CN112946666A - 一种激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种激光雷达系统。该激光雷达系统包括旋转模块、反射模块、发射模块以及接收模块；反射模块包括两个以上反射面，反射模块位于旋转模块上；旋转模块用于带动反射模块的两个以上反射面绕旋转轴旋转以实现一个方向的扫描；发射模块和接收模块对应，分别位于反射模块的两侧以形成左右对应设置，发射模块用于出射至少一束信号光束，信号光束经过反射模块反射后入射到待测目标，接收模块用于接收待测目标反射的回波光束。本发明实施例的技术方案，可以降低激光雷达系统的高度，有利于达到车载等领域的需求。

Description

一种激光雷达系统

技术领域

本发明实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达系统。

背景技术

随着激光技术的发展，激光扫描技术越来越广泛地应用于测量、交通、驾驶辅助和移动机器人等领域。激光雷达系统是一种通过激光来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是先向目标发射探测激光光束，然后将从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等信息。

目前，为了增大激光雷达的扫描范围，通常在发射模块一个方向上排布多个发射器，接收模块排布多个接收器，通过电机旋转对周围环境进行扫描形成多线激光雷达光学系统。由于发射模块和接收模块上下对应排布，导致激光雷达系统的高度较高，无法达到一些汽车企业的要求。现有技术一般通过分别压缩发射模块和接收模块的高度，这样对发射器和接收器的排布带来一定的挑战。

发明内容

本发明实施例提供一种激光雷达系统，以降低激光雷达系统的高度，有利于实现系统达到车载等领域的需求。

本发明实施例提供一种激光雷达系统，包括旋转模块、反射模块、发射模块以及接收模块；

所述反射模块包括两个以上反射面，所述反射模块位于所述旋转模块上；

所述旋转模块用于带动所述反射模块的两个以上反射面绕旋转轴旋转以实现一个方向的扫描；

所述发射模块和所述接收模块对应，分别位于所述反射模块的两侧以形成左右对应设置，所述发射模块用于出射至少一束信号光束，所述信号光束经过反射模块反射后入射到待测目标，所述接收模块用于接收所述待测目标反射的回波光束。

可选的，所述反射模块的光轴和所述接收模块的光轴位于同一直线上，所述发射模块的光轴的方向与所述旋转轴垂直。

可选的，所述反射模块包括旋转棱镜，所述旋转棱镜包括顶面、底面和位于所述顶面与所述底面之间的四个侧面，所述侧面为反射面。

可选的，至少两个所述反射面与所述旋转轴之间的夹角不相等。

可选的，相对的两个所述反射面与所述旋转轴的夹角均大于或者均小于，两个所述反射面之间的反射面与所述旋转轴的夹角。

可选的，相对的两个所述反射面与所述旋转轴的夹角相等。

可选的，至少一个所述反射面与所述顶面和所述底面均垂直。

可选的，所述顶面、所述底面和四个所述侧面围成空心轴；

所述旋转模块设置于所述旋转棱镜的空心轴内。

可选的，所述发射模块包括多个激光器，至少部分所述激光器的出射光束与第一方向的夹角不为零，所述第一方向与所述旋转轴的方向垂直；

所述接收模块包括多个光电探测器，每个所述光电探测器用于接收对应激光器出射，并被所述待测目标返回的光束。

可选的，所述发射模块还包括发射镜组，位于所述激光器与所述反射模块之间，用于将所述激光器出射的激光光束进行准直后入射到所述反射模块上；

所述接收模块还包括接收镜组，位于所述光电探测器与所述反射模块之间，用于将所述反射模块反射的激光光束进行聚焦后入射到所述光电探测器上。

本发明实施例提供的激光雷达系统，包括旋转模块、反射模块、发射模块以及接收模块；反射模块包括两个以上反射面，反射模块位于旋转模块上；旋转模块用于带动反射模块的两个以上反射面绕旋转轴旋转以实现一个方向的扫描；发射模块和接收模块对应，分别位于反射模块的两侧以形成左右对应设置，发射模块用于出射至少一束信号光束，信号光束经过反射模块反射后入射到待测目标，接收模块用于接收待测目标反射的回波光束。通过发射模块出射信号光束，通过接收模块接收回波光束，实现待测目标的探测；通过将反射模块设置在旋转模块上，旋转模块带动反射模块的反射面旋转，实现光束扫描；通过将发射模块和接收模块分别在反射模块的两侧左右对称设置，可以避免发射模块和接收模块上下设置，从而降低激光雷达系统的高度，有利于实现系统达到车载等领域的需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的俯视示意图；

图3为本发明实施例提供的一种反射模块的结构示意图；

图4和图5分别为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的光路示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种激光雷达系统的结构示意图；

图7和图8分别为本发明实施例中激光器的出射状态示意图。

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系统的结构示意图，图2所示为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的俯视示意图，参考图1和图2，本实施例提供的激光雷达系统包括旋转模块10、反射模块20、发射模块30以及接收模块40；反射模块20包括两个以上反射面(例如可以是反射模块20的侧壁面，图1以四个侧壁面为例)，反射模块20位于旋转模块10上；旋转模块10用于带动反射模块20的两个以上反射面绕旋转轴AA旋转以实现一个方向的扫描；发射模块30和接收模块40对应，分别位于反射模块20的两侧以形成左右对应设置，可选的，在某一实施例中，发射模块30的中心轴a和接收模块40的中心轴b位于同一直线上，即中心轴a和中心轴b位于同一平面内；在另一实施例中，可以设置中心轴轴a和中心轴b平行但不共面，即中心轴a和中心轴b分别位于相互平行且相距较近的两个平面内。发射模块30用于出射至少一束信号光束，信号光束经过反射模块20反射后入射到待测目标(图1和图2中未示出)，接收模块40用于接收待测目标反射的回波光束。

可以理解的是，本实施例提供的激光雷达系统可以用于无人驾驶汽车、自动导航机器人等领域，也可以单独适用于3D建图、避障等应用。发射模块30和接收模块40分别用于在控制模块(例如现场可编程门阵列FPGA)的控制下出射信号光束和接收回波光束，信号光束可以为红外激光光束，接收回波光束可以采用雪崩光电二极管(APD)作为光接收元件，具体实施时可以根据实际情况选择。其中发射模块30出射的信号光束被反射模块20的反射面反射后传输到待测目标，待测目标返回的回波光束被反射模块20的反射面反射后被接收模块40接收。当旋转模块10带动反射模块20旋转时，发射模块30出射的信号光束可以实现水平扫描，此处水平方向指的是垂直于旋转轴AA的方向。在具体实施时，发射模块30可以设置多路输出，对应的，接收模块40设置多路接收，以形成不同视角的扫描范围。在某一实施例中，发射模块30和接收模块40分别位于反射模块20的两侧，且二者的光轴位于垂直于旋转轴AA的同一平面上的同一条直线上，这样可以避免发射模块30和接收模块40沿竖直方向(平行与旋转轴AA的方向)排布，从而最大程度降低激光雷达系统的高度。这样可以使发射模块30和接收模块40关于反射模块20的旋转轴AA对称分布，可以使整个系统结构质量分布均匀，提高系统的平稳性。具体实施时，旋转模块10可以包括电动机，通过电动机的转动带动反射模块20的旋转。在其他实施例中，也可以设置发射模块30和接收模块40的光轴位于相互平行且相距较近的两个平面内，本发明实施例对此不作限定。

本实施例的技术方案，通过发射模块出射信号光束，通过接收模块接收回波光束，实现待测目标的探测；通过将反射模块设置在旋转模块上，旋转模块带动反射模块的反射面旋转，实现光束扫描；通过将发射模块和接收模块分别在反射模块的两侧左右对称设置，可以避免发射模块和接收模块上下设置，从而降低激光雷达系统的高度，有利于实现系统达到车载等领域的需求。

在上述技术方案的基础上，可选的，反射模块包括旋转棱镜，旋转棱镜包括顶面、底面和位于顶面与底面之间的四个侧面，侧面为反射面。

示例性的，图3所示为本发明实施例提供的一种反射模块的结构示意图，参考图3，反射模块包括旋转棱镜21，旋转棱镜21包括顶面211、底面212和位于顶面211与底面212之间的第一侧面213、第二侧面214、第三侧面215和第四侧面216，第一侧面213、第二侧面214、第三侧面215和第四侧面216为反射面。在其他实施例中，反射模块可以包括其他数量的侧面，例如可以是三个、五个、六个等，也可以只设置部分侧面为反射面，仅需设置反射面的数量大于等于2即可。可选的，在具体实施时，存在两个相邻的反射面，发射模块和接收模块分别位于相邻的两个反射面一侧。可选的，至少两个反射面与旋转轴之间的夹角不相等。

可以理解的是，通过设置至少两个反射面与旋转轴之间的夹角不相等，即至少两个侧面设置为倾斜角度不同的反射面，从而使棱镜旋转时照射在不同反射面上的光束变为垂直方向上的多条光束，增加激光雷达的线数，减小LD和APD使用数量，从而提高系统稳定性并降低成本。

可选的，所有反射面与旋转轴的夹角大于或等于0°。

可以理解的是，此处设置反射面与旋转轴的夹角指的是反射面与旋转轴夹角的数值大小，具体实施时反射面可以相对于旋转轴向外倾斜，也可以相对于旋转轴向内倾斜，若将反射面向内倾斜时角度定义为负值，则反射面与旋转轴的夹角小于0°。

在本实施例中，旋转棱镜包括四个反射面。对于任一反射面，其与旋转轴的夹角同时大于其相邻两个反射面与旋转轴的夹角，或者同时小于其相邻两个反射面与旋转轴的夹角。举例说明，旋转棱镜的四个反射面顺时针分别与旋转轴的夹角标记为∠1、∠2、∠3、∠4，其中设∠1＝0°，∠2＝2°，∠3＝1°，∠4＝1.5°。∠2同时大于∠1和∠3，∠3同时小于∠2和∠4，这样设置可以使得旋转棱镜在旋转过程中更加平稳。进一步的，旋转棱镜的至少一个反射面还可以设置为分层结构，且每一层与顶面的夹角不同，这样可以使得多个激光器发出的激光光束通过分层结构时在竖直方向呈非均匀分布，例如垂直方向的激光光束呈中间密，上和下稀疏的分布。

图4和图5所示分别为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的光路示意图，图4中示出的是信号光束与水平面(本实施例中，旋转轴与水平面垂直)平行的情况，图5中示出的是信号光束与水平面具有不为零的夹角的情况，在激光雷达系统的探测时，一般待测目标与雷达的距离较远，反射模块反射出去的信号光束和接收的回波光束可以认为是平行的，因为信号光束和回波光束平行，所以发射模块和接收模块分别对称设置在旋转棱镜的两端，这样比起发射模块和接收模块上下设置的方式，降低了激光雷达系统的高度。

可选的，相对的两个反射面与旋转轴的夹角均大于或者均小于，两个反射面之间的反射面与旋转轴的夹角。这样设置可以使各个反射面与旋转轴的夹角不会存在逐渐增加或者逐渐减小的情况，从而避免了旋转棱镜的多个反射面的力矩严重不均情况的发生。

可选的，相对的两个反射面与旋转轴的夹角相等。通过设置相对的两个反射面与旋转轴的夹角相等，使相对的两个反射面具有相同的倾斜程度，在旋转棱镜围绕旋转轴转动时，相对的两个反射面不会产生力矩不均，进一步地实现旋转棱镜的多个反射面的力矩平衡。

可选的，在另一实施例中，至少一个反射面与顶面和底面均垂直。即设置至少一个反射面相对于旋转轴没有倾斜，平面相对于斜面来说更容易制作，因此有利于降低旋转棱镜的制作难度。在其他实施例中，可以设置所有反射面均与底面垂直，即反射模块为正四面体，从而实现水平扫描，具体实施时可以根据实际情况设计。

图6所示为本发明实施例提供的另一种激光雷达系统的结构示意图，参考图6，可选的，旋转棱镜的顶面211、底面212和四个侧面围成空心轴217；旋转模块10设置于旋转棱镜的空心轴217内。通过将旋转棱镜设置为中空结构，因此旋转模块10可以置于旋转棱镜内部，从而减小激光雷达系统的体积。

可选的，发射模块包括多个激光器，至少部分激光器的出射光束与第一方向的夹角不为零，第一方向与旋转轴的方向垂直；接收模块包括多个光电探测器，每个光电探测器用于接收对应激光器出射，并被待测目标返回的光束。

可以理解的是，通过设置发射模块包括多个激光器，接收模块包括多个光电探测器，可以有效增大激光雷达系统在竖直方向的视场角，此处的竖直方向指的是与反射模块的旋转轴平行的方向。在具体实施时，激光器可以为激光二极管LD、或垂直腔面发射激光器VCSEL，其中，LD或VCSEL均可以为自由空间输出或通过光纤耦合输出；激光器还可以为光纤激光器、气体激光器或固体激光器等。光电探测器可以为多个阵列排布的雪崩二极管(Avalanche Photo Diode，APD)或者硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，SIPM)，也可以为单个大面元APD、焦平面阵列探测器、单点设置或阵列设置的硅光电倍增管(multi-pixel photon counter，MPPC)探测器或本领域技术人员可知的其他类型的阵列探测器。

在具体实施时，可选的，发射模块中各激光器的出射光束呈发散状态排列或者呈汇聚状态排列。

示例性的，图7和图8所示分别为本发明实施例中激光器的出射状态示意图，图7和图8中均示意性示出发射模块包括4个激光器，在其他实施例中，还可以为8个、16个等其他数量，具体实施时可以根据实际需求选择。参考图7和图8，4个激光器的所有激光光束位于同一出射平面M中，发射模块中各个激光束的发射仰角不同。在四个空间角各不相同的情况下，4个激光器可产生16条扫描线。图7的4个激光光束呈现发散状态排列，图8的4个激光光束呈现汇聚状态排列。

可以理解，当反射模块的各个反射面均为垂直设置的情况下，每束激光光束经过反射模块后只能产生一条扫描线以实现一个方向的扫描。

上述实施例中，可选的，发射模块多个激光器和接收模块的多个光电探测器分别集成在相同数量的电路板上。例如可以分别集成在一块电路板上，通过将多个激光器及多个光电探测器分别集成在一块电路板上，可以统一调试，简化调试难度，降低激光雷达的成本。需要说明的是，在具体实施时，多个激光器和多个光电探测可以单组排列，也可以多组排列，本发明实施例对此不作限定。

继续参考图2，可选的，发射模块30还包括发射镜组32，位于激光器31与反射模块20之间，用于将激光器31出射的激光光束进行准直后入射到反射模块20上；接收模块40还包括接收镜组42，位于光电探测器41与反射模块20之间，用于将反射模块20反射的激光光束进行聚焦后入射到光电探测器41上。

可以理解的是，发射模块30中的激光器31直接出射的光束质量可能无法满足雷达探测距离的要求，因此可以在发射模块30的出光侧设置发射镜组32，用于对发射模块30的出射光束进行聚焦和准直，使光束以比较小的发散角度发射，以实现远距离目标的探测。待测目标返回的光束，经过空间传输会出现衰减，因此可以在接收模块40入光侧设置接收镜组42，以使接收模块40收集尽可能多的回波光束，在具体实施时，发射镜组32和接收镜组42可以包括至少一片球面透镜或非球面透镜，接收镜组42的视场在0°～180°之间。在其他实施例中，还可以在接收镜组42和光电探测器41之间设置滤光镜，滤光镜用于透过回波光束，并过滤例如太阳光和白炽灯光等环境光，从而提高待测目标的识别精确度。

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 (10)

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括旋转模块、反射模块、发射模块以及接收模块；

所述反射模块包括两个以上反射面，所述反射模块位于所述旋转模块上；

所述旋转模块用于带动所述反射模块的两个以上反射面绕旋转轴旋转以实现一个方向的扫描；

所述发射模块和所述接收模块对应，分别位于所述反射模块的两侧以形成左右对应设置，所述发射模块用于出射至少一束信号光束，所述信号光束经过反射模块反射后入射到待测目标，所述接收模块用于接收所述待测目标反射的回波光束。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述反射模块的光轴和所述接收模块的光轴位于同一直线上，所述发射模块的光轴的方向与所述旋转轴垂直。

3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述反射模块包括旋转棱镜，所述旋转棱镜包括顶面、底面和位于所述顶面与所述底面之间的四个侧面，所述侧面为反射面。

4.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，至少两个所述反射面与所述旋转轴之间的夹角不相等。

5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，相对的两个所述反射面与所述旋转轴的夹角均大于或者均小于，两个所述反射面之间的反射面与所述旋转轴的夹角。

6.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，相对的两个所述反射面与所述旋转轴的夹角相等。

7.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，至少一个所述反射面与所述顶面和所述底面均垂直。

8.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，所述顶面、所述底面和四个所述侧面围成空心轴；

所述旋转模块设置于所述旋转棱镜的空心轴内。

9.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述发射模块包括多个激光器，至少部分所述激光器的出射光束与第一方向的夹角不为零，所述第一方向与所述旋转轴的方向垂直；

所述接收模块包括多个光电探测器，每个所述光电探测器用于接收对应激光器出射，并被所述待测目标返回的光束。

10.根据权利要求9所述的激光雷达系统，其特征在于，所述发射模块还包括发射镜组，位于所述激光器与所述反射模块之间，用于将所述激光器出射的激光光束进行准直后入射到所述反射模块上；

所述接收模块还包括接收镜组，位于所述光电探测器与所述反射模块之间，用于将所述反射模块反射的激光光束进行聚焦后入射到所述光电探测器上。

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