CN112859047B - 一种离轴激光雷达及其回波接收方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种离轴激光雷达及其回波的接收方法，该离轴激光雷达包括激光发射单元和激光接收单元，其中，激光接收单元包括：滤光片，用于对离轴激光雷达的的回波进行过滤，且滤光片为透光波长包含激光发射单元所发射激光波长的窄带滤光片；滤光片驱动器，用于转动滤光片以使离轴激光雷达的回波以预定角度范围内的一个角度入射到滤光片上；光电探测器，用于对滤光片过滤后的回波进行接收，且将接收到的回波进行光电转换。本申请解决了现有离轴激光雷达在具备较强回波接收能力的同时信噪比较低的技术问题。

Description

一种离轴激光雷达及其回波接收方法

技术领域

本发明涉及激光雷达的技术领域，尤其涉及一种离轴激光雷达及其回波的接收方法。

背景技术

激光雷达应用广泛，可以精确快速实现三维点云采集。从无人汽车、无人飞机到灵巧机器人，无一离得开激光雷达。

根据激光接收单元和激光发射单元的光路是否共线，激光雷达划分为同轴激光雷达和离轴激光雷达。其中，同轴激光雷达信噪比高，但往往受限于回波接收能力，并且整体系统结构复杂；离轴激光雷达通常拥有较为简单的结构和较高的回波接收能力，但在提高回波接收能力的同时增加了对外界环境光的接收，因此通常难以得到较高的信噪比。

其中主要一个导致离轴激光雷达信噪比较低的因素在于滤光片。目前为了获得较小的滤光片带宽且能承受较高的光功率，激光雷达应用中通常使用镀膜干涉式二向色性滤光片。由于二向色性滤光片对入射角敏感，因此在离轴激光雷达中，为了保证不同角度的信号反射光线均可被接收，滤光片带宽需要相应增大，但同时导致了更多背景噪声光被接收，导致信噪比降低

针对离轴激光雷达信噪比低的技术问题，现有技术缺乏有效的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有高信噪比的离轴激光雷达及其回波接收方法。

根据本发明第一方面，提供一种离轴激光雷达，包括激光发射单元和激光接收单元，所述激光接收单元包括：

滤光片，用于对所述激光雷达的回波进行过滤，且所述滤光片为透光波长包含所述激光发射单元所发射激光波长的窄带滤光片；

滤光片驱动器，用于转动所述滤光片以使所述离轴激光雷达的回波以预定角度范围内的一个角度入射到所述滤光片上；

光电探测器，用于对所述滤光片过滤后的回波进行接收，且将接收到的回波进行光电转换。

可选地，所述滤光片驱动器包括：

承载所述滤光片的承载台；

中央固定连接所述承载台的内框架；

与所述内框架固定连接以使所述内框架绕其转动的扭转梁，所述扭转梁在所述内框架转动过程中始终垂直所述滤光片法线；

其中，所述内框架上还排布有导线以使所述内框架随所述导线受安培力驱动而转动，以及，所述扭转梁在所述内框架转动过程中还对所述内框架施予阻力。

可选地，所述滤光片驱动器包括：

承载所述滤光片的承载台；

一端和所述承载台固定连接的转轴；

驱动所述转轴另一端自转的电机；

其中，所述电机驱动所述转轴另一端自转的过程中，所述承载台携带所述滤光片转动以及所述滤光片的法线始终垂直所述转轴。

可选地，所述滤光片驱动器包括：

承载所述滤光片的承载台；

支撑所述承载台的驱动臂；

连接所述驱动臂而置于所述驱动臂下方的衬底；

置于所述驱动臂内的电阻，所述电阻通电后改变所述驱动臂的温度以使所述驱动臂的抬升高度改变；

其中，所述驱动臂通过抬升高度改变控制所述承载台台面的倾斜度，所述滤光片的法线随所述承载台台面倾斜而转动。

可选地，所述滤光片通过机械连接和所述承载台组装而固定地承载在所述承载台上；

或者，所述滤光片通过粘接而固定地承载在所述承载台上；

或者，所述滤光片通过和所述承载台集成制造而固定地承载在所述承载台上。

可选地，所述滤光片驱动器为MEMS驱动器，所述MEMS驱动器包括以下任意一种：电热式MEMS驱动器、电磁式MEMS驱动器、静电式MEMS驱动器、压电式MEMS驱动器。

可选地，所述电热式MEMS驱动器为电热Bimorph驱动器。

可选地，所述滤光片为干涉式滤光片。

可选地，所述激光发射单元包括监测器，所述监测器用于监测所述激光发射单元所发射激光的发射角度并根据所述发射角度生成角度信号；

所述滤光片驱动器连接所述监测器以从所述监测器接收所述角度信号，并根据所述角度信号转动所述滤光片。

可选地，所述滤光片位于所述激光接收单元的光轴上，且在所述激光雷达的回波传播方向上所述滤光片置于所述激光接收单元的接收镜头前方；

或者，所述滤光片位于所述激光接收单元的光轴上，且置于所述激光接收单元的接收镜头与所述光电探测器之间。

可选地，所述滤光片包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片和所述第二滤光片二者为透光波长相同的窄带滤光片；

所述第一滤光片和所述第二滤光片经所述滤光片驱动器转动后，所述激光雷达的回波以同一个大于0°的角度入射到所述第一滤光片和所述第二滤光片上，以及，所述第一滤光片法线、所述第二滤光片法线与所述回波入射方向共面且所述第一滤光片法线和所述第二滤光片法线关于所述回波入射方向对称分布。

根据本发明第二方面，提供一种离轴激光雷达的回波接收方法，该回波接收方法应用在第一方面所述的任一种离轴激光雷达中，所述回波接收方法包括：

获取角度信号，所述角度信号为根据所述激光发射单元所发射激光的发射角度生成的信号；

根据所述角度信号转动所述滤光片，以使所述离轴激光雷达的回波以预定角度范围内的一个角度入射到所述滤光片上；

通过所述光电探测器对经所述滤光片过滤后的回波进行接收，且将接收到的回波进行光电转换。

可选地，所述滤光片包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片和所述第二滤光片二者为透光波长相同的窄带滤光片，根据所述角度信号转动所述滤光片，以使所述激光雷达的回波以预定角度范围内的一个角度入射到所述滤光片上，包括：

根据所述角度信号转动所述第一滤光片，以使所述激光雷达的回波以第一角度入射到所述第一滤光片上；

根据所述角度信号转动所述第二滤光片，以使所述激光雷达的回波以第二角度入射到所述第二滤光片上，以及，

所述第一角度和所述第二角度为大于0°的同一角度，以及，所述第一滤光片法线、所述第二滤光片法线与所述回波入射方向共面且所述第一滤光片法线和所述第二滤光片法线关于所述回波入射方向对称分布。

可选地，根据所述角度信号转动所述滤光片，包括：根据所述角度信号转动所述滤光片，以使所述激光雷达的回波垂直入射到所述滤光片上。

本发明实施例的有益效果：

本发明实施例提供的离轴激光雷达中，激光接收单元包括滤光片和转动滤光片的驱动器，其中，滤光片带通范围很窄，滤光片所透光的波长为激光发射单元所发射激光的波长。该离轴激光雷达在使用中，驱动器转动滤光片以使激光雷达的回波以恒定角度入射到滤光片上，这样滤光片周围环境中不同反射角度的回波始终能够以恒定入射角度确保透过滤光片，而环境光会因滤光片上述窄带通范围的设置而无法透过滤光片，从而光电探测器接收的环境光大大减少，因而，离轴激光雷达在具备较强回波接收能力的同时信噪比也较高。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出了现有技术中离轴激光雷达的示意性结构框图和光路图；

图2示出了本发明实施例中一种离轴激光雷达的示意性结构框图和光路图；

图3示出了本发明实施例滤光片随回波偏转的示意图；

图4示出了本发明实施例中另一种离轴激光雷达的示意性结构框图和光路图；

图5示出了本发明实施例中接收镜头前后方放置滤光片的示意图；

图6示出了本发明实施例中第一种可选滤光片驱动器的示意图；

图7示出了本发明实施例中第二种可选滤光片驱动器的示意图；

图8示出了本发明实施例中第三种滤光片驱动器的正视图；

图9示出了本发明实施例中第四种滤光片驱动器的结构示意图；

图10示出了本发明实施例中驱动臂通过抬升高度控制承载台台面倾斜度的第一种结构示意图；

图11示出了本发明实施例中驱动臂通过抬升高度控制承载台台面倾斜度的第二种结构示意图；

图12示出了本发明实施例中驱动臂通过抬升高度控制承载台台面倾斜度的第三种结构示意图；

图13示出了本发明实施例中一种激光接收单元的示意图；

图14示出了本发明实施例中回波接收方法的流程图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

图1示出了现有技术中离轴激光雷达的一种示意性结构框图。参照图1，离轴激光雷达100包括激光发射单元110和激光接收单元120。离轴激光雷达100在使用中，激光发射单元110向待检测的目标区域C₁₁C₁₂发射波长为λ₁₀的激光，激光逐渐偏转即可实现对目标区域C₁₁C₁₂的扫描，扫描顺序包括但不限于激光沿直线A₁₀C₁₁到沿直线A₁₀C₁₂的逐渐偏转(即对目标区域C₁₁C₁₂从左向右地扫描)或者沿直线A₁₀C₁₂到沿直线A₁₀C₁₁的逐渐偏转(即对目标区域C₁₁C₁₂从右向左地扫描)。需要强调的是，图1中通过直线C₁₁C₁₂标示了目标区域，这不表示目标区域是一条直线，直线C₁₁C₁₂只是目标区域在图1所示平面内的投影。应当理解的是，为了说明激光发射单元110发射的激光对目标区域是进行扫描，图1中只是通过直线C₁₁C₁₂标示了目标区域的一个示例，这不构成对离轴激光雷达100待检测区域的限定。

对于目标区域C₁₁C₁₂来说，当激光沿直线A₁₀C₁₁入射到目标区域C₁₁C₁₂上时，目标区域C₁₁C₁₂对激光进行反射且反射光线C₁₁B₁₀射向激光接收单元120；当激光沿直线A₁₀C₁₂入射到目标区域C₁₁C₁₂上时，目标区域C₁₁C₁₂对激光进行反射且反射光线C₁₂B₁₀射向激光接收单元120。应当理解的是，入射到目标区域C₁₁C₁₂的激光为一束较窄的平行光，因为激光接收单元120的接收镜头尺寸远小于被测物体与接收镜头之间距离，所以经过漫反射后进入接收镜头的光线可被认为平行光；此外，因为激光接收单元120与激光发射单元110之间的距离通常远小于激光接收单元120与位于待目标区域的被测物体之间的距离，所以进入激光接收单元120的反射光线可近似认为与激光发射单元110的出射光线重合。如果被测物体与激光接收单元120距离较近时，可根据三角几何关系以及激光发射单元110与激光接收单元120之间的距离计算出反射光线的角度。

激光接收单元120包括接收镜头121和对接收光信号进行光电转换的光电探测器122，其中，光电探测器122对接收到的回波进行实时的光电转换而生成电信号，该电信号多为脉冲信号，该脉冲信号的生成时刻和激光发射单元110发射激光的时刻相结合即可实现目标区域C₁₁C₁₂内物体位置的探测；而接收镜头121通常具有较大视场以便接收周边环境中从目标区域C₁₁C₁₂反射回来的沿不同反射角度的回波，从而使得离轴激光雷达100具有较强的回波接收能力。由于阳光照射下的环境光很强，因而不同角度会有环境光入射到接收单元120，且入射到接收单元120的环境光会对系统引入不可忽略的噪声，从而系统的信噪比很低。

现有技术方案中，激光接收单元120设法通过配设带通式滤光片123来提高离轴激光雷达的信噪比。具体地，滤光片123允许通过的光的波长为激光雷达的激光波长λ₁₀，因而，滤光片123能够滤掉大部分环境光，从而使得系统的信噪比提高。然而，对于滤光片123来说，允许通过的光的中心波长随光入射角度的不同而变化，因而，激光接收单元120内配设的滤光片123的带宽需要增大，这样方可接收周边环境中各个反射角度的回波，确保离轴激光雷达100的较强回波接收能力。但是，滤光片123的带宽增大时，较多波长的环境光又能够透过滤光片123，从而使得系统的信噪比依然较低。

基于此，本发明实施例提供一种离轴激光雷达及其回波接收方法，用于解决现有离轴激光雷达在具备较强回波接收能力的同时信噪比较低的技术问题。以下结合附图进行详细介绍。

图2示出了本发明实施例中离轴激光雷达的一种示意性结构框图。参照图2，离轴激光雷达200如图1所示现有离轴激光雷达100包括激光发射单元210和激光接收单元220，但激光接收单元220的内部结构相对于图1所示现有离轴激光雷达100进行了改进。具体地，激光接收单元220内设置有接收镜头221、光电探测器222、滤光片223和滤光片驱动器224，其中，滤光片223用于对激光雷达200的回波进行过滤，且滤光片223为透光波长包含激光发射单元210所发射激光的波长λ₂₀的窄带滤光片；滤光片驱动器224用于转动滤光片223以使离轴激光雷达200的回波以预定角度范围内的一个β入射到滤光片223上；光电探测器222用于对激光雷达200经滤光片223过滤后的回波进行接收，且将接收到的回波进行光电转换。

具体地，上述接收镜头221可以为一个广角镜头，以便接收镜头221实现对回波进行全视场角接收。上述滤光片223采用干涉式的镀膜二向色滤光片，二向色滤光片将带宽范围外的光波反射回去而使得这些光波无法透过滤光片。上述激光发射单元210所发射激光的波长λ₂₀不为本发明实施例的限定内容，示例性地可选波长λ₂₀为905nm。上述激光发射单元210扫描目标区域C₂₁C₂₂所采用的激光偏转方式包括但不限于以下任一种方式：机械式扫描、微机电系统(Microelectro Mechanical Systems，简称MEMS)式扫描、相控式扫描。以及，上述滤光片驱动器224的结构及种类不受离轴激光雷达200的整体系统结构限定，可以根据离轴激光雷达200的使用环境和使用情景从电机控制式的驱动器、机械控制式的驱动器、压电式的驱动器、电磁式的驱动器、静电式的驱动器以及MEMS驱动器中选择一种使用，离轴激光雷达200的适用性更强。其中，所述MEMS驱动器包括以下任意一种：电热式MEMS驱动器、电磁式MEMS驱动器、静电式MEMS驱动器、压电式MEMS驱动器。

应当理解的是，滤光片223所透光的波长包含激光发射单元210所发射激光的波长λ₂₀，这在实践中往往指滤光片223所透光的中心波长为波长λ₂₀且滤光片223带宽很小，例如设置滤光片223具有2nm的带宽。相应于滤光片223的窄带宽，激光雷达回波在滤光片223上的入射角度β为一个预定角度范围内的角度，其中，所述预定角度范围为一个较小的角度范围，以及，激光雷达的回波以该预定角度范围内任一个角度入射到滤光片223后信噪比在离轴激光雷达200的可接受范围内。示例性地，预定角度范围上下限设置为与中心角度之间差值的绝对值为1°，所述中心角度的角度值为各种入射角度值中使滤光片223以最大透过率透过上述中心波长光波的角度值。实践中，预定角度范围上下限的差值可以根据允许操作精度或使用情景的允许精度范围而在2°的基础上进一步增大，只要最后信噪比在离轴激光雷达200的可接受范围内即可。

图3所示为滤光片223相对于目标区域C₂₁C₂₂上不同反射角度回波的位置示意图，其中，角度β的角度值设为0°。参照图3，若经目标区域C₂₁C₂₂反射得到回波与直线C₂₀B₂₀平行(即平行于y轴)，则滤光片驱动器224转动滤光片223以使滤光片223位于实线所示的位置1(即平行于xz平面)；若经目标区域C₂₁C₂₂反射得到回波与直线C₂₃B₂₀平行(即与y轴的夹角为-θ)，则滤光片驱动器224转动滤光片223以使滤光片223位于点线所示的位置2(即与xz平面的夹角为θ)；若经目标区域C₂₁C₂₂反射得到回波与直线C₂₄B₂₀平行(即与y轴的夹角为θ)，则滤光片驱动器224转动滤光片223以使滤光片223位于虚线所示的位置3(即与xz平面的夹角为-θ)，这样通过滤光片223的转动则使得回波始终以角度β入射到滤光片223上，从而使得滤光片223对回波的透过率不因回波从目标区域C₂₁C₂₂上的反射角度不同而不同。

本发明实施例提供的离轴激光雷达200，在激光接收单元220内设置窄带的滤光片223和驱动滤光片223转动的滤光片驱动器224，其中，滤光片驱动器224转动滤光片223，使得滤光片223与回波始终呈角度β以实现回波的高透过率，因此激光扫描视场内的回波均能够通过滤光片223并被接收单元220内的光电探测器222接收，而绝大部分激光扫描视场内的环境光波长不在滤光片223的带宽内，因此绝大部分环境光均被滤光片223阻挡，从而使得离轴激光雷达200在具备较强回波接收能力的同时信噪比得以大幅提高。

需要说明的是，滤光片223用于对激光雷达200的回波进行过滤，因而，滤光片223位于激光接收单元220的光轴上；光电探测器222用于对激光雷达200经滤光片223过滤后的回波进行接收，因而滤光片223沿回波传播方向位于光电探测器222前方。进一步，在一些实施例中，滤光片223可以如图2所示设置在接收镜头221和光电探测器222之间，这样进入接收镜头221视场的回波入射到滤光片223上，透过滤光片223的回波被光电探测器222接收；在另一些实施例中，滤光片223可以如图4所示沿回波传播方向设置在接收镜头221前方，这样回波先入射到滤光片223上，透过滤光片223的回波若位于接收镜头221的视场中，则能够最终入射到光电探测器222内且被光电探测器222接收。

值得注意的是，激光发射单元210发射出来的激光为高度准直的平行光束，该平行光束的光束较窄，在某一时刻只照射在目标区域C₂₁C₂₂上一个位置，而目标区域C₂₁C₂₂内被照射位置若存在物体，则该物体对入射的平行光束进行反射，反射出的回波也为高度准直的较窄平行光束；以及，参照图5，接收镜头221通常对目标区域C₂₁C₂₂反射回的平行回波具有汇聚的作用，以便汇聚后得到的光斑照射在光电探测器222上使得光电探测器感应到较强的回波。因而，沿回波传播方向，接收镜头221前方的回波光束较宽，而后方的回波光束较窄。

鉴于此，参照图5，在一些实施例中，滤光片223沿回波传播方向设置在接收镜头221前方的位置P₁P₂，回波光束平行地入射到滤光片223上，回波光束在滤光片223上的入射角度统一，在滤光片223为窄带滤光片的情况下同一回波光束也不会因角度差异问题而被滤光片223阻挡掉部分，这样光电探测器222接收到的回波强度不会减弱；但是，滤光片223需要有较大的孔径以使得进入接收镜头221视场内的回波都先经过滤光片223的过滤。在另一些实施例中，滤光片223设置在接收镜头221和光电探测器222之间的位置Q₁Q₂，回波光束经汇聚后入射到滤光片223上，滤光片223无需较大的孔径就可以使得透过接收镜头221的回波都经过滤光片223的过滤，尤其是此情况下滤光片223设置在激光接收单元220中，因而有利于激光接收单元220的小型化；但是，汇聚后的回波光束在滤光片223上的入射角度不统一，在滤光片223为窄带滤光片的情况下同一回波光束会因角度差异问题而被滤光片223阻挡掉部分，这样光电探测器222接收到的回波强度会减弱。不过，汇聚后的回波光束非常窄，这样即使部分光线因接收镜头221的汇聚作用改变方向，但也不会以偏离角度β较明显的入射角度入射到滤光片223上，因而同一回波光束整体上在滤光片223上的透光率不会受到较大不利影响。

进一步，针对上述因滤光片223放置位置不同而区分的两类实施例，位置P₁P₂放置滤光片223的实施例中，回波光束在滤光片223上的入射角度统一，滤光片223的带宽可以设置得较小，以严格滤掉环境光；而位置Q₁Q₂放置滤光片223的实施例中，回波光束在滤光片223上的入射角度不统一，滤光片223的带宽可以根据汇聚后回波光束内光线的偏离角度设置得较大，以便回波不被大部分滤掉。由于汇聚后的回波光束中不会有明显偏离角度β而入射到滤光片223上的光线，因而位置Q₁Q₂放置滤光片223的实施例中也无需将滤光片223的带宽设置地很大，滤光片223仍然为窄带滤光片。例如，激光发射单元210所发射激光的波长λ₂₀为905nm，在位置P₁P₂放置滤光片223的实施例中滤光片223的带宽为0.5nm，在位置Q₁Q₂放置滤光片223的实施例中滤光片223的带宽为2nm。

这里需要强调的是，光电探测器222和接收镜头221的间隔距离是根据激光发射单元210所发射激光的波长λ₂₀来设置，从而确保接收镜头221汇聚平行回波得到的最强汇聚光斑准确照射在光电探测器222上。参照图5，将回波最强汇聚光斑的照射位置记为位置R₁R₂，若光电探测器222围绕位置R₁R₂上下移动，则光电探测器222上光敏元件接收到的回波会稍稍减弱，但一般情况下光敏元件也能准确探测到回波。然而，若透过接收镜头221的光波中具有环境光，由于环境光中各波长的光经接收镜头221后也会汇聚为光斑，且不同波长的最强汇聚光波照射位置与接收镜头221的间隔距离不同，因而，位置R₁R₂附近的位置上可能接收到环境光中某一波长光的最强汇聚光斑，这样若光电探测器222位于该位置，则环境光会对回波接收造成干扰。对于图1所示的现有离轴激光雷达100来说，位置R₁R₂附近的位置上接收到环境光中某一波长光的最强汇聚光斑，造成了光电探测器122内光敏元件的可用动态范围减小。对于本发明实施例提供的离轴激光雷达200来说，滤光片223带宽很窄，环境光被滤光片223滤掉，因而光电探测器222内光敏元件的可用动态范围不再受限，光敏元件的可用动态范围大幅增大。

图6所示为一个可选实施例中滤光片驱动器224的示意图。参照图6，滤光片驱动器224包括：承载滤光片223的承载台X11；中央固定连接承载台X11的内框架X12；与内框架X12固定连接以使内框架X12绕其转动的扭转梁X13(扭转梁X13沿z轴，内框架X12旋转的角速度方向始终沿z轴)，扭转梁X13在内框架X12转动过程中始终垂直滤光片223法线(滤光片223法线始终位于xy平面内)；其中，内框架X12上还排布有导线X14以使内框架X12随导线X14受安培力驱动而转动，以及，扭转梁X13在内框架X12转动过程中还对内框架X12施予阻力。

具体地，内框架X12随导线X14受安培力，需要内框架X12处于外加磁场中以及导线X14内通电流信号，其中，外加磁场可在内框架X12平面内，与z轴方向呈一定角度，以达到滤光片在x与z轴均可转动的目的；当需滤光片绕x轴转动时，导线X14中的电流信号中可以加入高频信号，使滤光片223在绕x轴方向形成谐振转动。需要说明的是，扭转梁X13一端和内框架X12固定连接，另一端可以和外框架X15固定连接，内框架X12旋转过程中扭转梁X13和内框架X12连接的一端相对于另一端扭转而使扭转梁X13发生形变，因而会产生一个回复力，这个回复力即对内框架X12的转动施予阻力。

本实施例中，滤光片驱动器224属于电磁式的驱动器，安培力和回复力共同作用控制内框架X12的转动角度，具体可以通过调节外加磁场的磁场强度以及导线X14内电流的大小来实现。进一步，图6所示的整个滤光片驱动器224可以制成微结构形式，即为一种电磁式MEMS驱动器。

图7所示为另一个可选实施例中滤光片驱动器224示意图。参照图7，滤光片驱动器224包括：承载滤光片223的承载台X21；一端和承载台X21固定连接的转轴X22(转轴X22沿z轴)；驱动转轴X22另一端自转的电机X23；其中，电机X23驱动转轴X22另一端自转的过程中，承载台X21携带滤光片223转动以及滤光片223的法线始终垂直转轴X22(滤光片223的法线始终位于xy平面内)。需要说明的是，本实施例对转轴X22和电机X23的连接方式不进行限定，只要电机X23能够驱动转轴X22另一端自转即可；转轴X22是一个两端之间不会发生相对扭转形变的轴，因而转轴X22另一端以沿z轴的角速度进行自转的过程中转轴X22和承载台X21连接的一端也会转动，因而最终使得承载台X21携带滤光片223转动。本实施例中，滤光片驱动器224属于电机控制式的驱动器，电机X23可以采用步进式电机，从而精确控制转轴X22的转动角度，使得滤光片223实现所需角度的转动。

图8所示为另一个可选实施例中滤光片驱动器224的示意图。参照图8，滤光片驱动器224包括：承载滤光片223(平行于xz平面)的承载台X31；中央设置承载台X31的内框架X32且内框架X321通过竖直扭转梁X33和承载台X31连接(竖直扭转梁X33沿x轴，其一端与承载台X31固定连接而另一端与内框架X32固定连接)；中央设置内框架X32的外框架X35且外框架X35通过水平扭转梁X34和内框架X32连接(水平扭转梁X34沿z轴，其一端与内框架X32固定连接而另一端与外框架X35固定连接)；其中，内框架X32还与竖直定疏齿X36连接，承载台X31还与竖直动疏齿X37连接，当竖直定疏齿X36和竖直动疏齿X37施加电压时，竖直动疏齿X37在静电力的作用下带动承载台X31绕竖直扭转梁X33旋转(即绕x轴旋转)；以及，内框架X32还与水平动疏齿X38连接，外框架X35还与水平定疏齿X39连接，当水平动疏齿X38和水平定梳齿X39施加电压时，水平动疏齿X38在静电力的作用下带动内框架X32绕水平扭转梁X34旋转(即绕z轴旋转)。因此，滤光片223可绕x、z两个轴旋转。图8所示的整个滤光片驱动器224属于静电式的驱动器，若图8所示的整个滤光片驱动器224制成微结构形式即为一种静电式MEMS驱动器。

本发明的另一个可选施例中，滤光片驱动器224包括：承载滤光片223的承载台；支撑承载台的驱动臂；置于驱动臂内的电阻，所述电阻通电后改变驱动臂的温度以使驱动臂的抬升高度改变；连接驱动臂而置于所述驱动臂下方的衬底；其中，驱动臂通过抬升高度改变控制承载台台面的倾斜度，滤光片223的法线随承载台台面倾斜而转动。这里驱动臂可以由双层薄膜材料构成，各层薄膜材料一端连接承载台而另一端连接衬底；以及，承载台可以采用硅结构式，整个滤光片驱动器224可以制成微结构形式，即为一种电热式MEMS驱动器。所述衬底以能够承载驱动臂且不影响回波传播为依据设置自身结构，例如，为中央设有通孔的平板，中央的通孔用于供回波传播。

进一步，上述电热式MEMS微驱动器为电热Bimorph驱动器，电热Bimorph驱动器同样采用上述电热式MEMS微驱动器的基本结构，只是各驱动臂的结构更为适应于提升高度需要在较宽范围内调节的情形，具体原理参照图9。图9中，(a)图所示为一双层薄膜材料构成的可弯曲结构，双薄膜材料例如铝薄膜和二氧化硅薄膜，铝薄膜和二氧化硅薄膜之间夹着电阻层Heater(电阻层Heater上表面接触铝薄膜，下表面接触二氧化硅薄膜)，电阻层Heater在通电后发热，从而使得铝薄膜和二氧化硅薄膜变形而弯曲，且铝薄膜弯曲更明显，最终(a)图所示的可弯曲结构在电阻层Heater通电后向上弯曲；(b)图示出两种可弯曲结构，其中，左侧的可弯曲结构为两个(a)图所示可弯曲结构延伸连接后得到的，右侧的可弯曲结构(置于衬底Substrate上)为两个左侧的可弯曲结构纵向叠加后得到的(图(b)同图(a)，电阻层Heater接触的深灰色薄膜表示铝薄膜，电阻层Heater接触的浅灰色薄膜表示二氧化硅薄膜)，明显看出：相较于左侧可弯曲结构，右侧可弯曲结构顶部的微平板MirtorPlate能够具有更高的抬升高度；(c)图示出最终形成的驱动臂X41、X42、X43和X44，其中，任一个驱动臂都是由两个(b)图中右侧所示可弯曲结构水平对接后得到，这不仅使得驱动臂的抬升高度能够得到较大范围的调节，而且使得驱动臂能发挥稳定的支撑作用。

需要说明的是，图9中的(c)图只是示例性地示意四个驱动臂X41、X42、X43和X44与承载台X40之间的位置关系，因而所示承载台X40并不表示限定承载台X40的具体结构；四个驱动臂X41、X42、X43和X44也不表示限定电热Bimorph驱动器只能包括四个驱动臂，电热Bimorph驱动器所包括的驱动臂相结合只要能够使得承载台X40发生滤光片223所需的倾斜即可。

本发明的另一个可选施例中，滤光片驱动器224包括：承载滤光片223的承载台；支撑承载台的驱动臂；连接驱动臂并位于驱动臂下方的衬底；置于驱动臂上的电极。这里驱动臂为双层薄膜结构，其中一层由压电材料构成，各层薄膜结构一端连接承载台而另一端连接衬底；所述电极分别位于压电材料上下表面，并通过改变电压以使驱动臂的抬升高度改变(具体原因是电极通电后压电材料发生应变，双层薄膜结构发生弯曲则能够以电热Bimorph驱动器内驱动臂的结构而形成本发明实施例所需的抬升高度可变的驱动臂)；其中，驱动臂通过抬升高度改变控制承载台台面的倾斜度，滤光片223的法线随承载台台面倾斜而转动。本实施例所提供的滤光片驱动器224即为一种压电式的驱动器；进一步，承载台可以采用硅结构式，整个滤光片驱动器224可以制成微结构形式，即为一种压电式MEMS微驱动器。

关于驱动臂通过抬升高度控制承载台台面的倾斜度，具体可以参见图10所示、图11或者图12所示的实施方式。

参照图10，滤光片驱动器224包括：承载滤光片223的承载台2241；支撑承载台2241的单个驱动臂2242，单个驱动臂2242的抬升高度改变即可便捷地使滤光片223实现转动。具体地，驱动臂2242减小抬升高度，则滤光片223会向该驱动臂2242支撑的一侧倾斜；驱动臂2242增加抬升高度，则滤光片223会向该驱动臂2242支撑一侧的相对一侧倾斜。

进一步，驱动臂2242的数目可以为多个，多个驱动臂2242沿承载台2241边沿分散地排列来支撑承载台2241；其中，多个驱动臂2241的分散排列方式为：沿同一方向分散地排列，或者，在相互垂直的两个方向上分散地排列。对于多个驱动臂2242沿同一方向分散排列的情况，驱动臂2242的数目可以为两个，参照图11所示滤光片驱动器224在xy平面上的主视图，两个驱动臂2242沿x方向分散地排列，这样一个驱动臂抬升高度减小的同时另一个驱动臂抬升高度增加则能够快速地转动滤光片223，即利于实时地确保回波以恒定角度入射到滤光片223上；对于多个驱动臂2242在相互垂直的两个方向上分散排列的情况，驱动臂2242的数目可以为四个，参照图12所示驱动器224在xz平面上的俯视图，x方向上设置两个驱动臂2242以及z方向上设置两个驱动臂2242(通过虚线表示在该俯视图中驱动臂2242被承载台2241遮挡)，这样滤光片223可以通过x方向和z方向相结合的二维调节来实现灵活转动。上述多个驱动臂2242沿承载台2241边沿分散地排列，可以是每个驱动臂2242皆位于承载台2241的下方且在承载台2241的边缘位置设置，这样驱动臂2242抬升高度的稍许改变会带来滤光片223的明显转动，即使得驱动器224能够以较高的灵敏度来转动滤光片223。

具体地，滤光片223和以上各可选实施例所述承载台之间，可以是通过机械连接和承载台组装而固定地承载在承载台上，其中，机械连接例如有通过配套的螺母和螺钉，在需要改变滤光片223带宽或透光中心波长的情况下滤光片223只需从承载台上换掉即可；也可以是通过粘接而固定地承载在承载台上；还可以是通过和承载台集成制造而固定地承载在所述承载台上，即，滤光片223和承载台之间为不可拆分的结构，这样滤光片223会很稳定地承载在承载台上。

需要说明的是，承载台以满足能够承载滤光片223且不影响滤光片223的滤光性能为依据设置自身结构，例如，为中心设有圆形通孔的正方形平板，且平板在圆形通孔周围有凹陷区以使滤光片嵌入凹陷区而不轻易晃动。

一个可选的实施例中，激光发射单元210包括监测器，监测器用于监测激光发射单元210所发射激光的发射角度并根据发射角度生成角度信号；驱动器224连接监测器以从监测器接收角度信号，并根据角度信号来准确转动滤光片223，以确保回波以角度β入射到滤光片223上。

具体地，角度信号携带有激光发射单元210所发射激光的发射角度信息。驱动器224和监测器之间的连接可以是无线通信连接。上述监测器可以是激光发射单元210中激光发射角度的控制模块，也可以是与激光发射角度的控制模块相连接的一个器件，这里不作具体限定。

值得注意的是，无论是图2所示的离轴激光雷达200还是图4所示的离轴激光雷达200，目标区域C₂₁C₂₂中，点C₂₁所标注位置的入射光线A₂₀C₂₁和反射光线C₂₁B₂₀之间具有较明显夹角，点C₂₂所标注位置的入射光线A₂₀C₂₂和反射光线C₂₂B₂₀之间具有较明显夹角，这只是为了区分入射光线和反射光线。实际上，由于离轴激光雷达200所发射激光束很窄，目标区域C₂₁C₂₂上任意位置的入射光线和反射光线几乎重合，因而，为了简化计算或者为了更及时地旋转滤光片223，可以近似地认为目标区域C₂₁C₂₂上任意位置的入射光线和反射光线重合。鉴于此，驱动器224接收到角度信号后即可从角度信号中解析出回波的传播角度，因而根据角度信号转动滤光片223则能确保回波以预定角度范围内一个角度入射到滤光片223上。

示例性地，参照图3，若激光发射单元210在初始时刻沿y轴正方向发射出的激光探测目标区域C₂₁C₂₂上点C₂₀标注的位置，则回波沿反射光线C₂₀B₂₀入射到滤光片223上，滤光片223是位于位置1(角度β＝0°)；若激光发射单元210发射激光的发射角度向x轴负半轴偏转而探测点C₂₃标注的位置(位于点C₂₁标注位置的右侧)，即激光的发射角度与y轴的夹角为-θ，则回波沿反射光线C₂₃B₂₀入射到滤光片223上，滤光片223是位于位置2；若激光发射单元210发射激光的发射角度向x轴正半轴偏转而探测点C₂₄标注的位置(位于点C₂₂标注位置的左侧)，即激光的发射角度与y轴的夹角为θ，则回波沿反射光线C₂₄B₂₀入射到滤光片223上，滤光片223是位于位置3。

需要说明的是，对于离轴激光雷达100来说，一些分光路光学元件会被运用以确保激光接收单元220和激光发射单元110的光路不共线，由于图2和图4中已将激光接收单元220和激光反射单元110的光路区分开，因而图中没有添加分光路光学元件进行示意。并且，分光路光学元件对目标区域C₂₁C₂₂上任一位置反射光线的光路偏转角度是能够推知的，因而根据激光发射单元210发射激光的发射角度仍然可以得知回波的传播角度，这里不再结合分光路光学元件对滤光片223旋转角度的确定过程进行赘述。

参照图13，一个可选的实施例中，滤光片223包括第一滤光片2231和第二滤光片2232，第一滤光片2231和第二滤光片2232二者为透光波长相同的窄带滤光片；第一滤光片2231和第二滤光片经滤光片驱动器224转动后，激光雷达的回波以同一个大于0°的角度入射到第一滤光片2231和第二滤光片2232上，以及，第一滤光片2231的法线D₁₁D₁₂、第二滤光片2232的法线D₂₁D₂₂与回波入射方向C_2iB₂₀共面且第一滤光片2231法线D₁₁D₁₂和第二滤光片2232的法线D₂₁D₂₂关于回波入射方向C_2iB₂₀对称分布。

对于第一滤光片2231和第二滤光片经滤光片驱动器224转动后的位置可作如下理解：若确保激光雷达的回波以角度β入射到滤光片223上，则滤光片223有多个可选位置，这些可选位置可以围绕回波入射方向形成一个锥形，若以包括回波入射方向的一个目标平面插入该锥形则目标平面与该锥形面相交处即为两个可选位置：第一可选位置和第二可选位置。由于多个滤光片223需要沿回波入射方向按先后顺序地排开以便回波能依次透过各个滤光片223，因而第一滤光片2231位于第一可选位置，第二滤光片2232位于第二可选位置沿回波入射方向平移后的位置。

具体地，第一滤光片2231和第二滤光片2232皆位于激光接收单元220的光轴上，可以如图13所示二者在回波传播方向上皆置于接收镜头221前方，也可以是二者中一个置于接收镜头221前方而另一个置于接收镜头221和光电探测器222之间，还可以是二者皆置于接收镜头221和光电探测器222之间。

第一滤光片2231和第二滤光片2232可以各对应一个滤光片驱动器224，以便通过各自对应的滤光片驱动器驱动自身转动。

需要说明的是，激光雷达的回波以预定角度范围内一个角度β入射到第一滤光片2231和第二滤光片2232上，这样在第一滤光片2231和第二滤光片2232二者所透光的波长相同情况下，激光雷达的回波既能通过第一滤光片2231又能通过第二滤光片2232。但是，对于外界环境光C′_2iB₂₀来说，即使由于第一滤光片2231和第二滤光片2232的带宽设置使其能够进入第一滤光片2231，但是由于外界环境光C′_2iB₂₀在第一滤光片2231和第二滤光片2232上的入射角度是不同的，尤其是若外界环境光C′_2iB₂₀在第一滤光片2231的入射角度大于角度β，则外界环境光C′_2iB₂₀在第二滤光片2231的入射角度小于角度β，这样外界环境光C′_2iB₂₀很大概率上会被第二滤光片2232过滤掉。

本实施例中，由于第一滤光片2231和第二滤光片2232为两个透光波长相同的窄带滤光片，因而，外界环境光若入射角度与回波入射角度有微小区别就会被过滤掉，从而使离轴激光雷达200的信噪比得到进一步明显的提高。

相应于以上所述的离轴激光雷达200，本发明实施例还提供了一种离轴激光雷达的回波接收方法，该回波接收方法应用在以上任一种离轴激光雷达200中。图14所示为回波接收方法的流程图，参照图14，该回波接收方法包括：

步骤S110，获取角度信号，角度信号为根据激光发射单元210所发射激光的发射角度生成的信号。

步骤S120，根据角度信号转动滤光片223，以使激光雷达的回波以预定角度范围内的一个角度β入射到滤光片223上。

步骤S130，通过光电探测器222对经滤光片223过滤后的回波进行接收，且将接收到的回波进行光电转换。

本发明实施例中，根据角度信号转动滤光片223，即滤光片223跟随激光发射单元210所发射激光的发射角度转动，最终离轴激光雷达200的回波以恒定角度入射到滤光片223上，因此通过恒定角度的合理设置，激光扫描视场内的回波均能够通过滤光片223，并且滤光片223允许选用窄带滤光片以滤掉绝大部分环境光，从而对回波具有较强接收能力的同时信噪比也得以大幅提高，而且使得离轴激光雷达200内光电探测器222所使用光敏元件的可用动态范围能够大幅增大。

进一步，步骤S120，根据角度信号转动滤光片223，以使激光雷达的回波以角度β入射到滤光片223上，可以包括：根据角度信号转动滤光片223，使激光雷达的回波垂直入射到滤光片223上，即将角度β选择为0°，这样不仅在操作上易于准确实现回波以恒定角度入射到滤光片223上，而且还有利于回波以较大透过率透过滤光片223。

进一步，滤光片223包括第一滤光片2231和第二滤光片2232，第一滤光片2231和第二滤光片2232二者为透光波长相同的窄带滤光片，步骤S120，根据角度信号转动滤光片，以使激光雷达的回波以预定角度范围内的一个角度β入射到滤光片223上，包括：根据角度信号转动第一滤光片2231，以使激光雷达的回波以第一角度入射到第一滤光片2231上；根据角度信号转动第二滤光片2232，以使激光雷达的回波以第二角度入射到第二滤光片2232上，以及，第一角度和第二角度为大于0°的同一角度，以及第一滤光片2231的法线D₁₁D₁₂、第二滤光片2232的法线D₂₁D₂₂与回波入射方向C_2iB₂₀共面且第一滤光片2231法线D₁₁D₁₂和第二滤光片2232的法线D₂₁D₂₂关于回波入射方向C_2iB₂₀对称分布。

应当说明的是，本发明实施例所提供回波接收方法的具体实施方式可以参照以上对离轴激光雷达200的相关描述，这里不再赘述。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (13)

1.一种离轴激光雷达，其特征在于，包括激光发射单元和激光接收单元，所述激光接收单元包括：

滤光片，用于对所述激光雷达的回波进行过滤，且所述滤光片为透光波长包含所述激光发射单元所发射激光波长的窄带滤光片；

滤光片驱动器，用于转动所述滤光片以使所述离轴激光雷达扫描目标区域内不同位置的回波以预定角度范围内的同一个角度入射到所述滤光片上；

光电探测器，用于对所述滤光片过滤后的回波进行接收，且将接收到的回波进行光电转换；

接收镜头，用于接收所述激光雷达各角度的回波，并将接收到的回波汇聚到所述光电探测器。

2.根据权利要求1所述的离轴激光雷达，其特征在于，所述滤光片驱动器包括：

承载所述滤光片的承载台；

中央固定连接所述承载台的内框架；

与所述内框架固定连接以使所述内框架绕其转动的扭转梁，所述扭转梁在所述内框架转动过程中始终垂直所述滤光片法线；

其中，所述内框架上还排布有导线以使所述内框架随所述导线受安培力驱动而转动，以及，所述扭转梁在所述内框架转动过程中还对所述内框架施予阻力。

3.根据权利要求1所述的离轴激光雷达，其特征在于，所述滤光片驱动器包括：

承载所述滤光片的承载台；

一端和所述承载台固定连接的转轴；

驱动所述转轴另一端自转的电机；

其中，所述电机驱动所述转轴另一端自转的过程中，所述承载台携带所述滤光片转动以及所述滤光片的法线始终垂直所述转轴。

4.根据权利要求1所述的离轴激光雷达，其特征在于，所述滤光片驱动器包括：

承载所述滤光片的承载台；

支撑所述承载台的驱动臂；

连接所述驱动臂而置于所述驱动臂下方的衬底；

置于所述驱动臂内的电阻，所述电阻通电后改变所述驱动臂的温度以使所述驱动臂的抬升高度改变；

其中，所述驱动臂通过抬升高度改变控制所述承载台台面的倾斜度，所述滤光片的法线随所述承载台台面倾斜而转动。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的离轴激光雷达，其特征在于，

所述滤光片通过机械连接和所述承载台组装而固定地承载在所述承载台上；

或者，所述滤光片通过粘接而固定地承载在所述承载台上；

或者，所述滤光片通过和所述承载台集成制造而固定地承载在所述承载台上。

6.根据权利要求1所述的离轴激光雷达，其特征在于，所述滤光片驱动器为MEMS驱动器，所述MEMS驱动器包括以下任意一种：电热式MEMS驱动器、电磁式MEMS驱动器、静电式MEMS驱动器、压电式MEMS驱动器。

7.根据权利要求6所述的离轴激光雷达，其特征在于，所述电热式MEMS驱动器为电热Bimorph驱动器。

8.根据权利要求1所述的离轴激光雷达，其特征在于，所述滤光片为干涉式滤光片。

9.根据权利要求1所述的离轴激光雷达，其特征在于，

所述激光发射单元包括监测器，所述监测器用于监测所述激光发射单元所发射激光的发射角度并根据所述发射角度生成角度信号；

所述滤光片驱动器连接所述监测器以从所述监测器接收所述角度信号，并根据所述角度信号转动所述滤光片。

10.根据权利要求1所述的离轴激光雷达，其特征在于，

所述滤光片位于所述激光接收单元的光轴上，且在所述激光雷达的回波传播方向上所述滤光片置于所述激光接收单元的接收镜头前方；

或者，所述滤光片位于所述激光接收单元的光轴上，且置于所述激光接收单元的接收镜头与所述光电探测器之间。

11.根据权利要求1所述的离轴激光雷达，其特征在于，

所述滤光片包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片和所述第二滤光片二者为透光波长相同的窄带滤光片；

所述第一滤光片和所述第二滤光片经所述滤光片驱动器转动后，所述激光雷达的回波以同一个大于0°的角度入射到所述第一滤光片和所述第二滤光片上，以及，所述第一滤光片法线、所述第二滤光片法线与所述回波入射方向共面且所述第一滤光片法线和所述第二滤光片法线关于所述回波入射方向对称分布。

12.一种离轴激光雷达的回波接收方法，其特征在于，应用在权利要求1-11中任一项所述的离轴激光雷达中，所述回波接收方法包括：

获取角度信号，所述角度信号为根据所述激光发射单元所发射激光的发射角度生成的信号；

根据所述角度信号转动所述滤光片，以使所述离轴激光雷达扫描目标区域内不同位置的回波以预定角度范围内的同一个角度入射到所述滤光片上；

通过所述光电探测器对经所述滤光片过滤后的回波进行接收，且将接收到的回波进行光电转换。

13.根据权利要求12所述的回波接收方法，其特征在于，所述滤光片包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片和所述第二滤光片二者为透光波长相同的窄带滤光片，根据所述角度信号转动所述滤光片，以使所述激光雷达的回波以预定角度范围内的一个角度入射到所述滤光片上，包括：

根据所述角度信号转动所述第一滤光片，以使所述激光雷达的回波以第一角度入射到所述第一滤光片上；

根据所述角度信号转动所述第二滤光片，以使所述激光雷达的回波以第二角度入射到所述第二滤光片上，以及，

所述第一角度和所述第二角度为大于0°的同一角度，以及，所述第一滤光片法线、所述第二滤光片法线与所述回波入射方向共面且所述第一滤光片法线和所述第二滤光片法线关于所述回波入射方向对称分布。