CN111610507A - 二维激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种二维激光雷达系统，所述系统包括：发射模块，发射激光光束；第一反射镜，接收所述激光光束，并形成反射的第一光束；第二反射镜，接收所述第一光束，并形成反射至目标对象的第二光束，以及接收从所述目标对象返回的第一返回光，并形成反射的第二返回光；接收模块，接收所述第二返回光，并将所述第二返回光进行汇聚形成第三返回光；光电探测器件，接收所述第三返回光，并将所述第三返回光转换为电信号。本公开实施例的二维激光雷达系统能够解决近距离盲区、结构繁琐、接收效率较低等问题。

Description

二维激光雷达系统

技术领域

本公开涉及激光雷达领域，尤其涉及一种二维激光雷达系统。

背景技术

目前，激光雷达广泛应用在军事、汽车、机器人和航海等领域。例如，激光雷达能够应用于AGV(Automated Guided Vehicle，自动导引运输车)防撞和导航、服务机器人导航、无人驾驶和汽车辅助驾驶中，激光雷达已成为众多智能设备的核心部件，它的重要性不言而喻。

但是，目前大多数激光雷达的结构较为复杂，且多采用收发分置的结构方式，致使发射视场和接收视场存在不重叠的部分，当目标物体处于不重叠的部分时，例如当目标物体较为接近激光雷达时，激光雷达无法探测到该目标物体的存在，出现近距离盲区的问题，降低了激光雷达的接收效率。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种二维激光雷达系统，以解决近距离盲区、结构繁琐、接收效率较低等问题。

根据本公开的一方面，提供了一种二维激光雷达系统，所述系统包括：

发射模块，发射激光光束；

第一反射镜，接收所述激光光束，并形成反射的第一光束；

第二反射镜，接收所述第一光束，并形成反射至目标对象的第二光束，以及接收从所述目标对象返回的第一返回光，并形成反射的第二返回光；

接收模块，接收所述第二返回光，并将所述第二返回光进行汇聚形成第三返回光；

光电探测器件，接收所述第三返回光，并将所述第三返回光转换为电信号。

在一些可能的实施方式中，所述第一反射镜、第二反射镜的反射面镀有增反膜，所述增反膜用于增加对第一光波段的反射率，其中，所述第一光波段包括所述激光光束的波长。

在一些可能的实施方式中，所述系统还包括：

滤光片，其放置在所述接收模块与所述第二反射镜之间，和/或放置在所述接收模块与所述光电探测器件之间。

在一些可能的实施方式中，所述系统包括：

处理模块，其被配置为根据所述发射模块发射所述激光光束的时刻和所述光探测部件接收所述第三返回光的时刻，确定所述目标对象的距离。

在一些可能的实施方式中，所述发射模块还包括：

激光准直部件，将所述发射模块发射的激光光束变成准直的激光光束。

在一些可能的实施方式中，所述系统还包括：

驱动模块，驱动所述第二反射镜旋转；

其中，所述第二反射镜在驱动模块的驱动下能够绕旋转轴旋转，所述旋转轴垂直于所述发射模块发射激光光束的方向，所述第二反射镜的旋转角度范围为0～360度。

在一些可能的实施方式中，

所述第一反射镜的反射面朝向所述发射模块，所述第一反射镜的反射面与所述发射模块发射激光光束的方向的夹角为45度。

在一些可能的实施方式中，

所述第二反射镜的反射面与所述第一反射镜的反射面互相面对且平行。

本发明实施例的二维激光雷达系统，结构简单，无需使用复杂的光学器件，也无需采用透镜打孔、反射镜打孔等复杂工艺，能够有效节约成本。本公开实施例通过采用收发合置的结构形式来提高系统接收返回光的接收效率，从而减小光电探测器件的光敏面面积，降低背景光的引入，提高响应速率，并且能够有效解决激光雷达近距离盲区的问题。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据本公开一实施例的二维激光雷达系统的示意图。

图2示出根据本公开一实施例的二维激光雷达系统的结构框图。

图3示出根据本发明一实施例的激光雷达系统的局部示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

在本发明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。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于预警，如在此所使用的词语“若”可以被理解成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”等。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

本公开实施例的二维激光雷达系统可应用于AGV(Automated Guided Vehicle，自动导引运输车)防撞和导航、服务机器人导航、无人驾驶和汽车辅助驾驶等应用场景，以及还可以配置在智能家居中，本公开实施例能够简单方便的检测系统外部是否存在物体，以及检测物体对象与系统的距离信息，从而根据距离信息执行相应的安全操作，例如使家居能够行走而不撞到人或其他物体，使楼梯的不同阶层发出不同的声音(例如在楼梯的不同阶层上分别放置多个激光雷达，该多个激光雷达连接能够发出不同声音的发声器件，当相应阶层的激光雷达检测到物体对象时，即可发出对应的声音)等，任何需要使用激光雷达的设备都可以配置本公开实施例的二维激光雷达系统。

图1示出根据本公开一实施例的二维激光雷达系统的示意图。如图1所示，所述系统包括：

发射模块1，发射激光光束；

第一反射镜3，接收所述激光光束，并形成反射的第一光束；

第二反射镜4，接收所述第一光束，并形成反射至目标对象8的第二光束，以及接收从所述目标对象8返回的第一返回光，并形成反射的第二返回光；

接收模块5，接收所述第二返回光，并将所述第二返回光进行汇聚形成第三返回光；

光电探测器件7，接收所述第三返回光，并将所述第三返回光转换为电信号。

如图1所示，所述第一反射镜3的反射面可以朝向所述发射模块，用于接收发射的激光光束，并对激光光束执行反射操作，形成第一光束。在一些可能的实施例中，所述第一反射镜的反射面与所述发射模块发射激光光束的方向的夹角可以为45度。所述第二反射镜的反射面与所述第一反射镜的反射面互相面对且平行，从而可以完整的接收从第一反射面3反射出的第一光束。本公开实施例对于激光光束与第一反射镜的反射面的夹角，以及第一反射镜和第二反射镜的相对位置不进行具体限定，只要能够将第一反射镜反射的第一光束入射至第二反射镜，即可以作为本公开实施例。

具体的，发射模块1将激光光束射向第一反射镜3的反射面，且入射角的角度为45度，并经过第一反射镜3的反射作用后射出第一光束，且第一光束与镜面的夹角也为45度，同时由于第二反射镜4的反射面与第一反射镜3的反射面相互面对且平行，所以第一光束入射到第二反射镜4时的入射角也为45度，并经过第二反射镜4的反射作用后射出第二光束，该第二光束向系统外平行射出，当射到目标对象时，在目标对象上会发生漫反射，其中部分漫反射回来的光线会射向第二反射镜4，所述部分漫反射回来的光线即为第一返回光，并经过第二反射镜4的反射作用后射出第二返回光，第二返回光会射向所述接收模块5，接收模块5可以起到汇聚光线的作用，当接收模块5接收到第二返回光时，可将第二返回光汇聚形成第三返回光，第三返回光射向光电探测器件7，光电探测器7可以将接收到的光信号转换为电信号，后续还可以设置其他处理模块以对该电信号进行相应处理，本公开实施例对此不进行具体限定。

此外，上述实施例列举的结构形式，例如所述第一反射镜的反射面与所述发射模块发射激光光束的方向的夹角为45度，仅为一种示例，在其他实施例中也可以为其他角度，本领域技术人员可以根据实际应用场景灵活选择第一反射镜的位置以及第一反射镜与所述激光光束的方向的夹角角度。

图2示出根据本公开一实施例的二维激光雷达系统的结构框图。如图2所示，本公开实施例的二维激光雷达系统采用的是收发合置的结构形式，从图2可知，由第二反射镜4向系统外的目标对象8发射激光，并由第二反射镜4接收从目标对象8漫反射回来的返回光，即激光雷达的发射视场与接收视场重合，相比收发分置的激光雷达，能够更有效的接收从目标对象反射回来的第一返回光，提高接收效率。另外，增加接收效率后就可以不必使用较大光敏面面积的光电探测器件7，系统可以采用光敏面面积更小的光电探测器件7，并根据光电探测器件7的材料性质可知，光敏面面积的减小可以增加光电探测器件7对光信号的响应速度，即提高响应速率，同时光敏面面积的减小还可以降低背景光的引入，有利于提高信噪比。

本发明实施例的二维激光雷达系统，结构简单，无需使用复杂的光学器件，也无需采用透镜打孔、反射镜打孔等复杂工艺，能够有效节约成本，并且本公开实施例还能够有效解决激光雷达近距离盲区的问题。

本公开实施例的发射模块1可以是激光器，例如：气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器、染料激光器和自由电子激光器等。发射模块1发射的激光光束可以是脉冲激光，本公开实施例对发射模块1采用的具体器件和发射的具体脉冲激光类型不做限定。

同时，本公开实施例还可在发射模块1与第一反射镜3之间放置激光准直部件2，将发射模块1发射的激光光束变成准直的激光光束。如图1所示，激光准直部件2可以为激光准直器。由于发射模块1发射的激光光束具有较大的发散角，激光准直部件2能够将激光光束进行准直形成直径很细的(约为几毫米)、发散角很小的准平行光束。

本公开实施例中，第一反射镜2和第二反射镜3可以为平面反射镜、球面反射镜或非球面反射镜等，形状可以为圆形、椭圆形、方形等任意形状，本发明实施例对此不进行限制。并且，第一反射镜2和第二反射镜3可以为全反反射镜，由此能够增加第一反射镜2和第二反射镜3对照射到其反射面的有效光线(例如激光光束或漫反射光)的反射率。以及，由于激光光束的直径较为狭窄，并为了防止第一反射镜3阻挡第二返回光向接收模块5的传播，可将第一反射镜3的大小设置为略大于激光光束直径的大小，足够将激光光束反射至第二反射镜4即可，而第二反射镜4的尺寸则大于第一反射镜3的尺寸，且与接收模块5的通光口径相匹配。

同时，为了进一步增加第一反射镜3对激光光束的反射率，增加第二反射镜4对第一光束和第一返回光的反射率，本公开实施例的第一反射镜3、第二反射镜4的反射面可以镀有增反膜，所述增反膜用于增加对第一光波段的反射率，其中，所述第一光波段包括所述激光光束的波长。所述激光光束的波长可以是单个波长(或称单一频率，简称单频)的光波。

下面以第一反射镜3的反射面镀何种增反膜进行举例说明。

作为一个示例，激光光束可以为单一波长的光波，例如为905nm的单波长光波，则第一反射镜3的反射面可以镀增反该波长905nm的增反膜，或者，第一反射镜3的反射面可以镀增反一个包含该激光光束波长的波段的增反膜，例如增反800-1000nm光波波段的增反膜。

作为另一个示例，激光光束可以为单一波长的光波，例如为1550nm的单波长光波，则第一反射镜3的反射面可以镀增反该波长1550nm的增反膜，或者，第一反射镜3的反射面可以镀增反一个包含该激光光束波长的波段的增反膜，例如增反1500-1600nm光波波段的增反膜。

需要说明的是，尽管以上述波长数值的光波或波段作为示例介绍了第一反射镜3镀何种增反膜，但本领域技术人员能够理解，本发明实施例应不限于此。本领域技术人员可以根据实际应用场景灵活选择镀何种增反膜。

本公开实施例通过为第一反射镜3和第二反射镜4镀相应的增反膜，来减少激光光束在系统内部传播时损失的光能能量，提高光能利用率，以及降低系统在接收返回光时掺杂的背景光的干扰，增加从目标对象8反射回来的返回光的接收效率。另外，对于光电探测器7的类型以及具体结构，本公开实施例不作具体限定，本领域技术人员可以根据不同的场景、需求或者成本等因素选择适配的光电探测器。

本公开实施例的接收模块5，其可以为球面透镜、球面透镜组、非球面透镜和非球面透镜组中的一个或多个，其用于将较为发散的第二返回光进行汇聚，汇聚成较为收敛的第三返回光，从而方便光电探测器件7接收到更多的第三返回光，增加系统的接收效率，同时还可以如上所述，将光电探测器件7的光敏面的面积减小，进而提高响应速率，降低背景光的干扰，提高信噪比。

光电探测器件7，其用于在接收到第三返回光时，将第三返回光转换为电信号，并向处理模块发送该电信号。

本公开实施例的系统还可以进一步包括处理模块(图1中未示出)，其被配置为根据所述发射模块1发射所述激光光束的时刻t1和所述光探测部件7接收所述第三返回光的时刻t2，确定所述目标对象的距离S。例如，

S＝(t2-t1)*c/2，

其中c代表光速，或者本领域技术人员还可以通过其他现有技术手段计算所述目标对象8的距离，本公开实施例对此不进行具体限定。

同时，所述处理模块还可以包括对光电探测器件7输出的电信号进行放大处理的电路，以及对放大后的电信号进行无线传播的电路，本公开对此不进行具体限定。

此外，由于系统外的背景光也可以入射到第二反射镜4的反射面上，并随着第一返回光在系统内的传播而传播，最终被光电探测器件7转换为电信号，而该电信号是一种噪声信号，不利于对有用信号的识别和处理，因此，本公开实施例设置了滤光片6，如图1所示，其可以放置在所述接收模块5与所述第二反射镜4之间，和/或放置在所述接收模块5与所述光电探测器件7之间。其用于对第二返回光和/或第三返回光进行过滤处理，滤除第二返回光和/或第三返回光中掺杂的背景光所在的波段，保留有用波段，例如保留包括激光光束波长在内的一段范围内的光波波段，该范围可以根据实际应用场景进行灵活选择，本公开实施例对此不进行具体限定。

本公开实施例的二维激光雷达系统通过设置滤光片6，能够减少返回光中掺杂的背景光的光波段，有效降低背景光的干扰，提高信噪比，增加对有用信号的判别的准确度。

本公开实施例的系统还可以包括驱动模块，以驱动所述第二反射镜4旋转；其中，所述第二反射镜4在驱动模块的驱动下能够绕旋转轴旋转，所述旋转轴垂直于所述发射模块1发射激光光束的方向，所述第二反射镜4的旋转角度范围为0～360度。其中，驱动模块(图1中未示出)可以为电机。

图3示出根据本发明一实施例的激光雷达系统的局部示意图。如图3所示，第二反射镜4通过旋转轴41与驱动模块42连接。第二反射镜4的反射面背离旋转轴41。第二反射镜4的反射面与旋转轴41所成的夹角约为45度。

作为一个示例，第二反射镜4在驱动模块42的驱动下能够绕旋转轴41旋转360度。例如，驱动模块42可以采用无刷直流电机，驱动第二反射镜4在360度范围内同步匀速转动。经转动的第二反射镜4的反射面的反射作用，可将第二光束沿水平方向射出，在水平方向上进行360度全方位的扫描，以便探测各个方向的目标对象的信息。

作为另一个示例，第二反射镜4在驱动模块42的驱动下能够绕旋转轴41旋转0～360度中任意一个角度。例如，驱动模块42可以采用往复直流电机，驱动第二反射镜4在180度范围内往复匀速转动。经第二反射镜4的反射面的反射作用，可将第二光束沿水平方向射出，并在180度的范围内进行扫描，以便探测固定方向的目标对象的信息。

需要说明的是，上述实施例中列举了第二反射镜4可以旋转360度或180度，但本领域技术人员能够理解，本发明实施例应不限于此。本领域技术人员可以根据实际应用场景灵活采用各种类型的电机，从而控制第二反射镜4在一定角度范围内的转动。第二反射镜4转动的速度也可以根据实际应用场景灵活设定。

本发明实施例的二维激光雷达系统，可以在0～360度范围内进行任意角度的扫描，并只需通过驱动模块来驱动第二反射镜绕旋转轴旋转即可，无需驱动其他部件的转动，简化激光雷达系统的结构，减少元器件的磨损，进而能够增加各元器件的使用寿命，同时，由于其他光学器件无需转动，所以可以保证各光学参数的稳定性。另外，由于驱动模块只需驱动第二反射镜的旋转，因此旋转起来更为轻便，扫描速率也可提升，从而能够达到更高的扫描帧率，或者，驱动模块也可以选用功率更小的器件，以节约成本。

本领域普通技术人员可以意识到，本文所描述的实施例中的各示例性单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件形式来实现，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以针对特定的应用选择不同的方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

如果以计算机软件的形式来实现所述功能并作为独立的产品销售或使用时，则在一定程度上可认为本发明的技术方案的全部或部分(例如对现有技术做出贡献的部分)是以计算机软件产品的形式体现的。该计算机软件产品通常存储在计算机可读取的存储介质中，包括若干指令用以使得计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种二维激光雷达系统，其特征在于，所述系统包括：

发射模块，发射激光光束；

第一反射镜，接收所述激光光束，并形成反射的第一光束；

第二反射镜，接收所述第一光束，并形成反射至目标对象的第二光束，以及接收从所述目标对象返回的第一返回光，并形成反射的第二返回光；

接收模块，接收所述第二返回光，并将所述第二返回光进行汇聚形成第三返回光；

光电探测器件，接收所述第三返回光，并将所述第三返回光转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一反射镜、第二反射镜的反射面镀有增反膜，所述增反膜用于增加对第一光波段的反射率，其中，所述第一光波段包括所述激光光束的波长。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

滤光片，其放置在所述接收模块与所述第二反射镜之间，和/或放置在所述接收模块与所述光电探测器件之间。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括：

处理模块，其被配置为根据所述发射模块发射所述激光光束的时刻和所述光探测部件接收所述第三返回光的时刻，确定所述目标对象的距离。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的系统，其特征在于，所述发射模块还包括：

激光准直部件，将所述发射模块发射的激光光束变成准直的激光光束。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

驱动模块，驱动所述第二反射镜旋转；

其中，所述第二反射镜在驱动模块的驱动下能够绕旋转轴旋转，所述旋转轴垂直于所述发射模块发射激光光束的方向，所述第二反射镜的旋转角度范围为0～360度。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的系统，其特征在于，

所述第一反射镜的反射面朝向所述发射模块，所述第一反射镜的反射面与所述发射模块发射激光光束的方向的夹角为45度。

8.根据权利要求1至4中任意一项所述的系统，其特征在于，

所述第二反射镜的反射面与所述第一反射镜的反射面互相面对且平行。

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