CN111007479B - 激光雷达探测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光雷达探测系统，包括信号系统和补偿系统，信号系统包括第一激光器、第一透镜、第二透镜和探测器，第一激光器发出的第一光束经第一透镜出射至被测物，由被测物反射的第一反射光束经第二透镜入射至探测器，第二激光器和第一激光器关于第二透镜的光轴对称设置，第二激光器用于向参考物发出第二光束，由参考物反射的第二反射光束入射至探测器。本申请提供的激光雷达探测系统通过将参考物反射的回波信号作为补偿信号以对探测信号进行补偿，提高了激光雷达探测系统的测量精度，同时，第一激光器和第二激光器对称设计，使得两个激光器的发热和散热更加均匀，有利于降低温度漂移对精度的影响，消除温度对激光雷达性能的影响。

Description

激光雷达探测系统

技术领域

本申请涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及激光雷达探测系统。

背景技术

由于温度、环境光等因素的影响，激光雷达测得的距离会出现偏离，使得激光雷达的测量结果会出现较大的误差，例如：温度对激光雷达的影响是系统性的，激光雷达在使用过程中，激光器和电路板以及散热系统等部件都对激光雷达的性能有影响，而现在的激光雷达无法消除温度对测量结果的影响，且无法对激光雷达的测量结果进行误差补偿，因此，如何提高激光雷达的测量精度成为了一个重要的课题。

发明内容

本申请实施例提出了一种激光雷达探测系统，以解决以上问题。

本申请实施例通过以下技术方案来实现上述目的。

本申请实施例提供一种激光雷达探测系统，包括信号系统和补偿系统，信号系统包括第一激光器、第一透镜、第二透镜和探测器，第一激光器用于发出第一光束，第一光束经第一透镜出射至被测物，由被测物反射的第一反射光束经第二透镜入射至探测器；补偿系统包括第二激光器和参考物，第二激光器和第一激光器关于第二透镜的光轴对称设置，第二激光器用于向参考物发出第二光束，由参考物反射的第二反射光束入射至探测器。

在一些实施方式中，第一透镜的光轴和第二透镜的光轴平行，且探测器位于第二透镜的光轴。

在一些实施方式中，第一透镜和第二透镜并排设置，第一透镜和第二透镜之间设置有光学隔离部。

在一些实施方式中，第一透镜和第二透镜并排设置，第一透镜包括第一侧平面，第二透镜包括第二侧平面，第一侧平面与第二侧平面平行，且光学隔离部设置于第一侧平面和第二侧平面之间。

在一些实施方式中，参考物为反光镜或者散射体。

在一些实施方式中，第二透镜包括像侧面，参考物包括反射面，反射面位于像侧面的边缘，且反射面与第二透镜的光轴之间所形成的夹角小于90°。

在一些实施方式中，激光雷达探测系统还包括信号处理系统，第一激光器、第二激光器和探测器均与信号处理系统信号连接，第一激光器和第二激光器的型号相同。

在一些实施方式中，参考物和被测物的材质或颜色相同。

在一些实施方式中，激光雷达探测系统还包括雷达罩体，雷达罩体包括周壁，周壁限定形成收容空间，信号系统和补偿系统均设置于收容空间内，第一光束依次经第一透镜、周壁入射至被测物。

在一些实施方式中，第一透镜和第二透镜中至少有一者为玻璃非球面透镜。

相较于现有技术，本申请实施例提供的激光雷达探测系统通过将参考物反射的回波信号作为补偿信号以对探测信号进行补偿，提高了激光雷达探测系统的测量精度，同时，第一激光器和第二激光器对称设计，使得两个激光器的发热和散热更加均匀，避免温度局部集中，有利于降低温度漂移对精度的影响，进一步提高激光雷达的测量精度，消除温度对激光雷达性能的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的激光雷达探测系统的结构示意图(立体图)；

图2是本申请实施例提供的激光雷达探测系统的纵向截面图(剖切面与雷达罩体的轴向平行)；

图3是本申请实施例提供的激光雷达探测系统的第一透镜、第二透镜以及参考物的组合结构示意图；

图4是本申请实施例提供的激光雷达探测系统的横向截面图(剖切面与雷达罩体的轴向垂直)；

图5是本申请实施例提供的激光雷达探测系统的右视图；

图6是本申请实施例提供的激光雷达探测系统的工作原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1和图2，本申请实施例提供一种激光雷达探测系统100，包括信号系统110和补偿系统120，信号系统110包括第一激光器111、第一透镜112、第二透镜113和探测器114，第一激光器111用于发出第一光束EB1，第一光束EB1经第一透镜112出射至被测物，由被测物反射的第一反射光束RB1经第二透镜113入射至探测器114；补偿系统120包括第二激光器122和参考物121，第二激光器122和第一激光器111关于第二透镜113的光轴OA2对称设置，第二激光器122用于向参考物121发出第二光束EB2，由参考物121反射的第二反射光束RB2束入射至探器114。

本申请实施例提供的激光雷达探测系统100，将参考物121反射的回波信号作为补偿信号以对探测信号进行补偿，提高了激光雷达探测系统100的测量精度，同时，第一激光器111和第二激光器122对称结构设计，使得激光器的发热和散热更加均匀，避免激光雷达探测系统100的局部过热，有利于降低温度漂移对精度的影响，进一步提高激光雷达探测系统100的测量精度，消除温度对激光雷达性能的影响。

请参阅图1和图2，本实施例中，激光雷达探测系统100包括雷达罩体124，雷达罩体124为空心薄壁的圆筒状结构，雷达罩体124可以由玻璃或者光学塑料制成。雷达罩体124包括周壁1241，周壁1241限定形成收容空间1213。在本实施例中，信号系统110和补偿系统120均设置于收容空间1213内。第一光束EB1依次经过第一透镜112、周壁1241入射至被测物。在一些实施方式中，雷达罩体124可以为空心薄壁的半球体或者空心薄壁的半椭圆体结构。

请参阅图2和图3，在本实施例中，第一透镜112和第二透镜113并排设置，且第一透镜112的光轴OA1和第二透镜113的光轴OA2大致平行，第一透镜112和第二透镜113均为平凸镜。具体地，第一透镜112的物侧面S1为凸面，其像侧面S2为平面；第二透镜113的物侧面S3为凸面，其像侧面S4为平面。在一些实施方式中，第一透镜112和第二透镜113可以为双凸镜。在此，对第一透镜112和第二透镜113的具体数量和具体结构不作限定，只要可以分别使得第一光束EB1经第一透镜112出射至被测物，第一反射光束RB1经过第二透镜113入射至探测器114即可。

在一些实施例中，第一透镜112和第二透镜113采用高阶非球面透镜，具体地，第一透镜112和第二透镜113均可以采用直边高阶非球面透镜，第一透镜112包括第一侧平面1121，第一侧平面1121和第一透镜112的光轴OA1大致平行，第一侧平面1121连接于第一透镜112的像侧面S1和其物侧面S2之间；第二透镜113包括第二侧平面1131，第二侧平面1131和第二透镜113的光轴OA2大致平行，且第二侧平面1131连接于第二透镜113的像侧面S3和其物侧面S4之间。

在本实施例中，第一侧平面1121和第二侧平面1131均为平面，且第一侧平面1121和第二侧平面1131平行设置，且第一侧平面1121的相对两个侧边与第二侧平面1131相对的两个侧边齐平。

请参阅图3和图4，在本实施例中，第一透镜112和第二透镜113之间设置有光学隔离部115，光学隔离部115可以由不透光的材料制成，通过设置光学隔离部115可以有效地防止第一透镜112和第二透镜113之间的光束发生串扰，隔离杂散信号的干扰，可极大地提高激光雷达探测系统100的信噪比，扩大测量范围，增加测量精度。其中，光学隔离部115可以是隔离粘胶层，例如：隔离粘胶层可以是不透光胶水，将不透光胶水填充于第一透镜112和第二透镜113之间的空隙以形成隔离。

隔离粘胶层粘接于第一透镜112的第一侧平面1121和第二透镜113的第二侧平面1131之间。这样可以尽可能地减少第一透镜112和第二透镜113之间的间距，以缩小或者消除盲区。通过设置光学隔离部115使得激光雷达探测系统100的测量信号的质量和测距范围均有明显的提升。

在一些实施方式中，也可以直接在第一侧平面1121和第二侧平面1131镀有不透光的膜层，例如：第一侧平面1121和第二侧平面1131涂墨后胶合，第一侧平面1121和第二侧平面1131之间可以是无缝胶合形成胶合面，以减少第一透镜112和第二透镜113之间的间距，增加光束的发射和接收面积，缩小盲区，甚至消除盲区；或者，第一侧平面1121和第二侧平面1131也可以相互贴合设置，由于第一侧平面1121和第二侧平面1131均为平面且相互平行，将两者贴合可以实现两者之间的无缝隙配合，以使发射光路与接收光路尽量接近，即发射光路和接收光路的边缘光线接近而不相交，以避免发射光路和接收光路发生串扰，以达到消除盲区的作用，同时可以减少激光雷达探测系统100的整体结构尺寸。

在一些实施方式中，光学隔离部115也可以是隔离片，其中隔离片的厚度可以根据实际需求设置，将隔离片的厚度尽可能地减薄，这样可以有效地减少第一透镜112和第二透镜113之间的间距，以缩小或者消除盲区。此外，在一些实施方式中，第一透镜112和第二透镜113之间也可以采用空气进行隔离，即只要满足发射光路和接收光路之间不发生串扰即可。

第一透镜112和第二透镜113均采用非球面镜片，可以有效地减少像差；第一透镜112和第二透镜113均为玻璃透镜时，由于玻璃材质受温度的变化影响较小，可以减少温度变化对测量精度的影响。

在本实施例中，第一透镜112的凸面和第二透镜113的凸面均朝向雷达罩体124的周壁1241，且第一透镜112的光轴OA1和第二透镜113的光轴OA2均与雷达罩体124的轴线大致垂直。第一激光器111发出的第一光束EB1经第一透镜112匀化、准直后穿过雷达罩体124出射至被测物；由被测物反射的第一反射光束RB1穿过雷达罩体124并通过第二透镜113入射至探测器114。此外，第一光束EB1与被测物作用后也会产生散射光，至少有部分散射光穿过雷达罩体124并通过第二透镜113入射至探测器114。

在本实施例中，请参阅图2和图5，第一透镜112和第二透镜113沿雷达罩体124的轴向设置，且第一透镜112沿雷达罩体124轴向的正投影位于第二侧平面1131的中心区域(如图5所示)。第一透镜112的像侧面S2和第二透镜113的像侧面S4保持齐平，有利于增加原盲区光信号的接收面积。在一些实施方式中，第一透镜112和第二透镜113使用同一种玻璃非球面透镜，可以减少加工制造成本。第二透镜113的物侧面S3的面积可以大于第一透镜112的物侧面S1的面积，以使第二透镜113接收更多的第一反射光束RB1，且第二透镜113的物侧面S3的曲率半径可以大于第一透镜112的曲率半径，以增大第二透镜113的物侧面S3的接收面积。

请参阅图2，在本实施例中，第一激光器111位于第一透镜112的光轴OA1，且第一激光器111的光源中心点可以位于第一透镜112的焦点，由于光源中心点所发出的光束强度最强且光束更加集中，以使第一光束EB1以平行光束射向至被测物。当第一透镜112和第二透镜113的曲率半径不同时，第一透镜112和第二透镜113具有不同的焦距，因此，第一激光器111和第一透镜112之间的中心距离可以与探测器114和第二透镜113之间的中心距离不同。一般地，为了保证第二透镜113具有更大的接收面积，可以通过增大第二透镜113的曲率半径来增加第二透镜113的接收面积。

请参阅图2，在本实施例中，探测器114位于第二透镜113的光轴OA2，且探测器114可以位于第二透镜113的焦点，使得第一反射光束RB1经第二透镜113聚焦于探测器114，增加探测器114所接收到第一反射光束RB1的光强，有效地提高探测器114的信号接收强度。

请参阅图2，在本实施例中，第二激光器122和第一激光器111关于第二透镜113的光轴对称设置，且两者沿雷达罩体124的轴向设置并位于同一水平面，即在雷达罩体124的轴向，第一激光器111到第二透镜113的光轴之间的距离大致等于第二激光器112到第二透镜112的光轴之间的距离，第一激光器111的光源中心位于第一透镜112的焦点。通过将两者对称设置，使得第一激光器111和第二激光器122的发热和散热更加的均匀，避免温度局部集中，减少温度对激光雷达测量精度的影响。

请参阅图3，在本实施例中，参考物121可以是反射体或者散射体，以参考物121为反射体为例进行说明：参考物121设置于第二透镜113的远离第一透镜112的一侧，也即第二透镜113位于参考物121和第一透镜112之间。参考物121包括反射面1213，反射面1213位于第二透镜113的像侧面S4的边缘，和第二透镜113的像侧面S4角度连接。其中，第二激光器122的中心光源的中心线可以与反射面1213相交，经由第二激光器122发出的第二光束EB2可以入射于反射面1213，第二激光器122的中心光源的中心线可以与反射面1213的中心位置相交，以使第二激光器122发出的第二光束EB2尽可能地全部入射于反射面1213。在一些实施方式中，第二激光器121和参考物121之间的位置关系，以及参考物121与第二透镜113之间的位置关系可以根据实际需要进行调整，只要满足第二激光器121发出的第二光束EB2经由参考物121后所反射或者散射形成的第二反射光束RB2至少有部分入射于探测器114即可。

参考物121的一侧边可以与第二透镜113的一侧边保持齐平，且两者保持齐平的侧边可以相互抵紧，以使参考物121和第二透镜113之间无缝隙配合，以避免第二光束EB2从两者之间漏出，尽可能地保证第二光束EB2全部经由反射面1213反射至探测器114。反射面1213和第二透镜113的光轴OA2之间形成的夹角小于90°，以使第二光束EB2经由反射面1213反射形成的第二反射光束RB2束可以入射至探测器114。为了使得更多的第二反射光束RB2束入射于探测器114，其中，探测器114可以位于反射面1213的中心线。

通过将参考物121的反射信号作为补偿信号对激光雷达探测系统100的精度进行补偿，由于第二激光器122与参考物121之间的距离为固有标准距离，通过固定标准距离与实时测量距离的差值作为距离补偿值，能实现准确的激光雷达测量距离的校准，从而提高激光雷达的测量精度。

在一些实施方式中，激光雷达探测系统100还可以包括镜架(图未示)，镜架可用于安装第一透镜112和第二透镜113，参考物121可以直接设置于镜架，或者，也可以直接以镜架作为参考物121，可以将镜架上的散射和反射式的回波信号作为补偿信号，这样使得整个激光雷达探测系统100的结构更加简单，信号更加稳定，寿命更长，由于镜架和第二激光器122的位置相对固定，而不需要再去单独安装和调试，使得整个使用过程更加简单。

请参阅图6，在本实施例中，激光雷达探测系统100包括信号处理系统130，第一激光器111、第二激光器122和探测器114均信号连接于信号处理系统130，信号处理系统130用于处理探测器114的接收信号以计算并测量与被测物之间的距离等参数。

在本实施例中，信号系统110由第一激光器111所在的回路组成，补偿系统120由第二激光器122所在的回路组成，信号系统110和补偿系统120共用信号处理系统130、探测器114，同时由于第一激光器111和第二激光器122采用对称性结构，使得两路系统的发热、散热和热传导过程大致相同，通过两路系统的差值，达到了差分式温度补偿的目的，进而降低温度漂移对激光雷达的性能的影响，消除温度对激光雷达性能的影响。

在一些实施方式中，参考物121和被测物的材质或颜色可以相同，则可以达到材质补偿或颜色补偿的目的，或者，参考物121和被测物的材质和颜色均可以相同，两者的补偿过程与上述的温度补偿过程类似。

在一些实施方式中，第一激光器111和第二激光器122的型号可以相同，由于两者的功率基本相同，使得两者的发热和散热均大致相同，且第一激光器111和第二激光器122共用信号处理系统130，两者沿第二透镜113的光轴OA2对称布置、布线和布流，使得的两路系统的信号基本相同，达到有效补偿温度漂移的目的。

综上，本申请实施例提供的激光雷达探测系统100通过将参考物121反射的回波信号作为补偿信号以对探测信号进行补偿，提高了激光雷达探测系统100的测量精度，同时，第一激光器111和第二激光器122对称设计，使得两个激光器的发热和散热更加均匀，有利于降低温度漂移对精度的影响，进一步提高激光雷达的测量精度，消除温度对激光雷达性能的影响。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光雷达探测系统，其特征在于，包括：

信号系统，所述信号系统包括第一激光器、第一透镜、第二透镜和探测器，所述第一激光器用于发出第一光束，所述第一光束经所述第一透镜出射至被测物，由所述被测物反射的第一反射光束经所述第二透镜入射至所述探测器；以及

补偿系统，所述补偿系统包括第二激光器和参考物，所述第二激光器和所述第一激光器关于所述第二透镜的光轴对称设置，且所述第二激光器和所述第一激光器的布线和布流方向关于所述第二透镜的光轴对称设置，所述第二激光器用于向所述参考物发出第二光束，由所述参考物反射的第二反射光束入射至所述探测器；以及

信号处理系统，所述第一激光器、所述第二激光器和所述探测器均与所述信号处理系统信号连接，所述信号系统和所述补偿系统共用所述信号处理系统以及所述探测器。

2.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述第一透镜的光轴和所述第二透镜的光轴平行，且所述探测器位于所述第二透镜的光轴。

3.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜并排设置，所述第一透镜和所述第二透镜之间设置有光学隔离部。

4.如权利要求3所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜并排设置，所述第一透镜包括第一侧平面，所述第二透镜包括第二侧平面，所述第一侧平面与所述第二侧平面平行，且所述光学隔离部设置于所述第一侧平面和所述第二侧平面之间。

5.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述参考物为反光镜或者散射体。

6.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述第二透镜包括像侧面，所述参考物包括反射面，所述反射面位于所述像侧面的边缘，且所述反射面与所述第二透镜的光轴之间所形成的夹角小于90°。

7.如权利要求1-6任一项所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述第一激光器和所述第二激光器的型号相同。

8.如权利要求1-6任一项所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述参考物和所述被测物的材质或颜色相同。

9.如权利要求1-6任一项所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述激光雷达探测系统还包括雷达罩体，所述雷达罩体包括周壁，所述周壁限定形成收容空间，所述信号系统和所述补偿系统均设置于所述收容空间内，所述第一光束依次经所述第一透镜、所述周壁入射至所述被测物。

10.如权利要求1-6任一项所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜中至少有一者为玻璃非球面透镜。

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