CN113030912A - 一种基于扫描振镜的激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于扫描振镜的激光雷达系统，包括：激光发射器，用于发射激光束；发射端振镜组件，用于改变发射激光束的方向实现二维扫描；接收端振镜组件，用于接收目标反射激光束并改变其传播方向；接收组件，接收并处理接收端振镜组件反射的激光束。本发明激光雷达系统能够减少进入系统的背景光辐射，从而有效提高系统的信噪比，且结构简单、紧凑以及生产成本低。

Description

一种基于扫描振镜的激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种基于扫描振镜的激光雷达系统。

背景技术

激光雷达是一种主动式探测系统，其工作原理是向待测目标主动发射激光信号，并接收目标反射回的激光信号，通过对发射和接收信号的特征进行比较分析，获得待测目标的信息。测距激光雷达是其中一种重要的类型，其通过测量激光从发射端到目标的传输时间实现目标距离和轮廓等信息的测量，在自动驾驶、地形测绘、公路检测、矿场检测、城市三维建模等领域有广泛的应用前景。

近年来，激光雷达技术得到快速发展。一方面，探测精度越来越高。尤其对于多线激光雷达，通过增加扫描激光束的数目，使空间分辨率显著提高。另一方面，新的激光雷达技术得到发展，尤其是全固态激光雷达技术由于可大大降低生产成本，因此，成为激光雷达的发展趋势。

但本申请发明人在实现本申请中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题，阻碍了激光雷达在各领域的广泛应用。对于多线激光雷达，虽然探测精度和探测距离都能满足应用需求，但高昂的硬件成本使其难以得到普及，目前仅用于研究和技术探索领域。对于固态激光雷达，虽然其成本相对多线激光雷达有大幅下降，但现有技术由于无法限制瞬时视场角，导致信噪比很低，很难实现远距离探测。

为了弥补现有激光雷达技术的不足，迫切需要提出一种信噪比较高，探测距离远，且成本较低的激光雷达系统，推动激光雷达技术在各领域的广泛应用。

发明内容

为解决上述至少一个技术问题，本发明公开了一种基于扫描振镜的激光雷达系统，包括：

激光发射器，包括至少一个激光光源，所述激光光源用于发射激光束；

发射端振镜组件，用于改变所述发射激光束的方向实现二维扫描；

接收端振镜组件，用于接收目标反射的激光束并改变其传播方向；

接收组件，接收并处理所述接收端振镜组件反射的激光束。

进一步地，所述发射端振镜组件包括第一振镜和第二振镜，所述第一振镜和所述第二振镜均为一维振镜，所述第一振镜可沿第一方向偏转，所述第二振镜可沿第二方向偏转，所述第一方向和所述第二方向正交。

进一步地，调节所述第一振镜和所述第二振镜沿各自方向的偏转角度，能够改变光束照射在被测目标上的位置。

进一步地，所述接收端振镜组件包括第一振镜阵列和第二振镜阵列，所述第一振镜阵列和所述第二振镜阵列均包括多个一维振镜单元，所述第一振镜阵列的一维振镜单元能够沿第一方向偏转，所述第二振镜阵列的一维振镜单元能够沿第二方向偏转。

进一步地，所述第一振镜阵列用于使其接收到的目标反射激光束沿第一方向发生会聚；所述第二振镜阵列用于使其接收到的目标反射激光束沿第二方向发生会聚。

进一步地，所述接收组件包括探测模块，用于接收端振镜反射并经过会聚的激光束。

进一步地，所述接收组件还包括滤光模块，所述滤光模块置于所述探测模块之前，用于过滤所述激光发射器发射激光带宽之外的背景杂散光。

进一步地，目标反射的激光束经过所述第一振镜阵列和所述第二振镜阵列会聚形成会聚光斑，所述探测模块置于所述会聚光斑的位置。

进一步地，所述滤光模块为干涉滤光片或窄带滤光片。

进一步地，所述一维振镜具有反射面，所述反射面均镀有高反射率膜，所述高反射率膜的反射波长与所述激光发射器发射的激光波长相匹配。

进一步地，所述激光发射器还包括光束准直镜组，所述光束准直镜组用于准直所述激光光源发出的激光束。

采用上述技术方案，本发明所述的激光雷达系统具有如下有益效果：

1)本发明激光雷达系统中接收端振镜组件的视场能够随着发射端振镜组件的扫描角度的变化而变化，使得每个时刻的瞬时视场角可以控制得非常小，从而使背景光的影响大大降低，信噪比相应提高，探测距离显著增大；

2)本发明激光雷达系统的发射端和接收端全部采用一维振镜进行调节和扫描，使其在确保较高的扫描频率的前提下，结构更为简单和紧凑；

3)本发明激光雷达系统不需要复杂的机械扫描机构，且只需要一个激光光源和一个探测模块即可工作，使成本大大降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例激光雷达系统的光路系统示意图；

图2为本发明实施例接收端振镜组件的结构示意图；

图3为本发明实施例接收端光路会聚示意图。

以下对附图作补充说明：

1-激光发射器；

21-第一振镜；22-第二振镜；

31-第一振镜阵列；32-第二振镜阵列；

4-接收组件；6-待测目标；

100,200,201,202,300,301,302-发射光束；

401,402,411,412,413-反射光束。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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”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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

实施例：

结合图1、图2和图3所示，一种基于扫描振镜的激光雷达系统，包括：

激光发射器1，包括至少一个激光光源，所述激光光源用于发射激光束；

发射端振镜组件，用于改变所述发射激光束的方向实现二维扫描；

接收端振镜组件，用于接收待测目标6反射的激光束并改变其传播方向；

接收组件4，接收并处理所述接收端振镜组件反射的激光束。

所述发射端振镜组件包括第一振镜21和第二振镜22，所述第一振镜21和所述第二振镜22均为一维振镜，所述第一振镜21可沿第一方向偏转，所述第二振镜22可沿第二方向偏转，所述第一方向和所述第二方向正交。

通过调节第一振镜21和第二振镜22沿各自方向的偏转角度，可改变光束照射在被测目标6上的位置，实现对所述待测目标6的扫描。

所述接收端振镜组件包括第一振镜阵列31和第二振镜阵列32，所述第一振镜阵列31和所述第二振镜阵列32均包括多个一维振镜单元，所述第一振镜阵列31的一维振镜单元能够沿第一方向偏转，所述第二振镜阵列32的一维振镜单元能够沿第二方向偏转。

所述第一振镜阵列31的用于使其接收到的目标反射激光束沿第一方向发生会聚；所述第二振镜阵列32用于使其接收到的目标反射激光束沿第二方向发生会聚。

所述接收组件4包括探测模块，用于接收端振镜反射并经过会聚的激光束。

所述接收组件4还包括滤光模块，用于过滤所述激光发射器发射激光带宽之外的背景杂散光。所述滤光模块置于所述探测模块之前。所述滤光模块为干涉滤光片或窄带滤光片。

所述被测目标6反射的激光束经过第一振镜阵列31和第二振镜阵列32会聚后，形成一很小的会聚光斑。所述探测模块置于所述会聚光斑的位置进行接收。

所述一维振镜具有反射面，所述反射面均镀有高反射率膜，所述高反射率膜的反射波长与所述激光发射器1发射的激光波长相匹配。

所述激光发射器1还包括光束准直镜组，所述光束准直镜组用于准直所述激光光源发出的激光束，减小光束发散角。

具体的，如图2和图3所示，所述第一振镜阵列31的各一维振镜单元沿着第一方向偏转，通过精确调节各一维振镜单元的偏转角度，使激光束沿第一方向发生会聚。类似地，所述第二振镜阵列32的各一维振镜单元沿着第二方向偏转，通过精确调节两振镜阵列31和32上各一维振镜单元的偏转角度，使光束经所述两振镜阵列31和32会聚后在所述接收组件4的探测模块处形成一足够小的光斑。通过对每个一维振镜单元施加驱动信号，使其工作在谐振频率下，就可以达到几百甚至上千赫兹以上的振动频率，实现对被测目标6的高速扫描探测。

所述第一振镜阵列31由M×N排布的一维振镜单元组成，所述第二振镜阵列32也由由M×N排布的一维振镜单元组成，其中M≥2，N≥2。如图2所示，M的取值为4，N的取值也为4。第一振镜阵列31上各一维振镜单元可左右偏转，第二振镜阵列32上各一维振镜单元可上下偏转。

所述滤光模块为窄带滤光片，所述窄带滤光片的透射中心波长与所述激光光源的输出波长相匹配，所述窄带滤光片的透射带宽和所述激光光源的线宽相匹配。在可能的实施方式中，所述滤光模块还可以为其它类型的滤光器件。

所述探测模块可以为PIN光电二极管、雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)光电二极管、盖革模式雪崩光电二极管(Geiger-mode Avalanche Photodiode，GM-APD)、硅光电倍增管(SiPM)或其它类型探测器中的任意一种。

在可能的实施方式中，所述激光光源为半导体激光器。

所述一维振镜可以为静电式振镜、电磁式振镜、压电式振镜、电热式振镜或其它类型振镜。

所述激光雷达系统还包括控制单元，用于控制所述激光发射器1、所述发射端振镜组件、所述接收端振镜组件和所述接收组件4的工作状态，

所述控制单元根据所述激光束从发出到所述探测模块接收到所述反射激光束之间的时间差计算飞行时间，进而得到待测目标6到激光雷达的距离；

所述控制单元根据所述激光束的出射角度来获得三维空间中待测目标6的方向信息，根据多次测量得到包含距离和方向信息的点云数据即可得到待测目标的空间三维信息。

具体的，如图1和图3所示，该实施例的激光雷达系统的工作原理如下：

第一振镜21可沿水平方向偏转，第二振镜22可沿垂直方向偏转。所述激光光源发射的入射光线100入射在第一振镜21上后，随着第一振镜21的偏转，其反射光线201会偏转为反射光线202；之后入射在第二振镜22上，随着第二振镜22的偏转，反射光线301会偏转为反射光线302。

反射光线301照射在所述待测目标6上，被所述待测目标6反射至三维空间中；对于待测目标6，在大多数情况下其表面可看作漫反射面，且表面形状不一定规则，因此，为了便于分析，通常将其作为朗伯反射面考虑。当所述第一振镜阵列31和所述第二振镜阵列32分别处于某偏转角度时，其中必有一束所述待测目标6的反射光线401能够被所述第一反射阵列接收，调节所述第一振镜阵列31中各一维振镜单元的偏转角度，可使得所述第一振镜阵列31反射的激光束沿第一方向发生会聚并照射在所述第二振镜阵列32上，调节第二振镜阵列32中各一维振镜单元的偏转角度可使得反射激光束沿第二方向发生会聚并入射至探测模块，并且在探测模块的探测面上形成一足够小的会聚光斑被其接收。

改变所述第一振镜21和所述第二振镜22的偏转角度，同理，反射光线302照射在所述待测目标6的另一位置处，反射光线302同样被目标漫反射至空间中，也将有一束漫反射光线402能够被所述第一振镜阵列31接收，调节所述第一振镜阵列31中各一维振镜单元的偏转角度，可使得所述第一振镜阵列31反射的激光束沿第一方向发生会聚并照射在所述第二振镜阵列32上，调节第二振镜阵列32中各一维振镜单元的偏转角度可使得反射激光束沿第二方向发生会聚并入射至探测模块，并且在探测模块的探测面上形成一足够小的会聚光斑被其接收。

采用上述方式，依次快速改变所述第一振镜21、所述第二振镜22、所述第一振镜阵列31和所述第二振镜阵列32的偏转角度，就可以实现对整个所述待测目标6的扫描，获得与所述待测目标6上不同位置相对应的距离的点云数据。

为了清晰描述，图1主要表示出了发射端光束偏转情况，接收端仅画出了一条沿着光轴传输的光线；图3则主要表示出了接收端光束偏转和会聚情况，发射端仅画出了一条沿着光轴传输的光线。

对于传统的固态激光雷达而言，其瞬时视场角需覆盖全视场，达到20°以上。而在本发明实施例中，其瞬时视场角可以设计得足够小，以尽量减小背景光的影响。

以图1为例进行分析可知，在每个时刻，只需要保证所述会聚模块4和所述探测模块能够接收到由所述第一振镜阵列31和所述第二振镜阵列32反射的一束发散角很小的激光束即可，而不需要其每个时刻都覆盖全视场，因此，本发明所述激光雷达的瞬时视场角可以非常小。具体的，假设所述探测模块的口径为1mm，所述接收振镜组件的等效焦距为50mm，则瞬时视场角仅为20mrad，远小于传统固态激光雷达的瞬时视场角。通过增大等效焦距或缩小探测模块的口径，还可使瞬时视场角进一步减小。因此，本发明所述激光雷达可大大减少进入系统的背景光辐射，从而有效提高系统的信噪比。

进一步地，本发明所述的基于扫描振镜的激光雷达系统在激光发射端(主要包括激光发射器1和发射端振镜组件)和接收端(主要包括接收端振镜组件和接收组件)都采用了扫描振镜，既能够实现高速扫描，又能使瞬时视场角大大减小，从而大幅降低了背景光的干扰，使信噪比大大提高。由于全部采用扫描振镜代替机械扫描机构，使系统结构更加简单和紧凑，生产制造成本也大幅降低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于扫描振镜的激光雷达系统，其特征在于，包括：

激光发射器，包括至少一个激光光源，所述激光光源用于发射激光束；

发射端振镜组件，用于改变所述发射激光束的方向实现二维扫描；

接收端振镜组件，用于接收目标反射的激光束并改变其传播方向；

接收组件，接收并处理所述接收端振镜组件反射的激光束。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述发射端振镜组件包括第一振镜和第二振镜，所述第一振镜和所述第二振镜均为一维振镜，所述第一振镜可沿第一方向偏转，所述第二振镜可沿第二方向偏转，所述第一方向和所述第二方向正交。

3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，调节所述第一振镜和所述第二振镜沿各自方向的偏转角度，能够改变光束照射在被测目标上的位置。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述接收端振镜组件包括第一振镜阵列和第二振镜阵列，所述第一振镜阵列和所述第二振镜阵列均包括多个一维振镜单元，所述第一振镜阵列的一维振镜单元能够沿第一方向偏转，所述第二振镜阵列的一维振镜单元能够沿第二方向偏转，所述第一方向和所述第二方向正交。

5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，所述第一振镜阵列用于使其接收到的目标反射激光束沿第一方向发生会聚；所述第二振镜阵列用于使其接收到的目标反射激光束沿第二方向发生会聚。

6.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，所述接收组件包括探测模块，用于接收所述接收端振镜组件反射并经过会聚的激光束。

7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其特征在于，所述接收组件还包括滤光模块，所述滤光模块置于所述探测模块之前，用于过滤所述激光发射器发射激光带宽之外的背景杂散光。

8.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，目标反射的激光束经过所述第一振镜阵列和所述第二振镜阵列会聚形成会聚光斑，所述探测模块置于所述会聚光斑的位置。

9.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述滤光模块为干涉滤光片或窄带滤光片。

10.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述一维振镜具有反射面，所述反射面均镀有高反射率膜，所述高反射率膜的反射波长与所述激光发射器发射的激光波长相匹配。

11.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射器还包括光束准直镜组，所述光束准直镜组用于准直所述激光光源发出的激光束。

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