探测器即为P型半导体－杂质－N型半导体探测器；PMT探测器即为光电倍增管探测器。

以下结合图1-4，对本实施例的多线状光型全固态激光雷达的应用及原理进行说明：

首先确定该多线状光型全固态激光雷达的设置及器件，如上所述，本例中设置了8个线状光激光发射模块A1-A8，因此采用8个激光器1a。多元线列探测器3b选择雪崩光电二极管探测器APD，元数选择为64。并选择视场为16度的成像透镜组1b。

线状光激光发射模块A1-A4位于光电探测模块B的左边，线状光激光发射模块A5-A8位于光电探测模块B的右边，线状光激光发射模块A1-A4、A5-A8间的距离为2mm。

8个线状光激光发射模块A1-A8的线状光透镜3a的中心与成像透镜组1b的第一透镜中心处于沿左右方向的同一竖直平面的同一水平线上。

8个线状激光发射模块A1-A8的激光器3a分别连接所述信号处理电路板C的激光信号输出端C1-C8。每一个线状激光发射模块基于其内含的激光器发射一条线状光，8个线状激光发射模块A1-A8可以发出8条线状光。8条线状光激光发射模块A1-A8发出的沿前后方向的线状光的俯仰角分别具有不同的角度，且所述俯仰角的顶点为线状光透镜3a的中心,这样8条线状光便不会重合，所发射的线状光在成像透镜组3b的视场范围内。本例中，线状光激光发射模块A1-A8的俯仰角β1-β8分别具有不同的角度，具体调定的角度是：线状光激光发射模块A1-A4设置为俯角，角度值分别为：β1＝-2°，β2＝-4°，β3＝-6°，β4＝-8°。线状光激光发射模块A5～A8设置为仰角，角度值分别为：β5＝+2°，β6＝+4°，β7＝+6°，β8＝+8°。这样保证了所发射的线状光均匀分布在成像透镜组3b的视场范围内。

多元线列探测器1b位于成像透镜组3b之后，所述成像透镜组3b的第一透镜与多元线列探测器1b共中心线设置，本例中，多元线列探测器1b为64元线列探测器，其各元线列探测器的中心与成像透镜组3b的第一透镜中心平齐，且多元线列探测器1b位于成像透镜组3b所成清晰像的附近。

如图1所示，8个线状光激光发射模块A1-A8发射的线状光在探测的目标D上形成8条水平线状光S1～S8，进而，如图4所示，8条水平线状光S1-S8，经过成像透镜组3b、滤光片2b成像在多元线列探测器1b上，形成8条水平线状光S1＇-S8＇。也即线状光在成像透镜组3b的视场范围内的部分都被成像在64元APD探测器上，将每一条水平线状光S1＇-S8＇分为64份，8条水平线状光被分为64*8＝512份，等价地得到目标D上512个点的信息，该信息从多元线列探测器1b传输到读出线路板4b的电流信号输入端，经过读出线路的电流电压转换，从读出线路板的电压信号输出端将电压信号传输到所述信号处理电路板C的探测信号输入端C9，经过信号处理电路板C处理后即可得到512个点云数据，点云数据包括点的距离信息、方位信息，从而还原目标的轮廓信息。

综上所述，可以看出，现有技术，是将单点激光通过透镜变为比面光窄的带状光，然后用多元线列探测器接收目标的像，虽然提高了探测距离，但是多元线列探测器得到的只是目标某一方向上的点的信息，视场范围窄，且点云数量少，所以没有目标的轮廓信息，不能进行目标检测、目标分类、目标识别，难以运用到自动驾驶和无人机探测技术领域。与现有技术比，采用本发明提供的多线状光型全固态激光雷达，由于采用了多个线状光激光发射模块，沿左右方向设置在所述多元光电探测模块左右两侧；因此获得多条线状光，并用透镜成像的方法将多条线状光成像在同一多元线列探测器上。由此，视场范围增宽，点云数据显著提高，可获得点的距离信息、方位信息，从而还原目标的轮廓信息，实现了对目标轮廓的探测。同时由于线状光相对于面光和带状光的发散角度更小，能量衰减小，所以在现有技术基础上进一步提高了探测距离。且与采用多元面阵探测器相比，成本低，接收电路结构简单。本发明提供的多线状光型全固态激光雷达完全可以应用到自动驾驶及无人机探测技术领域。

以上内容并非对本发明的结构、形状及材料作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种多线状光型全固态激光雷达，其特征在于包括若干线状光激光发射模块，光电探测模块及信号处理电路板；所述若干线状光激光发射模块沿左右方向设置在所述光电探测模块左右两侧；所述线状光激光发射模块由激光器、聚焦凸透镜及线状光透镜沿前后方向由后至前依次排列构成；所述光电探测模块，包括沿前后方向由后至前依次排列的多元线列探测器、滤光片、成像透镜组或单个凸透镜，还包括读出线路板，所述多元线列探测器连接所述读出线路板的电流信号输入端，所述读出线路板的电压信号输出端连接所述信号处理电路板的探测信号输入端，所述激光器连接所述信号处理电路板的激光信号输出端；所述线状光透镜的中心与成像透镜组的第一透镜中心或者单个凸透镜的中心处于沿左右方向的同一竖直平面的同一水平线上；在探测的目标上形成多条水平线状光的各个线状光激光发射模块发出的沿前后方向的线状光其俯仰角分别具有不同的角度，且所述俯仰角的顶点为线状光透镜的中心；所述成像透镜组的第一透镜或单个凸透镜与多元线列探测器共中心线设置；所述多条水平线状光，经过成像透镜组或单个凸透镜及滤光片成像在多元线列探测器上。

2.根据权利要求1所述的一种多线状光型全固态激光雷达，其特征在于所述多元线列探测器采用APD探测器、PIN探测器或PMT探测器。

3.根据权利要求1或2所述的一种多线状光型全固态激光雷达,其特征在于所述线状光激光发射模块发出的线状光的俯仰角其角度范围为大于-90°，小于+90°。

4.根据权利要求1或2所述的一种多线状光型全固态激光雷达,其特征在于所述光电探测模块左右两侧的线状光激光发射模块间的距离为0-50mm。

5.根据权利要求3所述的一种多线状光型全固态激光雷达,其特征在于所述光电探测模块左右两侧的线状光激光发射模块间的距离为0-50mm。

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