CN111308443B - 一种激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种激光雷达。该激光雷达包括发射模块、扫描模块以及接收模块；发射模块包括至少两个发射光源，至少两个发射光源用于出射至少两种脉冲频率的探测光束；扫描模块用于接收探测光束，并将探测光束出射形成扫描视场；接收模块用于接收位于扫描视场内待测物体返回的回波光束。本发明实施例提供的激光雷达出射至少两种发射频率的探测光束，从而兼顾大视场和高角度分辨率，提升激光雷达的性能。

Description

一种激光雷达

技术领域

本发明实施例涉及雷达技术，尤其涉及一种激光雷达。

背景技术

激光雷达是一种利用激光光束来探测目标的位置、速度等信息的雷达系统，其基本原理为：先向目标发射探测信号(激光光束)，然后比较从目标反射回来的信号(回波光束)和探测信号的信息，就可以实现目标物体测量。例如基于时间飞行方式(Time ofFlight，TOF)，根据光束的飞行时间可以实现距离探测，基于雷达自身旋转，可以实现目标方位探测等。

目前，对于同一扫描速度来说，激光雷达发射的脉冲频率越低，相邻两个脉冲之间的夹角越大，多个脉冲叠加时形成的视场角越大；激光雷达发射的脉冲频率越高，其扫描的角度分辨率越高，但多个脉冲叠加时形成的视场角较小。现有技术中，采用单一激光雷达难以兼顾大视场和高角度分辨率的要求。为了兼顾大视场和高角度分辨率，会采用多激光雷达拼接方案，但是，多激光雷达拼接方案包括了多个视场的拼接过程，方法复杂，且对生产调试要求较高。

发明内容

本发明实施例提供一种激光雷达，该激光雷达出射至少两种发射频率的探测光束，从而兼顾大视场和高角度分辨率，提升激光雷达的性能。

本发明实施例提供了一种激光雷达，包括发射模块、扫描模块以及接收模块；

所述发射模块包括至少两个发射光源，至少两个所述发射光源用于出射至少两种脉冲频率的探测光束；

所述扫描模块用于接收所述探测光束，并将所述探测光束出射形成扫描视场；

所述接收模块用于接收位于扫描视场内待测物体返回的回波光束。

可选的，所述扫描模块包括机械旋转式扫描结构、光学相控阵列扫描结构或机械旋转与光学相控阵列结合的混合式扫描结构。

可选的，所述扫描模块包括机械旋转式扫描结构，所述机械旋转式扫描结构包括旋转机构和反射机构；

所述反射机构固定于所述旋转机构上，所述旋转机构用于带动所述反射机构绕第一旋转轴旋转；

所述反射机构包括反射单元和驱动单元，所述驱动单元用于带动所述反射单元绕第二旋转轴往复摆动，所述第一旋转轴和所述第二旋转轴相交；

所述发射模块出射的探测光束经过所述反射单元反射后传输到待测物体，待测物体返回的光束入射到所述接收模块。

可选的，所述发射模块包括沿第一方向并列排列的多个发射光源，多个所述发射光源出射两种脉冲频率的探测光束；

相邻两个所述发射光源出射的探测光束的脉冲频率不同；

所述第一方向垂直于所述第一旋转轴的方向。

可选的，每一所述发射光源均可在不同时间段分别出射第一脉冲频率和第二脉冲频率的探测光束，且同一时间段内相邻两个发射光源出射的探测光束脉冲频率不同。

可选的，所述发射模块包括沿第一方向并列排列的多个发射光源，位于两侧的至少一个所述发射光源出射第一脉冲频率的探测光束，其他所述发射光源出射第二脉冲频率的探测光束；

所述第一脉冲频率小于所述第二脉冲频率，所述第一方向垂直于所述第一旋转轴的方向。

可选的，所述第二脉冲频率大于或等于所述第一脉冲频率的2倍。

可选的，所述旋转机构包括电机，所述电机的中心轴为空心轴；

所述发射模块位于所述旋转机构背离所述反射机构的一侧；

所述发射模块出射的探测光束透过所述空心轴入射到所述反射机构。

可选的，所述发射模块位于所述旋转机构和所述反射机构之间。

可选的，所述发射模块还包括至少一个第一反射镜，所述第一反射镜设置有至少一个第一通孔；

所述发射光源出射的探测光束透过所述第一通孔入射到所述反射单元；

待测物体返回的光束依次经过所述反射单元和所述第一反射镜反射后入射到所述接收模块。

本发明实施例提供的激光雷达，包括发射模块、扫描模块以及接收模块；发射模块包括至少两个发射光源，至少两个发射光源用于出射至少两种脉冲频率的探测光束；扫描模块用于接收探测光束，并将探测光束出射形成扫描视场；接收模块用于接收位于扫描视场内待测物体返回的回波光束。通过发射模块设置至少两个发射光源，发射光源出射的探测光束经过扫描模块后形成扫描视场，并入射到待测物体，待测物体返回的光束被接收模块接收；通过发射光源出射至少两种发射频率的探测光束，从而兼顾线扫描时的大视场和高角度分辨率；解决现有激光雷达无法兼顾大视场和角度分辨率的问题，提升激光雷达的性能，且该激光雷达具有结构简单、成本低的优势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图；

图3和图4分别是本发明实施例提供的一种垂直扫描线的光斑示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图；

图6和图7分别是本发明实施例提供的一种激光雷达的局部结构示意图；

图8是本发明实施例提供的另一种激光雷达的局部结构示意图；

图9是图8的一种侧视示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为本发明实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。参考图1，本实施例提供的激光雷达包括发射模块10、扫描模块20以及接收模块30；发射模块10包括至少两个发射光源11(图1中示意性示出四个发射光源，并不是对本发明的限定)，至少两个发射光源11用于出射至少两种脉冲频率的探测光束；扫描模块20用于接收探测光束，并将探测光束出射形成扫描视场；接收模块30用于接收位于扫描视场内待测物体返回的回波光束。

可以理解的是，本实施例提供的激光雷达可以用于无人驾驶汽车、自动导航机器人、安防监控等领域，也可以单独适用于3D建图、避障等应用。发射模块10用于发射探测光束，探测光束可以为红外激光光束，可选的，发射光源11可以为光纤激光器、半导体激光器(比如激光二极管LD或垂直腔面发射激光器VCSEL)、气体激光器或固体激光器等。其中，LD或VCSEL均可以为自由空间输出或通过光纤耦合输出，具体实施时可以根据实际条件选择发射光源11的种类及光束输出方式，本发明实施例对此不作限定。接收模块30用于接收待测物体返回的回波光束。接收模块30包括光电探测器。光电探测器可以为多个阵列排布的雪崩二极管(Avalanche Photo Diode，APD)，也可以为单个大面元APD，SPAD(SinglePhoton Avalanche Diode，单光子雪崩二极管)，硅光电倍增管(Siliconphotomultiplier，SiPM，部分也称之为MPPC(multi-pixel photon counter)探测器)，或本领域技术人员可知的其他类型的探测器。扫描模块20用于调制探测光束的出射方向，以形成激光雷达的扫描视场。本实施例中，可选的，扫描模块20包括机械旋转式扫描结构、光学相控阵列扫描结构或机械旋转与光学相控阵列结合的混合式扫描结构。机械旋转式扫描结构通过旋转发射光源或者设置旋转反射镜的方式，可以实现大范围扫描；比如，扫描模块20可以为旋转反射镜、旋转棱镜、MEMS微振镜或者类MEMS振镜等，也可以是前述各种光学器件的组合。这种扫描模块20具有能够在至少一个维度上进行偏转的反射镜，从而能够将发射光源11发射来的激光光束反射至不同的方向，从而实现对扫描视场内的扫描探测。光学相控阵列扫描结构通过利用光的衍射原理实现探测光束输出方向的控制，实现高精度的空间扫描；机械旋转与光学相控阵列结合的混合式扫描结构可以实现高精度和大范围扫描。在一实施例中，激光雷达也可以为机械式旋转结构，也即扫描结构在进行自身的偏转的同时，也会随着发射模块10和接收模块30同步进行旋转。可选的，在一些实施例中，也可以仅将扫描结构与接收模块30和发射模块10中的其中一个同步旋转，接收模块30和发射模块10中的另一个则相对固定，从而在实现360°扫描的同时，尽可能减少旋转部分的重量以及体积，提高整个产品的稳定性并降低成本。在另一实施例中，激光雷达的发射模块10和接收模块30均固定，仅扫描模块20进行偏转，也即形成混合固态或者固态激光雷达。

本实施例的技术方案，通过发射模块设置至少两个发射光源，发射光源出射的探测光束经过扫描模块后形成扫描视场，并入射到待测物体，待测物体返回的光束被接收模块接收；通过发射光源出射至少两种发射频率的探测光束，两种发射频率的探测光束中，具有较低发射频率的探测光束能够实现大视场扫描，具有较低发射频率的探测光束在能够实现高角度分辨率，从而兼顾线扫描时的大视场和高角度分辨率；解决现有激光雷达无法兼顾大视场和角度分辨率的问题，提升激光雷达的性能，且该激光雷达具有结构简单、成本低的优势。

以下以扫描模块包括机械旋转式扫描结构为例，介绍本发明实施例提供的激光雷达的具体结构。示例性的，图2所示为本发明实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图。参考图2，扫描模块20包括机械旋转式扫描结构，机械旋转式扫描结构包括旋转机构21和反射机构22；反射机构22固定于旋转机构21上，旋转机构21用于带动反射机构22绕第一旋转轴a旋转；反射机构22包括反射单元221和驱动单元222，驱动单元222用于带动反射单元221绕第二旋转轴b往复摆动，第一旋转轴a和第二旋转轴b相交；在一实施例中，第一旋转后a和第二旋转轴b相互垂直，也即如果第一旋转轴a为水平设置，则第二旋转轴b为垂直设置，或者二者对调。发射模块10出射的探测光束经过反射单元221反射后传输到待测物体，待测物体返回的光束入射到接收模块30。

接收模块30用于接收待测物体返回的回波光束，示例性的，接收模块30包括接收透镜组31和光电探测器32，光电探测器可以采用雪崩光电二极管(APD)阵列，具体实施时可以根据实际情况选择。旋转机构21可以包括无刷直流电机。旋转机构21带动反射机构22绕第一旋转轴a旋转，示意性的，图2中第一旋转轴a沿竖直方向，旋转机构21带动反射机构22水平旋转，当旋转机构21旋转一周时，可以实现360°的水平方向多线扫描。反射机构22位于旋转机构21的上方，反射机构22中的驱动单元222带动反射单元221绕第二旋转轴b往复摆动，可选的，反射单元221可以包括一单轴振镜。在本实施例中，旋转机构21还用于驱动接收模块30跟随反射机构22同步进行旋转。示例性的，图2中第二旋转轴b的方向沿水平方向，图2中还示出了当旋转机构21旋转和反射单元221摆动时形成扫描线的示意图，当仅有反射单元221摆动时，每个发射光源11所形成的扫描轨迹为垂直扫描线，也即有多个少发射光源11则能够对应形成多少条竖直方向上的垂直扫描线。由于各发射光源11能够发射具有不同脉冲频率的探测光束，因此实际形成的垂直扫描线会根据脉冲频率的不同而呈现不同的垂直扫描范围，具体可以参照图3和图4。当旋转机构21旋转的同时，反射单元221摆动时，形成垂直+水平扫描线，进而形成立体点云数据。所谓的“垂直+水平扫描线”是指在叠加了垂直偏转和水平旋转后的激光器的扫描轨迹。该扫描轨迹仅仅为一种示意，并不构成特别限定，实际的扫描轨迹还可以根据扫描模块20的组成而呈现不同的样式，比如波浪形、繁花曲线等。

发射光源11可以出射至少两种脉冲频率的探测光束，在本实施例以两种脉冲频率为例，例如图2中的四个发射光源，可以设置为中间两个发射光源11为高频脉冲光源(例如可以为1kHz)，两侧两个发射光源11为低频脉冲光源(例如可以为300Hz，具体实施时可以根据需要的分辨率确定)，从而使得中间区域具有较高的分辨率，在其他实施例中，也可以使得高频光源和低频光源间隔设置，或者根据具体的应用条件设置高频光源和低频光源的排布方式，还可以根据需要设计更多脉冲频率的发射光源，本发明实施例对此不作限定。示例性的，图3和图4分别为本发明实施例提供的一种垂直扫描线的光斑示意图，其中图3示出的是中间为高频脉冲光源，两侧为低频脉冲光源时的情况，图4示出的是高频脉冲光源和低频脉冲光源间隔排列时的情况，且图3和图4示出的是没有水平旋转时的情况。脉冲频率越高，其角度分辨率越高(相邻两个光斑与反射点之间的夹角越小)，脉冲频率低，其角度分辨率较低，但可以增大扫描范围，提升视场角，通过设置至少两种脉冲频率进行扫描，兼顾大视场和角度分辨率的问题，提升激光雷达的性能。

本实施例的技术方案，通过发射模块设置多个发射光源，发射光源出射的探测光束经过反射机构的反射单元反射到待测物体，待测物体返回的光束被接收模块接收；通过反射单元绕第二旋转轴往复摆动，实现激光雷达的线状扫描；通过发射光源出射至少两种发射频率的探测光束，从而兼顾线扫描时的大视场和高角度分辨率；通过旋转机构带动接收模块和反射模块绕第一旋转轴旋转，第一旋转轴与第二旋转轴相交，从而实现360°扫描，解决现有激光雷达无法兼顾大视场和角度分辨率的问题，提升激光雷达的性能。

在上述技术方案的基础上，可选的，发射模块包括沿第一方向并列排列的多个发射光源，多个发射光源出射两种脉冲频率的探测光束；相邻两个发射光源出射的探测光束的脉冲频率不同；第一方向垂直于第一旋转轴的方向。

示例性的，继续参考图2和图4，发射模块10包括四个沿第一方向x并列排列的发射光源11，发射光源11出射的探测光束保持一个固定的夹角，四束光束均入射到反射单元221的反射面，相邻两个发射光源11出射的探测光束的脉冲频率不同。在其他实施例中，发射模块10可以设置更多数量的发射光源11，高频脉冲光源和低频脉冲光源可以为其他排列方式，例如以两个发射光源为一组进行高低频率变化，具体实施时可以根据实际情况选择高频脉冲光源和低频脉冲光源的排列方式。

在另一实施例中，可选的，每一发射光源均可在不同时间段分别出射第一脉冲频率和第二脉冲频率的探测光束，且同一时间段内相邻两个发射光源出射的探测光束脉冲频率不同。示例性的，可以设置同一个发射光源交替出射第一脉冲频率和第二脉冲频率的探测光束，且相邻两个发射光源出射的探测光束脉冲频率不同，这样可以增加激光雷达扫描时的重复频率，使每一路均可以达到大范围和高精度的需求，提升激光雷达的扫描性能。

可选的，发射模块包括沿第一方向并列排列的多个发射光源，位于两侧的至少一个发射光源出射第一脉冲频率的探测光束，其他发射光源出射第二脉冲频率的探测光束；第一脉冲频率小于第二脉冲频率。

示例性的，继续参考图2和图3，发射模块10包括四个沿第一方向x并列排列的发射光源11，中间两个发射光源11为高频脉冲光源(第二脉冲频率)，两侧两个发射光源11为低频脉冲光源(第一脉冲频率)，第一方向x垂直于第一旋转轴a的方向。在其他实施例中，发射模块10可以设置更多数量的发射光源11，两侧低频脉冲光源的数量还可以为多个。

在具体实施时，为了平衡激光雷达的视场角及扫描精度，不同探测光束的频率差不宜太小，可选的，第二脉冲频率大于或等于第一脉冲频率的2倍，从而避免相邻两路激光光束之间产生干扰，确保发射光源能够同步发射。

可选的，继续参考图2，旋转机构21包括电机(比如无刷电机)，电机的中心轴211为空心轴；发射模块10位于旋转机构21背离反射机构22的一侧；发射模块10出射的探测光束透过空心轴入射到反射机构22。通过将发射模块10设置于旋转机构21背离反射机构22的一侧，发射模块10固定在激光雷达的底座上，从而无需随旋转机构21进行旋转，减少了旋转的重量，有利于提高激光雷达的稳定性并降低能耗，在其他实施例中可以设置更多的发射光源，提高竖直扫描线的数量，从而提升激光雷达的性能。

图5所示为本发明实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图。参考图5，可选的，发射模块10位于旋转机构21和反射机构22之间。通过将发射模块10设置在旋转机构21上，有利于提升激光雷达的集成性，减小激光雷达的体积。

可选的，发射模块还包括至少一个第一反射镜，第一反射镜设置有至少一个通孔；发射光源出射的探测光束透过通孔入射到反射单元；待测物体返回的光束依次经过反射单元和第一反射镜反射后入射到接收模块。

示例性的，图6和图7所示分别为本发明实施例提供的一种激光雷达的局部结构示意图，其中图6示出了探测光束的部分光路示意图(未示出入射到待测物体的部分光线)，图7示出了回波光束的部分光路示意图(未示出待测物体反射时的部分光线)。参考图6和图7，本实施例中，接收模块包括接收透镜组31和光电探测器32，发射模块包括发射光源(图6和图7中未示出)和第一反射镜12，第一反射镜12设置有两个通孔121，参考图6，探测光束透过通孔121入射到反射单元221上，并由反射单元221反射至环境。参考图7，环境中的待测物体对光束进行反射后经由反射单元221反射至第一反射镜12，并经过第一反射镜12的反射后由接收透镜组31进行聚焦至光电探测器32进行接收。在本实施例中，各个发射光源是相互独立的。在图6中，第一反射镜12为双孔反射镜，也即两个发射光源共用一个双孔反射镜，并通过同一接收透镜组进行聚焦，这样能够节省第一反射镜12和接收透镜组31的数量，节省空间。此时，可以考虑将同一个第一反射镜12对应的两个发射光源采用相同的发射频率，而相邻的第一反射镜12的两个发射光源采用另一相同的发射频率，也可以是同一个穿孔反射镜对应的两个发射光源的发射频率各不相同。

在其他实施例中，还可以设置第一反射镜以及接收透镜组与发射光源一一对应，示例性的，图8所示为本发明实施例提供的另一种激光雷达的局部结构示意图，图9所示为图8的一种侧视示意图。参考图9，发射光源11出射的探测光束透过通孔121入射到反射单元221上，并由反射单元221反射至环境，环境中的待测物体对光束进行反射后经由反射单元221反射至第一反射镜12，并经过第一反射镜12的反射后由接收透镜组31进行聚焦至光电探测器32进行接收。可选的，继续参考图9，接收模块还可以包括滤光片33，用于滤除环境光线，提高激光雷达的信噪比。可以理解的是，还可以采用更多个发射光源共用一个第一反射镜的方案，此时只需要在第一反射镜上设置相应数量的第二通孔即可。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括发射模块、扫描模块以及接收模块；

所述发射模块包括至少两个发射光源，至少两个所述发射光源用于出射至少两种脉冲频率的探测光束；

所述扫描模块用于接收所述探测光束，并将所述探测光束出射形成扫描视场；

所述接收模块用于接收位于扫描视场内待测物体返回的回波光束；

每一所述发射光源在不同时间段分别出射第一脉冲频率和第二脉冲频率的探测光束，且同一时间段内相邻两个发射光源出射的探测光束脉冲频率不同；

所述第二脉冲频率大于或等于所述第一脉冲频率的2倍；所述第二脉冲频率的探测光束用于实现高角度分辨率，所述第一脉冲频率的探测光束用于实现大视场扫描。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述扫描模块包括机械旋转式扫描结构、光学相控阵列扫描结构或机械旋转与光学相控阵列结合的混合式扫描结构。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述扫描模块包括机械旋转式扫描结构，所述机械旋转式扫描结构包括旋转机构和反射机构；

所述反射机构固定于所述旋转机构上，所述旋转机构用于带动所述反射机构绕第一旋转轴旋转；

所述反射机构包括反射单元和驱动单元，所述驱动单元用于带动所述反射单元绕第二旋转轴往复摆动，所述第一旋转轴和所述第二旋转轴相交；

所述发射模块出射的探测光束经过所述反射单元反射后传输到待测物体，待测物体返回的光束入射到所述接收模块。

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述发射模块包括沿第一方向并列排列的多个发射光源，多个所述发射光源出射两种脉冲频率的探测光束；

相邻两个所述发射光源出射的探测光束的脉冲频率不同；

所述第一方向垂直于所述第一旋转轴的方向。

5.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述发射模块包括沿第一方向并列排列的多个发射光源，位于两侧的至少一个所述发射光源出射第一脉冲频率的探测光束，其他所述发射光源出射第二脉冲频率的探测光束；

所述第一脉冲频率小于所述第二脉冲频率，所述第一方向垂直于所述第一旋转轴的方向。

6.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述旋转机构包括电机，所述电机的中心轴为空心轴；

所述发射模块位于所述旋转机构背离所述反射机构的一侧；

所述发射模块出射的探测光束透过所述空心轴入射到所述反射机构。

7.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述发射模块位于所述旋转机构和所述反射机构之间。

8.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述发射模块还包括至少一个第一反射镜，所述第一反射镜设置有至少一个通孔；

所述发射光源出射的探测光束透过所述通孔入射到所述反射单元；

待测物体返回的光束依次经过所述反射单元和所述第一反射镜反射后入射到所述接收模块。

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