CN113567999A - 一种激光装置和激光雷达系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光装置和激光雷达系统及其控制方法。激光装置包括：至少两个发射单元，发射单元包括发射激光的激光器和驱动激光器的驱动电路；控制模块，与至少两个发射单元的驱动电路相连，以根据控制指令控制驱动电路驱动相应的激光器按照设定工作模式发射激光；第一准直模块，对每个发射单元发射的激光进行快轴方向准直，并将准直后的激光形成合束激光；第二准直模块，对合束激光进行慢轴方向准直。本申请提供的激光装置和激光雷达系统及其控制方法，能对至少两个激光器发射的激光进行快慢轴方向准直，准直后的合束激光能够满足使用要求，形成图像的分辨率高，且部件数量少，容易进行光学装调，合束效果好，同时结构简单，体积小，成本低。

Description

一种激光装置和激光雷达系统及其控制方法

技术领域

本申请涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光装置和激光雷达系统及其控制方法。

背景技术

激光雷达的应用领域非常广泛，当前主要应用在无人驾驶汽车上，除此之外，还有无人驾驶飞机，3D打印，AR/VR，服务机器人等领域。激光雷达被称为自动驾驶“眼睛”，是自动驾驶不可或缺的关键部分，其根据激光遇到障碍物体的往返时间来计算目标物体的距离，可以准确地绘制出3D环境地图，精度可达厘米级别。

如图1所示，激光雷达包括激光器100、驱动电路200、扫描器300、接收光学系统400、探测器500及信号处理系统600。工作过程如下：驱动电路200驱动激光器100发出固定脉冲重复频率的激光脉冲，经过扫描器300对目标物体T的不同位置进行测距成像，目标物体T返回光经过接收光学系统400被探测器500接收，经过信号处理系统600计算出该光脉冲的飞行时间，最后输出3D的点云图像F。

高脉冲重复频率对保证激光雷达图像的高分辨率是非常必要的。脉冲重复频率是指每秒内激光器发射的脉冲个数。每秒内激光器发射的脉冲个数越多，每帧点云图像上的数据点就越多，构建3D图像时可获取更多的信息来识别物体。从人眼安全考虑，窄脉宽和高重频是未来高功率光源的发展趋势。然而，当前激光雷达典型的脉冲高功率PLD激光器的重复频率一般小于100kz，远小于系统需求。举例而言，如图2所示，现有技术中，激光器100和驱动电路200分立封装，导致两者之间的连线过长，产生较大的回路电感(电感L1和电感L2)，对激光脉冲宽度和重复频率都有一定的限制，难以实现窄脉宽<2ns，以及高重频100kz以上。因此，采用单个激光器进行扫描的激光雷达都是“高度近视”的，图像分辨率低，无法有效识别3D物体，使得有效探测距离低。

虽然也有采用将多个独立低重复频率的激光器分时拼接的方案，但是其光学结构比较复杂，每路激光器发射的激光都至少需要两个透镜分别进行快慢轴准直。具体地，如图3所示，每个激光器100’分别经过快轴准直柱透镜700a和慢轴准直柱透镜700b单独进行快慢轴准直，快轴准直柱透镜700a只对激光的快轴方向进行准直，慢轴准直柱透镜700b只对激光的慢轴方向进行准直，准直后的激光再分别由单独的反射镜800反射进入到偏振合束器900，以形成合束激光。由于激光器100’发射的激光的快慢轴特性相差比较大，使得慢轴准直光斑尺寸比快轴准直光斑大得多，尤其是准直发散角越小，慢轴准直的光斑越大，容易产生通道间的串扰。例如，相邻两个平行发射激光的激光器100’的准直光路容易发生光串扰。因此，相邻激光器要求非常大的通道间隔，并且，需要的激光器和光学元件的数目均比较多，发射激光的整个光源模块体积比较庞大，光学装调困难，合束效果较差，成本较高，电光转化效率低，在实际过程中不利于工程实现，难以满足车载激光雷达系统的要求。

发明内容

本申请是为了克服现有技术存在的上述问题，提供一种激光装置和激光雷达系统及其控制方法，能对至少两个激光器发射的激光进行快慢轴方向准直，准直后的合束激光能够满足使用要求，形成图像的分辨率高，并且使用部件数量少，容易进行光学装调，合束效果较好，同时结构简单，能够减小体积和降低成本。

为此，本申请的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种激光装置，所述激光装置包括：至少两个发射单元，每个所述发射单元包括用于发射激光的激光器和用于驱动所述激光器的驱动电路；控制模块，与至少两个所述发射单元的所述驱动电路均相连，以根据控制指令控制所述驱动电路驱动相应的所述激光器按照设定工作模式发射激光；第一准直模块，用于对每个所述发射单元发射的激光进行快轴方向准直，并将准直后的激光形成合束激光；和第二准直模块，用于对所述合束激光进行慢轴方向准直。

可选地，所述第一准直模块包括：至少两个非球面镜，分别设置在每个所述发射单元发射激光的路径上，以对激光进行快轴方向和慢轴方向准直；偏振合束器，用于透射所述至少两个发射单元中的第一部分发射单元发射的激光和改变所述至少两个发射单元中的第二部分发射单元发射的激光的方向，以形成所述合束激光；和半波片，位于对应所述第二部分发射单元设置的所述非球面镜与所述偏振合束器之间，以调整方向发生改变的所述第二部分发射单元发射的激光的偏振态。

可选地，所述第一部分发射单元发射激光的方向与所述第二部分发射单元发射激光的方向垂直。

可选地，所述第一部分发射单元发射激光的方向与所述第二部分发射单元发射激光的方向平行，所述第一准直模块还包括反射镜，所述反射镜设置在所述第一部分发射单元或所述第二部分发射单元发射激光的路径上，以将激光的方向改变而射入所述偏振合束器。

可选地，所述第二准直模块包括沿着所述合束激光的路径方向依次间隔设置以用于对所述合束激光进行慢轴方向准直的负光焦度柱透镜和正光焦度柱透镜。

可选地，所述激光器和所述驱动电路合封在载板上。

可选地，所述载板采用高导热陶瓷材料。

可选地，所述载板下方设置有调温模块，所述控制模块包括温控单元，所述温控单元与所述调温模块连接，以控制所述调温模块的温度。

可选地，每个所述激光器发射的激光的脉冲时间间隔为T，所述设定工作模式包括以下模式中的至少一种：高重频模式，使两个所述激光器发射的激光的脉冲时间间隔Δt＝T/2；抗干扰模式，使两个所述激光器发射的激光的脉冲时间间隔Δt<T；高功率模式，使两个所述激光器发射的激光的脉冲时间间隔Δt＝0；和低功耗模式，仅使两个所述激光器中的一个所述激光器发射激光。

第二方面，本申请实施例提供一种激光雷达系统，所述激光雷达系统包括：上述第一方面提供的激光装置；扫描器，用于改变从所述激光装置接收的激光的发射方向，以对目标物体进行不同方向扫描；接收光学系统、探测器和信号处理单元，所述接收光学系统用于将从所述目标物体反射回来的激光接收到所述探测器，所述探测器用于将接收到的激光信号转换成电信号，并将所述电信号输入到信号处理单元，所述信号处理单元用于根据接收的所述电信号分析所述目标物体的距离和强度信息，以输出点云图像，并根据所述点云图像发出控制指令给所述激光装置的控制模块，以使所述控制模块根据所述控制指令控制所述激光装置的发射单元按照设定工作模式发射激光。

第三方面，本申请实施例提供一种激光雷达系统的控制方法，所述激光雷达系统的控制方法包括：扫描器将从激光装置发射的激光的方向改变，以对目标物体进行不同方向扫描；接收光学系统将从所述目标物体反射回来的激光接收到探测器；所述探测器将接收到的激光信号转换成电信号，并将所述电信号输入到信号处理单元；所述信号处理单元根据接收的所述电信号分析所述目标物体的距离和强度信息以输出点云图像，并根据所述点云图像发出控制指令给所述激光装置，使所述激光装置按照所述控制指令对应的设定工作模式发射激光。

可选地，所述激光装置包括至少两个发射单元、控制模块、第一准直模块和第二准直模块，其中，每个所述发射单元包括用于发射激光的激光器和用于驱动所述激光器的驱动电路，形成所述激光装置发射的激光包括：所述控制模块根据所述控制指令控制所述至少两个发射单元各自的驱动电路驱动相应的所述激光器按照所述设定工作模式发射激光；通过所述第一准直模块对每个所述激光器发射的激光进行快轴方向准直并将准直后的激光形成合束激光；通过所述第二准直模块对所述合束激光进行慢轴方向准直并将准直后的激光发送给所述扫描器。

在上述技术方案中，由于第一准直模块可对至少两个发射单元发射的激光进行快轴方向准直并将准直后的激光形成合束激光，而第二准直模块可对该合束激光进行慢轴方向准直，从而实现了对至少两个激光器发射的激光进行快慢轴方向准直，使得准直后的合束激光能够满足使用要求，与仅采用单一激光器发射激光的方案相比，本申请采用至少两个发射单元发射激光，能够有效提高激光器的脉冲重复频率，形成图像的分辨率较高，并且与采用多个激光器时分别对每束激光进行快慢轴方向准直再形成合束激光的方案相比，本申请的方案使用的部件数量较少，容易进行光学装调，合束效果较好，同时结构简单，能够减小体积和降低成本。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施例部分予以详细说明。

附图说明

下面对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍。

图1为现有技术的一种激光雷达系统的结构示意图；

图2为现有技术的分立分装的激光器和驱动电路的结构示意图；

图3为现有技术的一种激光装置的结构示意图；

图4为本申请第一实施例的激光装置的结构示意图；

图5为本申请第二实施例的激光装置的结构示意图；

图6为本申请第三实施例的激光装置的结构示意图；

图7为本申请实施例的激光装置的发射单元的局部结构示意图；

图8为本申请实施例的激光装置的控制模块的结构示意图；

图9为本申请实施例的发射单元的激光器的发射示意图；

图10A为高重频模式下激光器的发射示意图；

图10B为抗干扰模式下激光器的发射示意图；

图10C为高功率模式下激光器的发射示意图；

图10D为低功耗模式下激光器的发射示意图；

图11为本申请实施例供的一种激光雷达系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

在本申请的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体的连接；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申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以适合的方式结合。

图4为本申请第一实施例的激光装置的结构示意图。如图4所示，该激光装置包括至少两个发射单元1、控制模块2、第一准直模块3和第二准直模块4。每个发射单元1包括用于发射激光的激光器11和用于驱动激光器11的驱动电路12(下面将详细介绍)，控制模块2与至少两个发射单元1的驱动电路12均相连，以根据控制指令控制驱动电路12驱动相应的激光器11按照设定工作模式发射激光，第一准直模块3可对每个发射单元1发射的激光进行快轴方向准直，并将准直后的激光形成合束激光，第二准直模块4可对合束激光进行慢轴方向准直。

在上述技术方案中，由于第一准直模块3可对至少两个发射单元1发射的激光进行快轴方向准直并将准直后的激光形成合束激光，而第二准直模块4可对该合束激光进行慢轴方向准直，从而实现了对至少两个激光器11发射的激光进行快慢轴方向准直，使得准直后的合束激光能够满足使用要求，与仅采用单一激光器发射激光的方案相比，本申请采用至少两个发射单元发射激光，能够有效提高激光器的脉冲重复频率，形成图像的分辨率较高，并且与采用多个激光器时分别对每束激光进行快慢轴方向准直再形成合束激光的方案相比，本申请的方案使用的部件数量较少，容易进行光学装调，合束效果较好，同时结构简单，能够减小体积和降低成本。

可选地，第一准直模块3除了对每个发射单元1发射的激光进行快轴方向准直外，还可对每个发射单元1发射的激光进行慢轴方向准直。这里，第一准直模块3只是对激光进行慢轴方向初步准直，可使得稍后形成的合束激光的光斑面积较小，使得合束效果较好。并且，方便了第二准直模块4进一步对激光进行慢轴方向准直。

继续参考图4，其中，第一准直模块3可包括至少两个非球面镜31、偏振合束器32和半波片33，至少两个非球面镜31分别设置在每个发射单元1发射激光的路径上，以对激光进行快轴方向和慢轴方向准直。其中，非球面镜31主要对激光的快轴方向进行准直，对慢轴方向只进行了初步准直，避免了光束进入偏振合束器32时慢轴方向的入射角度太大，从而影响合束效果。偏振合束器32可透射至少两个发射单元1中的第一部分发射单元1a发射的激光和改变至少两个发射单元1中的第二部分发射单元1b发射的激光的方向，以形成合束激光。半波片33位于对应第二部分发射单元1b设置的非球面镜31与偏振合束器32之间，以调整方向发生改变的第二部分发射单元1b发射的激光的偏振态。也就是说，第二部分发射单元1b发射的激光在经过偏振合束器32改变方向前需先经过半波片33调整激光的偏振态，而偏振合束器32透射的第一部分发射单元1a发射的激光(经过偏振合束器32方向未改变的激光)无需经过半波片33调整激光的偏振态。

并且，在图4所示的第一实施例的激光装置中，第一部分发射单元1a发射激光(偏振合束器32透射的激光)的方向与第二部分发射单元1b发射激光(经过偏振合束器32改变方向的激光)的方向垂直。此时，第一部分发射单元1a发射的激光通过非球面透镜31后直接到达偏振合束器32；同时，第二部分发射单元1b发出的激光经过非球面透镜31准直后，再通过半波片33使偏振态偏转90°后，到达偏振合束器32，最后偏振合束器32输出的合束激光与第一部分发射单元1a发射的激光方向平行，与第二部分发射单元1b发射的激光方向垂直。

图5为本申请第二实施例的激光装置的结构示意图。如图5所示，第一部分发射单元1a发射激光的方向与第二部分发射单元1b发射激光的方向平行，第一准直模块3还包括反射镜34，反射镜34设置在第一部分发射单元1a发射激光的路径上，以将激光的方向改变而射入偏振合束器32。此时，第一部分发射单元1a发射的激光经过非球面镜31后，需经过反射镜34反射改变方向，具体地，方向改变了90度，即由反射镜34将光路转至偏振合束器32，再透过偏振合束器32输出；同时，第二部分发射单元1b发射的激光经过非球面透镜31准直后到达半波片33，经过半波片33后，激光的偏振态偏转90°，然后到达偏振合束器32，经过偏振合束器32后会转折90°，与第一部分发射单元1a的光路重合，完成合束过程。最后偏振合束器32输出的合束激光方向与第一部分发射单元1a和第二部分发射单元1b发射的激光方向垂直。

图6为本申请第三实施例的激光装置的结构示意图。如图6所示，第一部分发射单元1a发射激光的方向与第二部分发射单元1b发射激光的方向平行，半波片33在第二部分发射单元1b的准直光路上，位于非球面透镜31后面，使得发射单元1的激光偏振态偏转90°。与图5所示的第二实施例的激光装置的不同之处在于，在图6所示的第三实施例的激光装置中，反射镜34设置在第二部分发射单元1b发射激光的路径上，以将激光的方向改变而射入偏振合束器32。此时，第二部分发射单元1b发射的激光经过非球面镜31进行快慢轴方向准直后，经过偏振片33，需再经过反射镜34反射改变方向，具体地，方向改变了90度，然后经过偏振合束器32后会转折90°，与第一部分发射单元1a发射的激光先经过非球面镜31再透射经过偏振合束器32的光路重合，从而形成合束激光。最后偏振合束器32输出的合束激光方向与第一部分发射单元1a和第二部分发射单元1b发射的激光方向平行。

在上述第二实施例和第三实施例的激光装置中，反射镜34、半波片33、偏振合束器32可合成为一个光学元件，使得整个第一准直模块3的结构更加紧凑，装调过程更简单。

另外，如图4-图6所示，第二准直模块4可包括沿着合束激光的路径方向依次间隔设置以用于对合束激光进行慢轴方向准直的负光焦度柱透镜41和正光焦度柱透镜42。其中，负光焦度柱透镜41和正光焦度柱透镜42可组成倒置伽利略望远系统，来对合束激光进行慢轴方向准直。相比只有一个正光焦度的慢轴准直柱透镜，负光焦度柱透镜组41和正光焦度透镜组42组成的倒置伽利略望远系统在同样焦距设计下可有效缩短第二准直模块4的光路长度，装配简单且容差大，最终输出激光满足设计要求的慢轴准直角度。本申请中，只需要对合束激光进行一次慢轴方向准直，就可以实现对所有激光器的慢轴方向准直，有效减少了第一准直模块3和第二准直模块4组成的准直系统中的光学透镜的使用数量，大幅度降低整个光源模块的体积与复杂性，有助于节省成本。

举例而言，对快轴发散角25°且慢轴发散角12°的两个激光器11进行光路合束，目标设计的最终激光输出的快轴和慢轴的准直发散角为0.2°*0.5°。采用单个非球面透镜31对两个半导体激光器11的光路准直之后，通过偏振合束器32实现了很好的单路光输出，偏振合束后输出的光斑快轴发散角为0.2°，满足设计指标需求，而慢轴发散角为3°。慢轴发散角还没有达到设计目标，合束激光需要进一步进行慢轴方向准直。接着，将该合束激光经过一个负光焦度柱透镜组41和一个正光焦度柱透镜组42进行慢轴光准直，此时慢轴发散角为0.5°，实现了慢轴方向的设计目标。

考虑到激光器和驱动电路采用分立封装，会导致两者之间的连线过长，从而产生较大的回路电感，不利于实现窄脉冲和高重频，因此，在本申请中，激光器11和驱动电路12可合封在载板上。并且，为了对激光器11和驱动电路12进行散热，载板可采用高导热陶瓷材料。另外，为了能够保证载板的温度处于正常工作范围内，载板下方可设置调温模块，控制模块2包括温控单元24，温控单元24与调温模块连接，以控制调温模块的温度。其中，调温模块可为半导体制冷器(TEC，即Thermo Electric Cooler)。调温模块可对激光器11进行恒定温度控制，保证激光器11的高低温工作范围能够满足-40℃～125℃的车规需求。

图7为本申请实施例提供的激光装置的发射单元的局部结构示意图。如图7所示，驱动电路12可包括与激光器11串联的MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET，金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管)121以及与激光器11和MOSFET并联的电容器122，电容器122的与激光器11相连的高压端与控制模块2连接，电容器122的与MOSFET相连的低压端接地，L1、L2、L3为电路走线产生的寄生电感。其中，电容器122可采用单层介质电容，如容值800pF～1nF，激光器11与电容器122之间可通过多根金线键合，以减小放电回路电感，从而提高放电电流。

在上述脉冲放电回路中，电容器122的容值以及回路杂散电感是决定放电脉冲宽度的主要因素。现有技术的激光器和驱动电路分立封装的方式导致两者之间的走线电感比较大，极难实现较窄的脉冲宽度1～2ns，使得脉冲重频<100kHz。本申请将激光器(激光器芯片)11与驱动电路12采用集成化合封的方式，使得激光器11和驱动电路12的各个元件在载板上尽可能靠近，以减少元件之间的走线长度而产生的寄生电感，能够实现窄脉宽。

进一步地，除了窄脉宽因素，另一个限制激光器的脉冲重频的重要因素是散热。当激光器11在高重频下工作时，随着时间的增加，热量会不断累积，过高的温度容易导致激光器11热损坏。本申请中将发射单元1的激光器11、电容器122、MOSFET以及FET驱动器123有机结合在高导热陶瓷材料制成的载板上，通过直接封装方式进行统一散热，最大限度的提高了激光脉冲的重频以及窄脉冲大功率输出能力。

因此，在本申请中，通过优化电路走线设计以及散热方式，大大提高了激光器高重频工作性能。具体地，本方案的单个激光器的脉冲宽度可以实现小于2ns，脉冲重频可达400kHz以上，同时具有较高的电光转化效率>10％(现有技术一般3％～9％)，在激光脉冲重频为400kHz时，激光器的电功耗只有600mW，仅为现有商用器件的15％。

继续参考图7，驱动电路12还包括FET驱动器123，FET驱动器123用于控制MOSFET的导通或者断开工作状态，FET驱动器123与控制模块2连接以接收控制指令。具体地，FET驱动器123控制模块2的脉冲信号控制单元23(下面将介绍)连接。FET驱动器123与FET紧密相连，这样可以减小FET驱动与FET之间的连线电感，有利于降低驱动损耗和减小脉宽，能够提高脉冲重复频率和实现窄脉冲。

图8为本申请实施例提供的激光装置的控制模块的结构示意图。如图8所示，控制模块2包括至少一个供电单元21、限流单元22和脉冲信号控制单元23，其中，供电单元21可给发射单元1的激光器11进行供电，并可通过改变供电电压来改变激光器11发射的激光的脉冲幅值，限流单元22连接在供电单元21与激光器11(如图7所示的电容器的高压端)之间，用于对激光器11的放电电路进行限流，防止激光器11烧坏，脉冲信号控制单元23串联在供电单元21与驱动电路12之间。具体地，脉冲信号控制单元23可连接FET驱动器123。脉冲信号控制单元23可生成要求的多个电脉冲信号，以控制多个激光器11的重复频率和脉冲时间间隔等。

另外，现有技术一般采用电阻进行限流，电阻的阻值越大，限流作用越好，但是随着电阻阻值增加，电功耗也会增加，对脉冲重复频率也有一定限制，难以实现高重频100kHz以上。本申请的限流单元22采用电感限流，限流单元22可包括电感元件和与电感元件串联的二级管。如电感值10～12uH的电感。相比电阻限流，电感可以实现对充电电容的快速充电，同时还可以实现对供电电压两倍以上的升压，能够有效提高电光转化效率。

图9为本申请实施例的发射单元的激光器的发射示意图。如图9所示，第一激光器LD1和第二激光器LD2各自发射的激光的脉冲时间间隔为T，幅值分别为A₁、A₂，设定工作模式可包括以下模式中的至少一种：

1)高重频模式，使两个激光器11(即第一激光器LD1和第二激光器LD2)发射的激光的脉冲时间间隔Δt＝T/2，如图10A所示；

2)抗干扰模式，使两个激光器11发射的激光的脉冲时间间隔Δt<T，如图10B所示；

3)高功率模式，使两个激光器11发射的激光的脉冲时间间隔Δt＝0，如图10C所示；

4)低功耗模式，仅使两个激光器11中的一个激光器11发射激光，如图10D所示。

因此，控制指令包括脉冲时间间隔Δt。可选地，控制指令还可包括脉冲重复频率1/T以及供电电压信息等。通过调节供电单元21的供电电压可改变激光器11发射的脉冲幅值A₁、A₂。

控制模块2可独立对每路激光器11进行供电及脉冲信号控制，实现时序控制两个激光器11的脉冲重复频率、脉冲时间间隔和幅值。用户可根据场景需求，选择一种设定工作模式，或者出厂时设置默认的设定工作模式。控制模块2根据设定工作模式，调节供电单元21的供电电压来改变激光器11发射的脉冲幅值，并通过调节脉冲信号控制单元23来产生要求的时序脉冲信号(控制指令)，发出脉冲激光信息给发射单元1，以使发射单元1的激光器11按照设定工作模式周期性地发射激光脉冲。

图11为本申请实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图。如图11所示，激光雷达系统包括扫描器20、接收光学系统30、探测器40、信号处理单元50和上述激光装置10。扫描器20可改变从激光装置10接收的激光的发射方向，以对目标物体T进行不同方向扫描，接收光学系统30可将从目标物体T反射回来的激光接收到探测器40，探测器40可将接收到的激光信号转换成电信号，并将电信号输入到信号处理单元50，信号处理单元50可根据接收的电信号分析目标物体T的距离和强度信息，以输出点云图像，并根据点云图像发出控制指令给激光装置10的控制模块2，以使控制模块2根据该控制指令控制激光装置10的发射单元1按照设定工作模式发射激光。

也就是说，该激光雷达系统可根据信号处理单元50分析点云图像得出适合当前环境的设定工作模式，并将对应该设定工作模式的控制指令发给控制模块2，使控制模块2根据该控制指令控制发射单元1按照设定工作模式发射激光，从而提高了激光雷达对环境的感知能力。其中，设定工作模块可以有但不限于以下四种：

1)高重频模式

当信号处理单元50监测到目标物体T的点云图像的数据点比较稀疏时，或者需要对某个目标物体T进行高密度成像，通过脉冲信号控制单元23设置两个发射单元1的脉冲时间间隔Δt＝T/2，此时，输出脉冲重频提升一倍，从而提高了点云图像的数据点密度。

2)抗干扰模式

当外界环境存在干扰光时，如其他激光雷达发出的激光，同一物体探测会出现很多回波信号，使得点云图像上会出现很多噪点，通过脉冲信号控制单元23设置脉冲时间间隔Δt<T，此时一个周期内输出两个相邻脉冲信号，如Δt＝10～200ns，信号处理单元50分析判断探测器接收到的不同回波信号之间脉冲时间间隔是否与发射激光脉冲的时间间隔Δt一致，若一致，则接收到的两个回波脉冲信号为有效的信号，提取回波信号的时间信息，若不一致，则判断为干扰信息，不提取回波信号的时间信息；仅根据时间间隔Δt一致的回波信号形成点云图像，从而提升了对环境光的抗干扰能力。

3)高功率模式

当远距离探测时，或者特殊天气，如雨、雾、霾等，需要大幅度增加激光的脉冲幅值来确保探测器有信号，通过脉冲信号控制单元设置两个发射单元1的脉冲时间间隔Δt＝0，此时，输出脉冲功率叠加信号，从而增大了激光器雷达系统的测量距离。

4)低功耗模式

当近距离探测时，可切断两路激光器11中的一路激光器11的供电电压，使其停止工作。而仅使两路激光器11中的另一路发射激光。

本申请实施例还提供一种激光雷达系统的控制方法，控制方法包括：扫描器20将从激光装置10发射的激光的方向改变，以对目标物体T进行不同方向扫描；接收光学系统30将从目标物体T反射回来的激光接收到探测器40；探测器40将接收到的激光信号转换成电信号，并将电信号输入到信号处理单元50；信号处理单元50根据接收的电信号分析目标物体T的距离和强度信息以输出点云图像，并根据点云图像发出控制指令给激光装置10，以使激光装置10按照所述控制指令对应的设定工作模式发射激光。其中，激光装置10包括至少两个发射单元1、控制模块2、第一准直模块3和第二准直模块4，其中，每个发射单元1包括用于发射激光的激光器11和用于驱动激光器11的驱动电路12，形成激光装置10发射的激光包括：控制模块2根据控制指令控制至少两个发射单元1各自的驱动电路12驱动相应的激光器11按照设定工作模式发射激光；通过第一准直模块3对每个激光器11发射的激光进行快轴方向准直并将准直后的激光形成合束激光；通过第二准直模块4对合束激光进行慢轴方向准直并将准直后的激光发送给扫描器20。

本申请实施例的激光雷达系统的控制方法的具体工作过程如下：

信号处理单元50根据初始的设定工作模式，发出控制指令给控制模块2；控制模块2发出脉冲激光信息给每个发射单元1的驱动电路12，以驱动相应的激光器11根据设定工作模式周期性地发射激光脉冲；激光脉冲经过第一准直模块3的非球面镜31优先对快轴方向准直，并可对慢轴方向进行初步准直，然后通过第一准直模块3的偏振合束器32输出合束激光；合束激光经过第二准直模块4单独进行慢轴方向准直，准直激光经过扫描器20对目标物体T进行测距；探测器40接收目标物体T反射回来的激光，输入到信号处理单元50进行分析；信号处理单元50根据点云图像的情况，可以发出适合当前工作环境的设定工作模式的控制指令给控制模块2，以便控制模块2控制发射单元1的驱动电路12驱动发射单元1的激光器按照设定工作模式发射激光脉冲，从而实现不同工作模式的控制。

综上所述，本申请提供的激光装置和激光雷达系统及其控制方法，具有以下优点：

1)采用非常紧凑的光学准直系统设计对发射的高重频激光进行快慢轴方向准直，具体地，只采用单个非球面透镜同时对激光的快慢轴方向进行准直后再合束，最后对合束激光进行一次慢轴方向准直后输出高重频的脉冲激光，能够有效提高激光器的脉冲重复频率，并且可以实现小型化、高效率的光学合束，具有足够高的分辨率，足够远的测距距离。

2)采用集成化的电路设计，将激光器(激光器芯片)与驱动电路合封在高导热陶瓷材料制成的载板上，优化了走线设计，减小了回路电感，并且载板下方设置调温模块进行控温，进行了散热优化，有助于提高单个激光器的脉冲重频以及电光转换效率。

3)信号处理单元根据获得的点云图像能够反馈控制指令给控制模块，控制模块根据该控制指令对每个激光器的脉冲发射方式进行独立控制，使激光器能够按照设定工作模式发射激光脉冲，提高了对环境的感知能力和对外界环境光的抗干扰等能力。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种激光装置，其特征在于，所述激光装置包括：

至少两个发射单元(1)，每个所述发射单元(1)包括用于发射激光的激光器(11)和用于驱动所述激光器(11)的驱动电路(12)；

控制模块(2)，与至少两个所述发射单元(1)的所述驱动电路(12)均相连，以根据控制指令控制所述驱动电路(12)驱动相应的所述激光器(11)按照设定工作模式发射激光；

第一准直模块(3)，用于对每个所述发射单元(1)发射的激光进行快轴方向准直，并将准直后的激光形成合束激光；和

第二准直模块(4)，用于对所述合束激光进行慢轴方向准直。

2.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述第一准直模块(3)包括：

至少两个非球面镜(31)，分别设置在每个所述发射单元(1)发射激光的路径上，以对激光进行快轴方向和慢轴方向准直；

偏振合束器(32)，用于透射所述至少两个发射单元(1)中的第一部分发射单元(1a)发射的激光和改变所述至少两个发射单元(1)中的第二部分发射单元(1b)发射的激光的方向，以形成所述合束激光；和

半波片(33)，位于对应所述第二部分发射单元(1b)设置的所述非球面镜(31)与所述偏振合束器(32)之间，以调整方向发生改变的所述第二部分发射单元(1b)发射的激光的偏振态。

3.根据权利要求2所述的激光装置，其特征在于，所述第一部分发射单元(1a)发射激光的方向与所述第二部分发射单元(1b)发射激光的方向垂直。

4.根据权利要求2所述的激光装置，其特征在于，所述第一部分发射单元(1a)发射激光的方向与所述第二部分发射单元(1b)发射激光的方向平行，所述第一准直模块(3)还包括反射镜(34)，所述反射镜(34)设置在所述第一部分发射单元(1a)或所述第二部分发射单元(1b)发射激光的路径上，以将激光的方向改变而射入所述偏振合束器(32)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的激光装置，其特征在于，所述第二准直模块(4)包括沿着所述合束激光的路径方向依次间隔设置以用于对所述合束激光进行慢轴方向准直的负光焦度柱透镜(41)和正光焦度柱透镜(42)。

6.根据权利要求1-5任一项所述的激光装置，其特征在于，所述激光器(11)和所述驱动电路(12)合封在载板上。

7.根据权利要求6所述的激光装置，其特征在于，所述载板采用高导热陶瓷材料。

8.根据权利要求6所述的激光装置，其特征在于，所述载板下方设置有调温模块，所述控制模块(2)包括温控单元(24)，所述温控单元(24)与所述调温模块连接，以控制所述调温模块的温度。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的激光装置，其特征在于，每个所述激光器(11)发射的激光的脉冲时间间隔为T，所述设定工作模式包括以下模式中的至少一种：

高重频模式，使两个所述激光器(11)发射的激光的脉冲时间间隔Δt＝T/2；

抗干扰模式，使两个所述激光器(11)发射的激光的脉冲时间间隔Δt<T；

高功率模式，使两个所述激光器(11)发射的激光的脉冲时间间隔Δt＝0；和

低功耗模式，仅使两个所述激光器(11)中的一个所述激光器(11)发射激光。

10.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：

根据权利要求1-9中任一项所述的激光装置(10)；

扫描器(20)，用于改变从所述激光装置(10)接收的激光的发射方向，以对目标物体(T)进行不同方向扫描；

接收光学系统(30)、探测器(40)和信号处理单元(50)，所述接收光学系统(30)用于将从所述目标物体(T)反射回来的激光接收到所述探测器(40)，所述探测器(40)用于将接收到的激光信号转换成电信号，并将所述电信号输入到信号处理单元(50)，所述信号处理单元(50)用于根据接收的所述电信号分析所述目标物体(T)的距离和强度信息，以输出点云图像，并根据所述点云图像发出控制指令给所述激光装置(10)的控制模块(2)，以使所述控制模块(2)根据所述控制指令控制所述激光装置(10)的发射单元(1)按照设定工作模式发射激光。

11.一种激光雷达系统的控制方法，其特征在于，包括：

扫描器(20)将从激光装置(10)发射的激光的方向改变，以对目标物体(T)进行不同方向扫描；

接收光学系统(30)将从所述目标物体(T)反射回来的激光接收到探测器(40)；

所述探测器(40)将接收到的激光信号转换成电信号，并将所述电信号输入到信号处理单元(50)；

所述信号处理单元(50)根据接收的所述电信号分析所述目标物体(T)的距离和强度信息以输出点云图像，并根据所述点云图像发出控制指令给所述激光装置(10)，以使所述激光装置(10)按照所述控制指令对应的设定工作模式发射激光。

12.根据权利要求11所述的激光雷达系统的控制方法，其特征在于，所述激光装置(10)包括至少两个发射单元(1)、控制模块(2)、第一准直模块(3)和第二准直模块(4)，其中，每个所述发射单元(1)包括用于发射激光的激光器(11)和用于驱动所述激光器(11)的驱动电路(12)，形成所述激光装置(10)发射的激光包括：

所述控制模块(2)根据所述控制指令控制所述至少两个发射单元(1)各自的驱动电路(12)驱动相应的所述激光器(11)按照所述设定工作模式发射激光；

通过所述第一准直模块(3)对每个所述激光器(11)发射的激光进行快轴方向准直并将准直后的激光形成合束激光；

通过所述第二准直模块(4)对所述合束激光进行慢轴方向准直并将准直后的激光发送给所述扫描器(20)。

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