CN112997095A - 激光雷达及自动驾驶设备 - Google Patents

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CN112997095A CN202080005824.1A CN202080005824A CN112997095A CN 112997095 A CN112997095 A CN 112997095A CN 202080005824 A CN202080005824 A CN 202080005824A CN 112997095 A CN112997095 A CN 112997095A
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Abstract

一种激光雷达(100)及自动驾驶设备(200)，激光雷达(100)包括发射驱动系统(1)、激光收发系统(2)和控制与信号处理系统(3)；激光收发系统(2)包括发射组件(21)和接收组件(22)；发射组件(21)用于发射出射激光，使出射激光以扫描的方式遍历探测区域；接收组件(22)包括阵列探测器(221)，阵列探测器(221)包括多个探测单元(221a)；阵列探测器(221)用于同步顺序开启探测单元(221a)以接收回波激光，回波激光为出射激光被探测区域内的物体反射后返回的激光；发射驱动系统(1)用于驱动发射组件(21)；控制与信号处理系统(3)用于控制发射驱动系统(1)驱动发射组件(21)，以及控制接收组件(22)接收回波激光。实施例可以提高产品的可靠性。

Description

激光雷达及自动驾驶设备
技术领域
本发明实施例涉及雷达技术领域，特别是涉及一种激光雷达及自动驾驶设备。
背景技术
激光雷达是使用激光来探测目标物体的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是发射组件先向目标发射用于探测的出射激光，然后接收组件接收从目标物体反射回来的回波激光，处理接收到的回波激光后可获得目标物体的有关信息，例如距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。
单点或多点激光测距需配合合适的光机扫描系统，才能获取大视场、高分辨率的激光点云数据。目前市场上常见的激光雷达扫描方案包括传统机械扫描、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)扫描等。在长时间和恶劣环境下使用时，降低了上述扫描方式的可靠性。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例的主要目的在于提供一种激光雷达及自动驾驶设备，可以提高产品的可靠性。
本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种激光雷达，所述激光雷达包括发射驱动系统、激光收发系统和控制与信号处理系统；
所述激光收发系统包括发射组件和接收组件；
所述发射组件用于发射出射激光，使所述出射激光以扫描的方式遍历探测区域；
所述接收组件包括阵列探测器，所述阵列探测器包括多个探测单元；所述阵列探测器用于同步顺序开启所述探测单元以接收回波激光，所述回波激光为所述出射激光被探测区域内的物体反射后返回的激光；
所述发射驱动系统用于驱动所述发射组件；
所述控制与信号处理系统用于控制所述发射驱动系统驱动所述发射组件，以及控制所述接收组件接收所述回波激光。
可选的，所述发射组件包括激光发射模块，所述激光发射模块包括多个激光发射单元，所述激光发射模块用于顺序开启所述激光发射单元以发射出射激光，使所述出射激光以扫描的方式遍历所述阵列探测器的所有探测区域。
可选的，所述阵列探测器包括m*n个可单独控制开关的探测单元，所述m和n均为大于1的整数。
可选的，所述激光发射模块为阵列发射器，所述激光发射单元为所述阵列发射器的m*n个可单独控制开关的发光单元；
所述阵列发射器用于顺序开启所述发光单元以发射出射激光，使所述出射激光以扫描的方式遍历所述阵列探测器的所有探测区域。
可选的，所述阵列发射器用于顺序开启第一发光单元以发射出射激光，所述第一发光单元包括一个或多个所述发光单元；
所述阵列探测器用于同步顺序开启第一探测单元以接收回波激光，所述第一探测单元包括一个或多个所述探测单元；所述第一探测单元的位置与所述第一发光单元的位置对应，所述第一探测单元接收的回波激光为所述第一发光单元发射的出射激光被探测区域内的物体反射后返回的激光。
可选的，所述第一发光单元为一个发光单元，所述第一探测单元为一个探测单元；所述阵列探测器还用于同步顺序开启第二探测单元接收回波激光，所述第二探测单元包括所述第一探测单元周围的一个或多个探测单元。
可选的，所述第一发光单元包括p*q个所述发光单元，所述第一探测单元包括p*q个所述探测单元；其中，所述p和q均为大于或等于1的整数，1<p<m或1<q<n。
可选的，所述p小于m，q小于n；所述激光发射模块用于先沿第一方向、然后沿第一方向的反方向往复开启所述激光发射单元，或者用于保持沿第一方向逐行或逐列开启所述激光发射单元；或者，
所述p等于m，q小于n；所述激光发射模块用于沿竖直方向开启所述激光发射单元；或者，
所述p小于m，q等于n；所述激光发射模块用于沿水平方向开启所述激光发射单元。
可选的，所述激光发射模块为阵列发射器，所述激光发射单元为所述阵列发射器的m*1个可单独控制开关的发光单元，或者所述激光发射单元为所述阵列发射器的1*n个可单独控制开关的发光单元；
所述阵列发射器用于顺序开启所述发光单元以发射出射激光，使所述出射激光向第一方向扫描；
所述激光雷达还包括偏转机构，所述偏转机构用于接收所述出射激光并将所述出射激光反射后射向所述阵列探测器的探测区域内，并使所述出射激光向第二方向扫描；所述第一方向和所述第二方向垂直。10.如权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述阵列发射器包括垂直腔面发射激光器阵列、边发射激光器阵列、发光二极管阵列、微发光二极管阵列、脉冲激光沉积阵列或激光二极管阵列。
可选的，所述阵列探测器包括雪崩光电二极管阵列、硅光电倍增管阵列、多像素光子计数器阵列、光电倍增管阵列、单光子雪崩二极管阵列、引脚阵列、快速电荷耦合元件或互补金属氧化物半导体。
可选的，所述发射组件包括多个第一发射组件，每个所述第一发射组件包括激光发射模块和光学偏转模块，每个光学偏转模块包括多个沿第一方向排列的偏转单元；所述激光发射模块用于沿第一方向发射出射激光至所述光学偏转模块，所述光学偏转模块用于顺序开启所述偏转单元以使所述出射激光沿第二方向出射并向第一方向或第一方向的反方向扫描；
所述偏转单元的排列与所述阵列探测器中探测单元的排列一致；所述第一方向和所述第二方向垂直。
可选的，所有的所述第一发射组件用于同时使其激光发射模块沿第一方向发射出射激光；或者，
所述第一发射组件按照排列顺序依次使其激光发射模块沿第一方向发射出射激光。
可选的，所述阵列探测器包括m*n个可单独控制开关的探测单元，所述m和n均为大于1的整数；
所述发射组件包括m个第一发射组件，每个第一发射组件中的光学偏转模块包括n个沿第一方向排列的偏转单元；或者，所述发射组件包括n个第一发射组件，每个第一发射组件中的光学偏转模块包括m个沿第一方向排列的偏转单元。
可选的，所述偏转单元为可控偏振片，所述偏振片在打开状态时用于反射出射激光，关闭状态时用于透射出射激光。
可选的，所述发射组件包括激光发射模块和光学偏转模块，所述光学偏转模块包括多个沿第一方向排列的偏转单元；所述激光发射模块用于沿第一方向发射出射激光至所述光学偏转模块，所述光学偏转模块中的每个偏转单元用于使预设比例的所述出射激光偏转后出射；
所述激光雷达还包括偏转机构，所述偏转机构用于接收所述出射激光并将所述出射激光反射后射向所述阵列探测器的探测区域内；入射至所述探测区域的出射激光为线光斑，所述偏转机构还用于使所述线光斑扫描遍历整个探测区域。
可选的，所述偏转单元为平面镜，每个所述平面镜具有相同或不同的透射/反射比。
可选的，每个所述平面镜反射的出射激光的能量相同；或者，将出射激光偏转后入射至探测区域中的感兴趣区域的平面镜反射的出射激光的能量大于其他平面镜反射的出射激光的能量。
可选的，多个所述偏转单元与所述激光发射模块发射的出射激光的夹角沿所述第一方向依次减小，使经过每个所述偏转单元的出射激光朝中心方向会聚。
可选的，所述激光雷达还包括透镜，所述透镜用于会聚每个所述偏转单元偏转后的出射激光并使其入射至所述偏转机构。
可选的，所述发射组件包括激光发射模块和光学整形模块，所述激光雷达还包括偏转机构；
所述激光发射模块用于发射出射激光至所述光学整形模块，所述光学整形模块用于会聚所述出射激光并使其入射至偏转机构；
所述偏转机构用于接收所述出射激光并将所述出射激光反射后射向所述阵列探测器的探测区域内；入射至所述探测区域的出射激光为线光斑，所述偏转机构还用于使所述线光斑扫描遍历整个探测区域。
可选的，所述光学整形模块为柱面镜或微柱面镜阵列。
可选的，所述发射组件包括激光发射模块和光学整形模块，所述激光雷达还包括偏转机构；
所述激光发射模块用于发射出射激光至所述偏转机构；所述偏转机构用于接收所述出射激光并将其反射至所述光学整形模块；所述光学整形模块用于将所述出射激光整形为线光斑后射向所述阵列探测器的探测区域内；所述偏转机构还用于使所述线光斑扫描遍历整个探测区域。
可选的，所述光学整形模块为柱面镜或微柱面镜阵列，所述柱面镜或微柱面镜阵列在所述偏转机构的旋转平面内的横截面呈弧形且绕所述偏转机构对称。
可选的，所述偏转机构为MEMS微镜、反射镜或透射棱镜。
可选的，所述发射组件还包括发射光学模块，用于准直所述激光发射模块发射的出射激光；
所述接收组件还包括接收光学模块，用于会聚回波激光并将会聚后的回波激光射向阵列探测器。
本发明实施例还提供了一种自动驾驶设备，包括驾驶设备本体以及如上所述的激光雷达，所述激光雷达安装于所述驾驶设备本体。
本发明实施例的有益效果是：本发明实施例通过使发射组件发射的出射激光以扫描的方式遍历探测区域，并顺序开启相应的阵列探测器中的探测单元接收回波激光，完成整个探测区域的扫描，采用电扫描的方式，减少或无需采用机械的旋转部件，提高了产品的可靠性，延长了产品的使用寿命。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1示出了本发明实施例提供的激光雷达的结构框图；
图2示出了本发明另一实施例提供的激光雷达的结构框图；
图3示出了本发明实施例采用阵列发射器的激光雷达的光路示意图；
图4示出了本发明实施例中开启第二探测单元的阵列探测器的示意图；
图5示出了本发明实施例采用阵列发射器和一维MEMS微镜的激光雷达的光路示意图；
图6示出了本发明另一实施例采用阵列发射器和一维MEMS微镜的激光雷达的光路示意图；
图7示出了本发明实施例采用激光器、多组偏转单元的激光雷达的光路示意图；
图8示出了本发明实施例中激光器和偏振片的光路示意图；
图9示出了本发明实施例采用激光器、一组偏转单元和一维MEMS微镜的激光雷达的光路示意图；
图10a示出了了本发明实施例采用激光器、平面镜偏转单元和一维MEMS微镜的激光雷达的另一光路示意图；
图10b示出了图10a中激光器和平面镜的光路示意图；
图11示出了本发明另一实施例中激光器和平面镜的光路示意图；
图12a示出了本发明另一实施例采用激光器、平面镜偏转单元和一维MEMS微镜的激光雷达的光路示意图；
图12b示出了本发明再一实施例采用激光器、平面镜偏转单元和一维MEMS微镜的激光雷达的光路示意图；
图13示出了本发明又一实施例采用激光器、平面镜偏转单元、透镜和一维MEMS微镜的激光雷达的局部光路示意图；
图14示出了本发明实施例包括光学整形模块的激光雷达的光路示意图；
图15示出了本发明另一实施例包括光学整形模块的激光雷达的光路示意图；
图16示出了图15中偏转机构和光学整形模块的示意图；
图17示出了本发明实施例提供的自动驾驶设备的结构示意图；
图18示出了本发明另一实施例提供的自动驾驶设备的结构示意图。
具体实施方式中的附图标号如下：
激光雷达100；
发射驱动系统1，激光收发系统2，控制与信号处理系统3；
发射组件21，第一发射组件210，激光发射模块211，阵列发射器2111，发光单元2111a，激光器2112，发射光学模块212，第一透镜212a，第二透镜212b，偏转机构213，光学偏转模块214，偏转单元214a，光学整形模块215，反射镜216；
接收组件22，阵列探测器221，探测单元221a，接收光学模块222；
自动驾驶设备200，驾驶设备本体201。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”、“若干”的含义是两个以上(含两个)，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，本发明实施例提供了一种激光雷达100，其包括发射驱动系统1、激光收发系统2和控制与信号处理系统3。其中，激光收发系统2包括发射组件21和接收组件22，发射组件21用于发射出射激光，使出射激光以扫描的方式遍历探测区域；接收组件22用于接收回波激光。发射驱动系统1用于驱动发射组件21。控制与信号处理系统3用于控制发射驱动系统1驱动发射组件21，以及控制接收组件22接收回波激光。回波激光为出射激光被探测区域内的物体反射后返回的激光。
如图2所示，发射组件21包括激光发射模块211和发射光学模块212，激光发射模块211用于发射出射激光，发射光学模块212用于准直出射激光，并将准直后的出射激光出射到探测区域。激光发射模块211包括多个激光发射单元，激光发射模块211用于顺序开启激光发射单元以发射出射激光，使出射激光以扫描的方式遍历探测区域。发射光学模块212可以采用光纤和球透镜组、单独的球透镜组、柱面透镜组等方式。
接收组件22包括阵列探测器221，阵列探测器221包括多个探测单元，每个探测单元内具有一面积小于探测单元的感光区域。阵列探测器221可以采用雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)阵列、硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，SiPM)阵列、多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter，MPPC)阵列、光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)阵列、单光子雪崩二极管(single-photon avalanchediode，SPAD)阵列、引脚阵列(PIN array)、快速电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)等可以组成阵列接收的器件。具体的，阵列探测器221包括m*n个可单独控制开关的探测单元，m和n均为大于1的整数。阵列探测器221用于同步顺序开启探测单元以接收回波激光，例如通过开启选定的探测单元，探测被激光发射单元发射的出射激光扫描的探测区域。选定的探测单元与发射出射激光的激光发射单元对应。此外，接收组件22还包括接收光学模块222，接收光学模块222可以采用球透镜、球透镜组或柱透镜组等。接收光学模块222用于会聚回波激光，并将会聚后的回波激光射向阵列探测器221。
激光发射模块211的多个激光发射单元和阵列探测器221的多个探测单元具有一一对应关系，例如(1,1)位置的激光发射单元和(1,1)位置的探测单元对应，用于探测R11区域，(1,2)位置的激光发射单元和(1,2)位置的探测单元对应，用于探测R12区域……对应的激光发射单元和探测单元被控制为同时打开和关闭。当(1,1)位置的激光发射单元开启时，同步开启(1,1)位置的探测单元，从而实现对R11区域的探测；当(1,2)位置的激光发射单元开启时，同步开启(1,2)位置的探测单元，从而实现对R12区域的探测……直至最后一个探测单元开启，同步开启最后一个探测单元，从而实现对最后一个区域的探测。以上为探测单元的同步顺序开启方式的示意性说明，不应对本发明构成限定。还可以先开启最后一个位置的激光发射单元，同步开启相应的探测单元，并按照与上述(1,1)、(1,2)……的顺序相反的顺序对探测区域进行扫描。激光发射单元的开启顺序可以为任何顺序。在激光发射单元和相应的探测单元在完成对相应探测区域的单次扫描后，同步关闭该激光发射单元和探测单元。
控制与信号处理系统3可采用现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，FPGA)，FPGA与发射驱动系统1连接，进行出射激光的发射控制。FPGA还分别与接收组件22的时钟引脚、数据引脚和控制引脚连接，进行回波激光的接收控制。
本发明实施例通过使发射组件发射的出射激光以扫描的方式遍历探测区域，并顺序开启相应的阵列探测器221中的探测单元接收回波激光，完成整个探测区域的扫描，采用电扫描的方式，减少或无需采用机械的旋转部件，提高了产品的可靠性，延长了产品的使用寿命。
下面对采用不同的激光发射模块211的实施方式进行详细说明。
(1)激光发射模块211包括多个激光发射单元
激光发射模块211包括多个激光发射单元，激光发射模块211用于顺序开启激光发射单元以发射出射激光，使出射激光以扫描的方式遍历阵列探测器221的所有探测区域。如图3所示，在一实施例中，激光发射模块211为阵列发射器2111，激光发射单元211为阵列发射器2111的m*n个可单独控制开关的发光单元2111a。阵列发射器2111用于顺序开启发光单元2111a以发射出射激光，使出射激光以扫描的方式遍历阵列探测器221的所有探测区域。例如，阵列发射器2111用于顺序开启第一发光单元以发射出射激光，第一发光单元包括一个或多个发光单元2111a。阵列探测器221用于同步顺序开启第一探测单元以接收回波激光，第一探测单元包括一个或多个探测单元221a；第一探测单元的位置与第一发光单元的位置对应，第一探测单元接收的回波激光为第一发光单元发射的出射激光被探测区域内的物体反射后返回的激光。发射光学模块212采用第一透镜212a。当第一发光单元包括多个发光单元2111a时，扫描方式为区域发射和区域接收的方式，相较于点发点收的方式，可以降低单帧的扫描周期，提高了探测效率。
阵列发射器2111可以采用垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)阵列、边发射激光器(Edge Emitting Laser，EEL)阵列、发光二极管(Light Emitting Diode，LED)阵列、微发光二极管(Micro Light Emitting Diode，Micro LED)阵列、脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)阵列或激光二极管(Laser Diode，LD)阵列等。
例如，工作时，开启(1,1)位置的发光单元2111a并同步启动阵列探测器221相应(1,1)位置的探测单元221a进行接收，完成此处位置的测量，之后顺序开启(1,1)到(m,n)位置的发光单元2111a和对应的阵列探测器221的探测单元221a，即可完成整个探测区域的距离的测量。
当第一发光单元为一个发光单元2111a时，第一探测单元也为一个探测单元221a，此时为点对点的发射和接收方式。而当第一发光单元为一个发光单元2111a，也即单点发射时，此时阵列探测器221还可以用于同步顺序开启第二探测单元，接收回波激光，第二探测单元包括第一探测单元周围的一个或多个探测单元221a。如图4所示，可以开启第一探测单元A区域周围一圈的探测单元221a(B区域)进行接收。通过开启阵列探测器221的相应探测像素的附近区域同时接收，可以提高探测精度以及弥补加工与安装误差。
当第一发光单元为多个发光单元2111a时，第一探测单元也为多个探测单元221a，此时为块对块的发射和接收方式。此处的“块”包括线光斑和块光斑。此时，第一发光单元包括p*q个发光单元，第一探测单元包括p*q个探测单元；其中，p和q均为大于或等于1的整数，1<p<m或1<q<n。p和q中任意一个值为1时，出射激光和回波激光的光斑为线光斑，其余情况下均为块光斑。当p小于m，q小于n时，激光发射模块用于先沿第一方向、然后沿第一方向的反方向往复开启激光发射单元，或者用于保持沿第一方向逐行或逐列开启激光发射单元，其中第一方向可以是水平方向或者竖直方向。当p等于m，q小于n时，激光发射模块用于沿竖直方向开启激光发射单元，由于第一发光单元在水平方向的单元数量与阵列探测器221在水平方向的探测单元221a的数量相等，因此扫描探测区域时只需沿竖直方向扫描一次。当p小于m，q等于n时，激光发射模块用于沿水平方向开启激光发射单元，由于第一发光单元在竖直方向的单元数量与阵列探测器221在竖直方向的探测单元221a的数量相等，因此扫描探测区域时只需沿水平方向扫描一次。
本实施例通过设置可以顺序开启的激光发射单元发射出射激光，并顺序开启相应的阵列探测器221中的探测单元221a接收回波激光，完成整个探测区域的扫描，发射和接收均采用电扫描的方式，无需采用机械的旋转部件，提高了产品的可靠性，延长了产品的使用寿命。
以上为完全不采用旋转部件的实施方式。在一些实施例中，也可以使用电扫描+旋转部件扫描结合的方式，实现整个探测区域的扫描，例如采用条状(线状)发射阵列与一维扫描结构的组合。如图5所示，在另一实施例中，激光发射模块211为阵列发射器2111，激光发射单元为阵列发射器2111的m*1个可单独控制开关的发光单元2111a，阵列发射器2111用于顺序开启发光单元2111a以发射出射激光，使出射激光向第一方向(X方向)扫描。激光雷达100还包括偏转机构213，用于接收出射激光并将出射激光反射后射向阵列探测器221的探测区域内，并使出射激光向第二方向(Y方向)扫描。第一方向和第二方向垂直，从而完成整个探测区域的扫描。偏转机构213可以采用MEMS微镜、反射镜或透射棱镜等可以实现光扫描的器件。本实施例中偏转机构213为一维MEMS微镜。
相比采用二维MEMS微镜或者其他二维旋转部件的激光雷达，仅采用一维MEMS微镜进行一个方向的扫描，另一方向的扫描通过电扫描的方式完成，提高了产品的可靠性。
如图6所示，在另一实施例中，激光发射模块211包括阵列发射器2111，激光发射单元为阵列发射器2111的1*n个可单独控制开关的发光单元2111a，阵列发射器2111用于使出射激光向第一方向(Y方向)扫描。发射组件21还包括一维MEMS微镜213，用于接收出射激光并将出射激光反射后射向阵列探测器221的探测区域内，并使出射激光向第二方向(X方向)扫描。第一方向和第二方向垂直，从而完成整个探测区域的扫描。
(2)发射组件21中包括光学偏转模块214
如图7所示，在另一实施例中，发射组件21包括多个沿水平方向排列的第一发射组件210，每个第一发射组件210包括激光发射模块211和光学偏转模块214，每个光学偏转模块214包括多个沿第一方向(Y方向)排列的偏转单元214a。激光发射模块211采用激光器2112。激光发射模块211用于沿第一方向(Y方向)发射出射激光至光学偏转模块214，光学偏转模块214用于顺序开启偏转单元214a以使出射激光沿第二方向(X方向)出射并向第一方向(Y方向)或第一方向的反方向(-Y方向)扫描；偏转单元214a的排列与阵列探测器221中探测单元221a的排列一致；第一方向(Y方向)和第二方向(X方向)垂直。第一发射组件210的数量与阵列探测器221在水平方向的探测单元221a的数量相同。其中，阵列探测器221包括m*n个可单独控制开关的探测单元221a，m和n均为大于1的整数；发射组件21包括m个第一发射组件210，每个第一发射组件210中的光学偏转模块214包括n个沿竖直方向(Y方向)排列的偏转单元214a。
可以理解的是，在其他实施例中，第一方向还可以为X方向，则第二方向为Y方向，此时多个第一发射组件210沿竖直方向排列，第一发射组件210的数量与阵列探测器221在竖直方向的探测单元221a的数量相同。其中，阵列探测器221包括m*n个可单独控制开关的探测单元221a，m和n均为大于1的整数；发射组件21包括n个第一发射组件210，每个第一发射组件210中的光学偏转模块214包括m个沿水平方向(X方向)排列的偏转单元214a。
以下，说明图7所示实施例的扫描方式：
点扫描：每个第一发射组件210中的激光发射模块211均发射出射激光，首先顺序开启位于第一列的第一发射组件210中的偏转单元214a，使该第一发射组件210发射的出射激光向第一方向(Y方向)或第一方向的反方向(-Y方向)扫描；待第一发射组件210中最后一个偏转单元214a开启完毕后，再顺序开启位于第二列的第一发射组件210中的偏转单元214a，使该第一发射组件210发射的出射激光向第一方向(Y方向)或第一方向的反方向(-Y方向)扫描……直至位于最后一列的第一发射组件210中的偏转单元214a被顺序开启，完成该列的出射激光的扫描，从而完成整个探测区域的扫描。应理解，还可以顺序开启每个第一发射组件210中的第一个偏转单元214a，然后顺序开启每个第一发射组件210中的第二个偏转单元214a，……最后顺序开启每个第一发射组件210中的最后一个偏转单元214a，从而完成整个探测区域的扫描。
行扫描：每个第一发射组件210中的激光发射模块211均发射出射激光，依次顺序开启每个第一发射组件210中的偏转单元214a，例如，首先同时开启位于每个第一发射组件210中的第一个偏转单元214a，然后同时开启位于每个第一发射组件210中的第二个偏转单元214a，……最后同时开启位于每个第一发射组件210中的最后一个偏转单元214a，从而使所有第一发射组件210发射的出射激光同步向第一方向(Y方向)或第一方向的反方向(-Y方向)扫描，完成整个探测区域的扫描。也即，每个第一发射组件210的出射激光向第一方向(Y方向)或第一方向的反方向(-Y方向)扫描均同步完成。其中第一个偏转单元214a可以是从上往下数的第一个，也可以是从下往上数的第一个。
列扫描：若多个第一发射组件210沿竖直方向排列，每个第一发射组件210中的偏转单元214a沿水平方向排列，则上述行扫描方式变为列扫描。扫描过程和行扫描类似，此处不再赘述。其中第一个偏转单元214a可以是从左往右数的第一个，也可以是从右往左数的第一个。
如图8所示，偏转单元214a为可控偏振片，该可控偏振片在打开状态时用于反射出射激光，其反射率接近100％，可以让入射的出射激光几乎全部反射出去；关闭状态时用于透射出射激光，其透射率接近100％，可以让入射的出射激光几乎全部透射到下一个偏振片。通过控制不同的可控偏振片的状态，从而控制出射激光在不同的可控偏振片的位置出射。例如，打开第一个可控偏振片，关闭其余的可控偏振片，使出射激光几乎全部在第一个可控偏振片的位置出射，而不会入射至其余的可控偏振片(入射至其余可控偏振片的出射激光能量非常少，可忽略)；打开第二个可控偏振片，关闭其余的可控偏振片，使出射激光经过第一个可控偏振片的几乎100％的透射，入射至第二个可控偏振片，并在第二个可控偏振片的位置出射……依此类推直至最后一个可控偏振片打开，使出射激光全部在最后一个可控偏振片的位置出射。
本实施例设置多个第一发射组件210，通过控制每个第一发射组件210中偏转单元214a的打开和关闭完成整个探测区域的扫描，发射和接收均采用电扫描的方式，无需采用机械的旋转部件，提高了产品的可靠性，延长了产品的使用寿命。
若仅采用一个第一发射组件210实现第一方向的扫描，则还需要增加偏转机构213进行第二方向的扫描，以实现对整个探测区域的扫描。如图9所示，在另一实施例中，发射组件21包括激光发射模块211和光学偏转模块214，光学偏转模块214包括多个沿第一方向排列的偏转单元214a；激光发射模块211用于沿第一方向(X方向)发射出射激光至光学偏转模块214，光学偏转模块214中的偏转单元214a用于使出射激光偏转后出射，每个偏转单元214a用于单独控制经过其的出射激光的透射率和反射率。偏转单元214a也采用上述的可控偏振片。激光雷达100还包括偏转机构213，偏转机构213用于接收出射将激光并出射激光反射后射向阵列探测器221的探测区域内，使出射激光扫描遍历整个探测区域。偏转机构213可以采用MEMS微镜、反射镜或透射棱镜等可以实现光扫描的器件。本实施例中偏转机构213为一维MEMS微镜，通过一维MEMS微镜完成一个方向的扫描。在本实施例中，相比采用二维MEMS微镜或者其他二维旋转部件的激光雷达，仅采用一维MEMS微镜进行一个方向的扫描，另一方向的扫描通过电扫描的方式完成，提高了产品的可靠性。
参考图10a，在一些实施例中，与图9所示实施例不同之处在于，本实施例中，偏转单元214a采用平面镜(参考图10b)，每个平面镜用于使预设比例的出射激光偏转后出射。由每个平面镜反射的出射激光的预设比例可以相同也可以不同。
每个平面镜具有相同或不同的透射/反射比，从而使出射激光按照预设的固定比例从每个平面镜反射出去。制备好的平面镜具有固定不变的透射/反射比。在一些实施例中，根据实际应用需求预先计算好每个平面镜的透射/反射比，按照确定的透射/反射比选择或制备相应的平面镜，从而使每个平面镜反射的出射激光的能量相同或大致相同。例如，总共有5个平面镜；第一个平面镜的透射率为80％，反射率为20％，则通过第一个平面镜反射的出射激光的能量为出射激光总能量的20％；第二个平面镜的透射率为75％，反射率为25％，则通过第二个平面镜反射的出射激光的能量为出射激光总能量的80％*25％＝20％；第三个平面镜的透射率为67％，反射率为33％，则通过第三个平面镜反射的出射激光的能量为出射激光总能量的80％*75％*33％＝19.8％，约为20％；第四个平面镜的透射率为50％，反射率为50％，则通过第四个平面镜反射的出射激光的能量为出射激光总能量的80％*75％*67％*50％＝20.1％，约为20％；第五个平面镜的透射率接近0％，反射率接近100％，则通过第五个平面镜反射的出射激光的能量为出射激光总能量的80％*75％*67％*50％*100％＝20.1％，约为20％。通过选择上述平面镜，使每个平面镜反射的出射激光能量均约为出射激光总能量的20％。
在其他实施例中，为了满足对感兴趣的高分辨率探测需求，将出射激光偏转后入射至探测区域中的感兴趣区域的平面镜反射的出射激光的能量还可以大于其他平面镜反射的出射激光的能量。例如，总共有5个平面镜，中心区域为感兴趣区域，探测中心区域的3个平面镜反射的出射激光能量需要大于其余两个平面镜反射的出射激光的能量；第一个平面镜的透射率为90％，反射率为10％，则通过第一个平面镜反射的出射激光的能量为出射激光总能量的10％；第二个平面镜的透射率为71％，反射率为29％，则通过第二个平面镜反射的出射激光的能量为出射激光总能量的90％*29％＝26.1％；第三个平面镜的透射率为58％，反射率为42％，则通过第三个平面镜反射的出射激光的能量为出射激光总能量的90％*71％*42％＝26.8％；第四个平面镜的透射率为28％，反射率为72％，则通过第四个平面镜反射的出射激光的能量为出射激光总能量的90％*71％*58％*72％＝26.7％；第五个平面镜的透射率为0％，反射率接近100％，则通过第五个平面镜反射的出射激光的能量为出射激光总能量的90％*71％*58％*28％*100％＝10.4％。通过选择上述平面镜，使探测中心区域的3个平面镜反射的出射激光能量需要大于其余两个平面镜反射的出射激光的能量。平面镜的透过率/反射比可以根据实际情况更改，确定好每个平面镜的透射/反射比后，再选择或制备相应的平面镜，以满足实际的探测需求。
本实施例中，平面镜不同于上述的可控偏振片，不能被控制打开或关闭，第一发射组件210中每个平面镜几乎同时反射出射激光(光在每个平面镜中的传播时间可忽略不计)，在第一方向第一发射组件210的出射激光可以覆盖该方向的探测区域，因此第一发射组件210本身并未对其探测区域进行第一方向(Y方向)的扫描，通过偏转机构213进行第二方向(X方向)的扫描，从而实现对整个探测区域的扫描。
关于平面镜的角度，可以是所有的平面镜均呈45度，使出射激光均匀条形分布。但此种情况下降需要设置面积较大的偏转机构213，才能接收所有平面镜反射的出射激光。因此，平面镜的放置角度可以进行更改，以改变偏转方向，使经过平面镜的出射激光可以进来会聚到一起，从而减小偏转机构213的尺寸。例如，如图11所示，多个平面镜与激光发射模块211发射的出射激光的夹角沿第一方向依次减小，使经过每个平面镜的出射激光朝中心方向会聚。
如图12a所示，偏转机构213刚好位于出射激光会聚的焦点位置。当偏转机构213位于该位置时，可以使偏转机构213的尺寸做到最小化。当然，偏转机构213还可以位于非焦点位置，例如图12b所示的位置，此时偏转机构213的尺寸比图12a中的尺寸大。
如图13所示，在另一实施例中，发射光学模块212除了采用第一透镜212a对激光器2112发射的出射激光进行准直以外，激光雷达100的发射光学模块212还包括第二透镜212b，第二透镜212b用于会聚每个平面镜偏转后的出射激光并使其入射至偏转机构213。经过第一透镜212a准直后的出射激光光束之间具有光路间隙，将导致经过偏转机构213反射后的光斑并非为连续的线光斑，探测存在盲区。通过在平面镜反射的出射激光光路上设置第二透镜212b对光束进行会聚，使入射至偏转机构213的光斑为连续无间隙的线光斑，因此经过偏转机构213反射后的光斑也为连续无间隙的线光斑，避免探测盲区。
(3)发射组件21中包括光学整形模块215
如图14所示，在另一实施例中，发射组件21包括激光发射模块211和光学整形模块215，激光雷达100还包括偏转机构213。激光发射模块211采用激光器2112。激光发射模块211用于发射出射激光至光学整形模块215，光学整形模块215用于会聚出射激光并使其入射至偏转机构213。偏转机构213用于接收出射激光并将出射激光反射后射向阵列探测器221的探测区域内。入射至探测区域的出射激光为线光斑，偏转机构213还用于使线光斑扫描遍历整个探测区域。光学整形模块215可以采用柱面镜或微柱面镜阵列。偏转机构213可以采用MEMS微镜、反射镜或透射棱镜等可以实现光扫描的器件。本实施例中偏转机构213为一维MEMS微镜，通过一维MEMS微镜完成一个方向的扫描。
为了缩小产品尺寸，还可以在光路中设置反射模块，例如本实施例在第一透镜212a和光学整形模块215之间设置了反射镜216。
本实施例通过在激光发射模块211和偏转机构213之间设置光学整形模块215，光学整形模块215会聚出射激光后入射至偏转机构213，使经过偏转机构213反射的出射激光的光斑为线光斑，避免探测盲区。相比采用二维MEMS微镜或者其他二维旋转部件的激光雷达，本实施例通过采用光学整形模块215进行第一方向的线光斑整形，仅采用一维MEMS微镜进行第二方向的扫描，提高了产品的可靠性。
光学整形模块215的位置还可以进行调整。如图15所示，在另一实施例中，激光发射模块211用于发射出射激光至偏转机构213；偏转机构213用于接收出射激光并将其反射至光学整形模块215；光学整形模块215用于将出射激光整形为线光斑后射向阵列探测器221的探测区域内；偏转机构213还用于使线光斑扫描遍历整个探测区域。光学整形模块215为柱面镜或微柱面镜阵列，例如光学整形模块215在偏转机构213的旋转平面内的横截面呈弧形且绕偏转机构213对称，如图16所示。偏转机构213可以采用MEMS微镜、反射镜或透射棱镜等可以实现光扫描的器件。本实施例中偏转机构213为一维MEMS微镜，通过一维MEMS微镜完成一个方向的扫描。
本实施例将光学整形模块215设置于偏转机构213反射的出射激光光路上，光学整形模块215将偏转机构213反射的出射激光整形为线光斑后射向阵列探测器221的探测区域，最终出射的出射激光的光斑为线光斑，避免探测盲区。相比采用二维MEMS微镜或者其他二维旋转部件的激光雷达，本实施例通过采用光学整形模块215进行第一方向的线光斑整形，仅采用一维MEMS微镜进行第二方向的扫描，提高了产品的可靠性。
基于上述激光雷达100，本发明实施例提出了一种包含上述实施例中的激光雷达100的自动驾驶设备200，该自动驾驶设备200可以是汽车、飞机、船以及其他涉及到使用激光雷达进行智能感应和探测的设备，该自动驾驶设备200包括驾驶设备本体201以及如上实施例的激光雷达100，激光雷达100安装于驾驶设备本体201。
如图17所示，该自动驾驶设备200为无人驾驶汽车，激光雷达100安装于汽车的车身侧面。如图18所示，该自动驾驶设备200同样为无人驾驶汽车，激光雷达100安装于汽车的车顶。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (27)

1.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括发射驱动系统、激光收发系统和控制与信号处理系统；
所述激光收发系统包括发射组件和接收组件；
所述发射组件用于发射出射激光，使所述出射激光以扫描的方式遍历探测区域；
所述接收组件包括阵列探测器，所述阵列探测器包括多个探测单元；所述阵列探测器用于同步顺序开启所述探测单元以接收回波激光，所述回波激光为所述出射激光被探测区域内的物体反射后返回的激光；
所述发射驱动系统用于驱动所述发射组件；
所述控制与信号处理系统用于控制所述发射驱动系统驱动所述发射组件，以及控制所述接收组件接收所述回波激光。
2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，
所述发射组件包括激光发射模块，所述激光发射模块包括多个激光发射单元，所述激光发射模块用于顺序开启所述激光发射单元以发射出射激光，使所述出射激光以扫描的方式遍历所述阵列探测器的所有探测区域。
3.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述阵列探测器包括m*n个探测单元，所述m和n均为大于1的整数，所述阵列探测器用于开启选定的探测单元，探测被所述激光发射单元发射的出射激光扫描的探测区域。
4.如权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块为阵列发射器，所述激光发射单元为所述阵列发射器的m*n个可单独控制开关的发光单元；
所述阵列发射器用于顺序开启所述发光单元以发射出射激光，使所述出射激光以扫描的方式遍历所述阵列探测器的所有探测区域。
5.如权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述阵列发射器用于顺序开启第一发光单元以发射出射激光，所述第一发光单元包括一个或多个所述发光单元；
所述阵列探测器用于同步顺序开启第一探测单元以接收回波激光，所述第一探测单元包括一个或多个所述探测单元；所述第一探测单元的位置与所述第一发光单元的位置对应，所述第一探测单元接收的回波激光为所述第一发光单元发射的出射激光被探测区域内的物体反射后返回的激光。
6.如权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述第一发光单元为一个发光单元，所述第一探测单元为一个探测单元；所述阵列探测器还用于同步顺序开启第二探测单元接收回波激光，所述第二探测单元包括所述第一探测单元周围的一个或多个探测单元。
7.如权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述第一发光单元包括p*q个所述发光单元，所述第一探测单元包括p*q个所述探测单元；其中，所述p和q均为大于或等于1的整数，1<p<m或1<q<n。
8.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述p小于m，q小于n；所述激光发射模块用于先沿第一方向、然后沿第一方向的反方向往复开启所述激光发射单元，或者用于保持沿第一方向逐行或逐列开启所述激光发射单元；或者，
所述p等于m，q小于n；所述激光发射模块用于沿竖直方向开启所述激光发射单元；或者，
所述p小于m，q等于n；所述激光发射模块用于沿水平方向开启所述激光发射单元。
9.如权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块为阵列发射器，所述激光发射单元为所述阵列发射器的m*1个可单独控制开关的发光单元，或者所述激光发射单元为所述阵列发射器的1*n个可单独控制开关的发光单元；
所述阵列发射器用于顺序开启所述发光单元以发射出射激光，使所述出射激光向第一方向扫描；
所述激光雷达还包括偏转机构，所述偏转机构用于接收所述出射激光并将所述出射激光反射后射向所述阵列探测器的探测区域内，并使所述出射激光向第二方向扫描；所述第一方向和所述第二方向垂直。
10.如权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述阵列发射器包括垂直腔面发射激光器阵列、边发射激光器阵列、发光二极管阵列、微发光二极管阵列、脉冲激光沉积阵列或激光二极管阵列。
11.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述阵列探测器包括雪崩光电二极管阵列、硅光电倍增管阵列、多像素光子计数器阵列、光电倍增管阵列、单光子雪崩二极管阵列、引脚阵列、快速电荷耦合元件或互补金属氧化物半导体。
12.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射组件包括多个第一发射组件，每个所述第一发射组件包括激光发射模块和光学偏转模块，每个光学偏转模块包括多个沿第一方向排列的偏转单元；所述激光发射模块用于沿第一方向发射出射激光至所述光学偏转模块，所述光学偏转模块用于顺序开启所述偏转单元以使所述出射激光沿第二方向出射并向第一方向或第一方向的反方向扫描；
所述偏转单元的排列与所述阵列探测器中探测单元的排列一致；所述第一方向和所述第二方向垂直。
13.如权利要求12所述的激光雷达，其特征在于，所有的所述第一发射组件用于同时使其激光发射模块沿第一方向发射出射激光；或者，
所述第一发射组件按照排列顺序依次使其激光发射模块沿第一方向发射出射激光。
14.如权利要求12所述的激光雷达，其特征在于，所述阵列探测器包括m*n个可单独控制开关的探测单元，所述m和n均为大于1的整数；
所述发射组件包括m个第一发射组件，每个第一发射组件中的光学偏转模块包括n个沿第一方向排列的偏转单元；或者，所述发射组件包括n个第一发射组件，每个第一发射组件中的光学偏转模块包括m个沿第二方向排列的偏转单元。
15.如权利要求12所述的激光雷达，其特征在于，所述偏转单元为可控偏振片，所述偏振片在打开状态时用于反射出射激光，关闭状态时用于透射出射激光。
16.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射组件包括激光发射模块和光学偏转模块，所述光学偏转模块包括多个沿第一方向排列的偏转单元；所述激光发射模块用于沿第一方向发射出射激光至所述光学偏转模块，所述光学偏转模块中的每个偏转单元用于使预设比例的所述出射激光偏转后出射；
所述激光雷达还包括偏转机构，所述偏转机构用于接收所述出射激光并将所述出射激光反射后射向所述阵列探测器的探测区域内，使所述出射激光扫描遍历整个探测区域。
17.如权利要求16所述的激光雷达，其特征在于，所述偏转单元为平面镜，每个所述平面镜具有固定的透射/反射比。
18.如权利要求17所述的激光雷达，其特征在于，每个所述平面镜反射的出射激光的能量相同；或者，将出射激光偏转后入射至探测区域中的感兴趣区域的平面镜反射的出射激光的能量大于其他平面镜反射的出射激光的能量。
19.如权利要求16所述的激光雷达，其特征在于，多个所述偏转单元与所述激光发射模块发射的出射激光的夹角沿所述第一方向依次减小，使经过每个所述偏转单元的出射激光朝中心方向会聚。
20.如权利要求16所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括透镜，所述透镜用于会聚每个所述偏转单元偏转后的出射激光并使其入射至所述偏转机构。
21.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射组件包括激光发射模块和光学整形模块，所述激光雷达还包括偏转机构；
所述激光发射模块用于发射出射激光至所述光学整形模块，所述光学整形模块用于会聚所述出射激光并使其入射至偏转机构；
所述偏转机构用于接收所述出射激光并将所述出射激光反射后射向所述阵列探测器的探测区域内；入射至所述探测区域的出射激光为线光斑，所述偏转机构还用于使所述线光斑扫描遍历整个探测区域。
22.如权利要求21所述的激光雷达，其特征在于，所述光学整形模块为柱面镜或微柱面镜阵列。
23.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射组件包括激光发射模块和光学整形模块，所述激光雷达还包括偏转机构；
所述激光发射模块用于发射出射激光至所述偏转机构；所述偏转机构用于接收所述出射激光并将其反射至所述光学整形模块；所述光学整形模块用于将所述出射激光整形为线光斑后射向所述阵列探测器的探测区域内；所述偏转机构还用于使所述线光斑扫描遍历整个探测区域。
24.如权利要求23所述的激光雷达，其特征在于，所述光学整形模块为柱面镜或微柱面镜阵列，所述柱面镜或微柱面镜阵列在所述偏转机构的旋转平面内的横截面呈弧形且绕所述偏转机构对称。
25.如权利要求9、16、20、21、23或24所述的激光雷达，其特征在于，所述偏转机构为MEMS微镜、反射镜或透射棱镜。
26.如权利要求2-24任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述发射组件还包括发射光学模块，用于准直所述激光发射模块发射的出射激光；
所述接收组件还包括接收光学模块，用于会聚回波激光并将会聚后的回波激光射向阵列探测器。
27.一种自动驾驶设备，其特征在于，包括驾驶设备本体以及如权利要求1-26任一项所述的激光雷达，所述激光雷达安装于所述驾驶设备本体。
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