CN113376615A - 一种显著降低激光雷达高度的发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显著降低激光雷达高度的发射系统，该发射系统包括多组激光器，所述激光器出光方向设置有光束整形部件整形成线激光，所述光束整形部件被配置为使得将所述激光器发出的光束在激光雷达系统内部先会聚再扩散后出射。本发明提供的发射系统，能够降低发射和接收在竖直方向堆叠放置的系统高度。

Description

一种显著降低激光雷达高度的发射系统

技术领域

本发明是关于一种显著降低激光雷达高度的发射系统，涉及激光雷达技术领域。

背景技术

三维环境测量和感知具有重要的民用和军用价值。在ADAS辅助驾驶和自动驾驶系统中，对车辆周边环境进行空间距离测量和三维环境重建，是实现高精度自动驾驶控制的前提条件。毫米波雷达和摄像头三维视觉重建是比较常见的距离测量技术，但是在自动驾驶应用场景下，毫米波雷达的横向分辨率难以达到要求，且易受金属物体干扰。摄像头三维视觉重建的测距精度较低，对于远距离的目标，也较难实现精准的距离测量。激光雷达通过主动发射脉冲式红外激光束，照射到被测物体后，形成漫反射回波由接收系统收集；通过测量发射脉冲和接收回波之间的时间差，可以获得被测物体的距离信息。激光雷达具有测距精度高、横向分辨率高的优点，在辅助驾驶和自动驾驶领域有广阔的应用前景。

现有激光雷达收发系统多是单点光源对应单点探测器、单点光源对应面阵探测器或者多点光源对应面阵探测器，其问题在于成本高昂，装调困难，难以实现量产目标。如图1所示的CN208506242U公开的激光雷达系统，包括发射激光器1、光束整形镜2、反射镜3、接收透镜4、线阵APD5及探测物6。使用线阵探测器作为接收器件，激光发射系统产生线状激光光斑与接收视场匹配，可以快速获得多个距离测量点，提高系统的测量速度和适用范围。此外，由于使用单个光束与阵列探测器件进行匹配，系统的装调难度大大减小，有利于控制激光雷达产品的整体成本。

线激光发射对应线阵探测器的系统存在高度难以降低的问题，其发射系统和接收系统同轴堆叠放置。随着激光雷达竖直视场角的增大，激光器的出光角度逐渐增大，在相同光程情况下，雷达的高度会随之增加。若激光器的发散角度小于雷达的竖直视场角，还要对激光器的发散角度进行扩束处理，进一步增加雷达高度。目前线激光扩束通用方法为在激光器后加扩束柱透镜，母线与线激光方向垂直，如图2所示。光线从发射系统射出后，随着光程的增加，竖直方向所需的高度会逐渐增加。随着自动驾驶的发展，对雷达的高度要求越来越严苛，降低激光雷达高度成了迫切的需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种显著降低激光雷达高度的发射系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种显著降低激光雷达高度的发射系统，该发射系统包括多组激光器，所述激光器出光方向设置有光束整形部件整形成线激光，所述光束整形部件被配置为使得将所述激光器发出的光束在激光雷达系统内部先会聚再扩散后出射。

上述的发射系统，每组激光器采用单个激光器；或者每组激光器为在慢轴方向阵列的多个激光器。

上述的发射系统，优选地，所述激光器设置为3组4排。

上述的发射系统，优选地，所述光学整形部件采用快轴准直镜，每组激光器出光方向均设置有所述快轴准直镜，所述快轴准直镜的母线方向与相应所述激光器的慢轴方向平行；

第二组激光器和第二快轴准直镜水平放置，第一组激光器和第一快轴准直镜位于第二组激光器和第二快轴准直镜的上方，第三组激光器和第三快轴准直镜位于第二组激光器和第二快轴准直镜的下方，其中：第一组激光器和第一快轴准直镜整体向下倾斜；第三组激光器和第三快轴准直镜整体向上倾斜；第一组激光器和第一快轴准直镜与第三组激光器和第三快轴准直镜相对第二组激光器和第二快轴准直镜对称放置。

上述的发射系统，优选地，所述光学整形部件采用快轴准直镜和能够改变光线传播方向的光学元件；组所述激光器间隔平行放置，所述激光器出光方向设置所述快轴准直镜，所述快轴准直镜的母线方向与慢轴方向平行；位于上方的激光器对应的快轴准直镜和位于下方的激光器对应的快轴准直镜出光方向均设置所述光学元件，且两所述光学元件对称放置，所述光学元件被配置为将出射的光束偏转设定角度。

上述的发射系统，优选地，所述光学元件采用折光棱镜或反射镜。

上述的发射系统，优选地，三组激光器共用一个快轴准直镜；或者每组激光器对应设置一快轴准直镜。

上述的发射系统，优选地，所述光学整形部件采用快轴准直镜和慢轴扩束镜；三组激光器间隔平行放置，所述激光器出光方向设置有快轴准直镜，所述快轴准直镜的母线方向与慢轴方向平行；所述快轴准直镜的出光方向设置有所述慢轴扩束镜，所述慢轴扩束镜被配置为对激光器慢轴角度进行处理使光束先会聚再扩束。

上述的发射系统，优选地，多组激光器共用一个快轴准直镜；或者每组激光器对应设置一快轴准直镜。

上述的发射系统，优选地，多组激光器共用一个慢轴扩束镜；或者每组激光器对应设置一个慢轴扩束镜。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明提供的发射系统，通过在激光器出光方向设置光束整形部件，光束整形部件使光束在发射系统内部先会聚再扩散后出射，因此能够降低发射和接收在竖直方向堆叠放置的系统高度，特别是使用线光束时，可以实现水平方向准直，竖直方向高度降低的效果，同时能够覆盖竖直方向不同大小的视场角度；

2、本发明通过利用快轴准直镜以及分别与折光棱镜或慢轴扩束镜等配合使用，完成光束整形，实现水平方向(快轴)准直，竖直方向(慢轴)高度降低的效果，可以显著降低发射端高度，从而降低雷达整体体积，发射系统高度不会随雷达垂直视场角增大而增加；

综上，本发明可以广泛应用于激光雷达中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为现有技术的激光雷达系统原理示意图；

图2为现有技术的线激光扩束通用方法示意图；

图3为本发明实施例的光束整形原理示意图；

图4为本发明实施例激光器示意图；

图5为本发明实施例的激光器发光面示意图；

图6为本发明光束整形实施例一示意图；

图7为本发明光束整形实施例二示意图；

图8为本发明光束整形实施例三示意图；

图9为本发明实施例激光扩束改进方法原理示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

如图3所示，本发明实施例提供的显著降低激光雷达高度的发射系统，包括多组激光器10，激光器10出光方向设置有光束整形部件20，使得光束在发射系统30内部先会聚再扩散后经窗口40出射。

具体地，如图4所示，每组激光器10可以选择单个激光器，也可以选择在慢轴方向阵列的多个激光器例如2个、4个或者8个等等，增加激光器的目的是提高功率，提升探测距离。优选地，如图5所示，每个激光器10可以采用边发射激光器。

单个激光器通过柱透镜可以准直成线光斑，原理如下：在快轴方向，通过柱透镜准直成平行光，在慢轴方向的发散角并不做处理，故激光器经过快轴准直后就形成了线激光。

为了进一步清楚说明本发明实施例的光束整形部件20的具体实现方式，下面通过三个具体实施例对光束整形部件20的具体结构进行详细说明。

实施例一

如图6所示，本实施例的发射系统内设置有3组4排激光器，以此为例，不限于此，可以根据实际应用进行激光器数量的选择。本实施例的光束整形部件20采用快轴准直镜。本实施例的每组激光器10出光方向均对应设置一组快轴准直镜。其中，快轴准直镜的母线方向与激光器慢轴方向平行。

第二组激光器102和第二快轴准直镜202水平放置，第一组激光器101和第一快轴准直透镜201位于第二组激光器102和第二快轴准直镜202的上方，第三组激光器103和第三快轴准直镜203整体位于第二组激光器102和第二快轴准直镜202的下方，其中：

第一组激光器101和第一快轴准直镜201整体向下倾斜；

第三组激光器103和第三快轴准直镜203整体向上倾斜；

第一组激光器101和第一快轴准直镜201与第三组激光器103和第三快轴准直镜203相对第二组激光器102和第二快轴准直镜202对称放置。由于每组的四排激光器在慢轴方向排列，其发光中心在一条直线上，且间隔在微米量级，通过调整各组激光器和快轴准直镜的倾斜角度，使得光束先在发射系统内部会聚后再扩散经窗口40出射，同时符合垂直大视场角度要求和降低高度要求。

实施例二

如图7所示，本实施例的发射系统内设置有3组4排激光器，以此为例，不限于此，可以根据实际应用进行激光器数量的选择。本实施例的光束整形部件20采用快轴准直镜和折光棱镜。

本实施例与实施例一不同之处在于，三组激光器均间隔平行放置，每组激光器出光方向对应设置一组快轴准直镜，也可以多组激光器共用一个快轴准直镜。其中，快轴准直镜的母线方向与慢轴方向平行。

第一组激光器101和第一快轴准直镜201水平放置，第二组激光器102和第二快轴准直镜202与第三组激光器103和第三快轴准直镜203分别与第一组激光器101和第一快轴准直镜201平行间隔设置，其中：

第二快轴准直镜201和第三快轴准直镜202出光方向均设置有折光棱镜，且第二组激光器102对应设置的折光棱镜211和第三组激光器103对应设置的折光棱镜212对称放置，使经第二组激光器102和第三组激光器103出射的光束偏转一定角度，通过优化调整折光棱镜设计，得光束先在发射系统30内部会聚后再扩散经窗口40出射，以符合垂直大视场角度要求和降低高度要求，需要说明的是，折光棱镜也可以是其他改变光线传播方向的元件，例如反射镜等，可以根据需要选用满足光路传播要求的元件，在此不做限定。

实施例三

如图8所示，本实施例的发射系统内设置有3组4排激光器，以此为例，不限于此，可以根据实际应用进行激光器数量的选择。本实施例的光束整形部件20采用快轴准直镜和慢轴扩束镜。

本实施例与实施例二相同的是三组激光器均间隔平行放置，每组激光器出光方向对应设置一组快轴准直镜，也可以多组激光器共用一个快轴准直镜，快轴准直镜的母线方向与慢轴方向平行。

本实施例与实施例二不同之处在于，本实施例的快轴准直镜20的出光方向设置有慢轴扩束镜21，使光束在慢轴方向在发射系统30内部先会聚再扩束，三组激光器可共用一个慢轴扩束镜21，也可每组激光器对应一个慢轴扩束镜，通过优化调整慢轴扩束镜，使得光束先在发射系统30内部会聚后再扩束经窗口40出射，以符合垂直大视场角度要求和降低高度要求。

如图9所示，本实施例的快轴准直镜20对激光器快轴发散角进行准直，此时慢轴扩束镜21相当于平行平板，不影响快轴发散角；慢轴扩束镜21对激光器慢轴角度进行处理时，快轴准直镜20相当于平行平板，不影响慢轴发散角。

需要说明的是，上述各实施例中，使用的激光器组件数量不限制，快轴准直镜的数量与之相匹配，每组激光器包含激光器个数不限制，可以根据实际应用进行说明。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，上述各光学器件可以采用相应支撑结构进行固定支撑，在此不做限定，只要满足相应的光路传播要求即可。尽管参照前述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精神和范围。

Claims (10)

1.一种显著降低激光雷达高度的发射系统，其特征在于，该发射系统包括多组激光器，所述激光器出光方向设置有光束整形部件整形成线激光，所述光束整形部件被配置为使得将所述激光器发出的光束在激光雷达系统内部先会聚再扩散后出射。

2.根据权利要求1所述的显著降激光低雷达高度的发射系统，其特征在于，每组所述激光器采用单个激光器；或者每组激光器为在慢轴方向阵列的多个激光器。

3.根据权利要求2所述的显著降低激光雷达高度的发射系统，其特征在于，所述激光器设置为3组4排。

4.根据权利要求3所述的显著降低激光雷达高度的发射系统，其特征在于，所述光学整形部件采用快轴准直镜，每组激光器出光方向均设置有所述快轴准直镜，所述快轴准直镜的母线方向与相应所述激光器的慢轴方向平行；

第二组激光器和第二快轴准直镜水平放置，第一组激光器和第一快轴准直镜位于第二组激光器和第二快轴准直镜的上方，第三组激光器和第三快轴准直镜位于第二组激光器和第二快轴准直镜的下方，其中：

第一组激光器和第一快轴准直镜整体向下倾斜；

第三组激光器和第三快轴准直镜整体向上倾斜；

第一组激光器和第一快轴准直镜与第三组激光器和第三快轴准直镜相对第二组激光器和第二快轴准直镜对称放置。

5.根据权利要求3所述的显著降低激光雷达高度的发射系统，其特征在于，所述光学整形部件采用快轴准直镜和能够改变光线传播方向的光学元件；

三组所述激光器间隔平行放置，所述激光器出光方向设置所述快轴准直镜，所述快轴准直镜的母线方向与慢轴方向平行；

位于上方的激光器对应的快轴准直镜和位于下方的激光器对应的快轴准直镜出光方向均设置所述光学元件，且两所述光学元件对称放置，所述光学元件被配置为将出射的光束偏转设定角度。

6.根据权利要求5所述的显著降低激光雷达高度的发射系统，其特征在于，所述光学元件采用折光棱镜或反射镜。

7.根据权利要求5所述的显著降低激光雷达高度的发射系统，其特征在于，三组激光器共用一个快轴准直镜；或者每组激光器对应设置一快轴准直镜。

8.根据权利要求3所述的显著降低激光雷达高度的发射系统，其特征在于，所述光学整形部件采用快轴准直镜和慢轴扩束镜；

三组激光器间隔平行放置，所述激光器出光方向设置有快轴准直镜，所述快轴准直镜的母线方向与慢轴方向平行；所述快轴准直镜的出光方向设置所述慢轴扩束镜，所述慢轴扩束镜被配置为对激光器慢轴角度进行处理使光束先会聚再扩束。

9.根据权利要求8所述的显著降低激光雷达高度的发射系统，其特征在于，多组激光器共用一个快轴准直镜；或者每组激光器对应设置一快轴准直镜。

10.根据权利要求8所述的显著降低激光雷达高度的发射系统，其特征在于，多组激光器共用一个慢轴扩束镜；或者每组激光器对应设置一个慢轴扩束镜。

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