CN113589256A - 一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达技术领域，尤其是一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，针对成本高、发射端杂光串扰到接收端的问题，现提出以下方案，包括发射系统、接收系统、多面转境扫描系统及主控系统，所述发射系统包括发射电子学模组、发射光学模组和发射折转反射镜，所述接收系统包括接收折转反射镜、接收光学模组和接收光学探测器，所述多面转境扫描系统由360度旋转电机与多面转镜构成，且多面转镜由多面转镜反射面A、B、C和D逆时针方向构成。本发明能够有效地降低整机的高度，能够使激光雷达系统在光学上得到充分的隔离，从而避免通道间串扰，可以使激光雷达所需的扫描通道数量成倍数降低或纵向扫描分辨率成倍数的增加。

Description

一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达。
背景技术
当前无人驾驶汽车激光雷达，尤其只具有前向视场的激光雷达系统，一般采用一个旋转反射镜配合收发光学系统进行线列扫描，实现三维空间测距。此类系统一般由线列发射光源及与之对应的线列接收探测器构成，通过光学系统将发射光学进行准直以及通过光学系统接收回波信号能量并汇聚到探测器上，并且发射和接收通道一一对应。该类激光雷达，在相同纵向角度分辨率的前提下，为了获得较大的视场角，则必须增加发射和接收的通道对儿个数。例如，64线扫描的转镜激光雷达，在15°纵向视场角内，线间角度分辨率月0.23°，在保持该角度分辨率的同时，将纵向视场角扩大到30°，或者将分辨率提升一倍达到0.115°从而实现128线的激光雷达时，则需要增加额外的64个收发通道，并且收发光学系统是上下排布或做共光轴的排布通过同一面反射镜进行扫描。
因此，该类激光雷达方案在高分辨率系统中存在成本高、装校工艺复杂、整机功耗大等方面的不足。收发光学系统通过同一面反射镜进行扫描还存在发射端杂光串扰到接收端，使探测到的点云存在虚假探测的问题，收发光学上下排布的布局，会使激光雷达整机的高度较高，难以降低产品体积的问题。
发明内容
基于背景技术中提出的技术问题，本发明提出了一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达。
本发明提出的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，包括发射系统、接收系统、多面转境扫描系统及主控系统，所述发射系统包括发射电子学模组、发射光学模组和发射折转反射镜，所述接收系统包括接收折转反射镜、接收光学模组和接收光学探测器，所述发射折转反射镜和接收折转反射镜在多面转境扫描系统的两侧对称设置，所述多面转境扫描系统由360度旋转电机与多面转镜构成，且多面转镜由多面转镜反射面A、多面转镜反射面B、多面转镜反射面C和多面转镜反射面D逆时针方向构成，每个反射面包含一个反射镜，反射镜在水平方向的夹角间隔相等，每个反射镜在俯仰方向具有一定的角度差，每个反射面在水平方向夹角互为90度，所述多面转镜反射面A在垂直方向上为-4度、多面转镜反射面B为0度、多面转镜反射面C为4度、多面转镜反射面D为8度，发射系统和接收系统的光学系统的单组探测物空间为8°的纵向视场。
优选地，所述发射电子学模组、发射光学模组和发射折转反射镜均位于多面转境扫描系统的同一侧，所述发射折转反射镜、发射光学模组和发射电子学模组在多面转境扫描系统的同一侧纵向依次设置。
优选地，所述接收折转反射镜、接收光学模组和接收光学探测器均位于多面转境扫描系统的同一侧，所述接收折转反射镜、接收光学模组和接收光学探测器在多面转境扫描系统的同一侧纵向依次设置。
优选地，所述主控系统位于发射电子学模组和接收光学探测器的中部，所述360度旋转电机竖直安装于反射面的底部。
优选地，所述发射系统和接收系统的光学系统均由柱面透镜或球面透镜系统构成。
优选地，所述接收光学探测器为工作在线性模式下的雪崩光电二极管或工作在盖革模式下的雪崩光电二极管，即单光子探测器。
优选地，所述发射系统的光源器件为半导体光源芯片，可以是边发射半导体激光器或垂直腔面发射半导体激光器。
优选地，所述多面转镜反射面A、多面转镜反射面B、多面转镜反射面C和多面转镜反射面D分别具有垂直其反射面的多面转镜反射面A的法线方向、多面转镜反射面B的法线、多面转镜反射面C的法线和多面转镜反射面D的法线。
优选地，所述发射系统和接收系统分别通过发射折转反射镜和接收折转反射镜将光路折转到多面转境扫描系统的相邻两个反射面上。
本发明中的有益效果为：
1、该分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，通过发射系统和接收系统分别排布在多面转镜的两侧，能够有效地降低整机的高度；例如，对于10％朗伯反射体，测距距离200m的激光雷达系统，其接收光学口径为
Figure BDA0003178271150000031
相应的发射光学口径也为
Figure BDA0003178271150000032
则对于传统扫描光路布局，其光学布局至少需要60mm的高度空间，通过本发明的多面转镜两侧布局方案，通过发射折转镜及接收折转镜将发射系统和接收系统分别排布在多面转镜的两侧，则光学布局仅需要30mm的高度。
2、该分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，发射系统和接收系的光路分别经过多面转镜相邻的两个反射面，能够使激光雷达系统在光学上得到充分的隔离，从而避免通道间串扰；例如，接收光学分别通过转镜的A、B、C面进行探测时，发射光学则分别通过转镜的反射面B、C、D实现对目标的照明，发射光路和接收光路在激光雷达内部得到了充分地隔离，使接收系统不易受到发射系统杂光的干扰。
3、该分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，通过设置不同反射面的角度，并通过调整发射端或接收端在探测空间的角度使收发视线相同，结合具有不同俯仰角度的转镜反射镜，可以使激光雷达所需的扫描通道数量成倍数降低或纵向扫描分辨率成倍数的增加；例如，发射系统和接收系构成的光学系统仅能在纵向上探测8度的视场范围，然而通过在俯仰方向互相间隔4度的A、B、C三面转镜，使系统探测的视场范围呈三倍增加到了约24度的范围。
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
附图说明
图1为本发明提出的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达的多面转镜配合收发分离左右两面布局的结构；
图2为本发明提出的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达的带有俯仰角度差的多面转镜结构示意图；
图3为本发明提出的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达的A、B、C、D反射镜所扫描的视场示意图一；
图4为本发明提出的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达的A、B、C、D反射镜所扫描的视场示意图二。
图中：1、发射电子学模组；2、发射光学模组；3、发射折转反射镜；4、接收折转反射镜；5、多面转镜扫描系统；6、接收光学模组；7、接收光电探测器；8、主控系统；9、多面转镜反射面A；10、多面转镜反射面A的法线方向；11、多面转镜反射面B；12、多面转镜反射面B的法线；13、360度旋转电机。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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。
参照图1-4，一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，包括发射系统、接收系统、多面转境扫描系统5及主控系统8，发射系统包括发射电子学模组1、发射光学模组2和发射折转反射镜3，接收系统包括接收折转反射镜4、接收光学模组6和接收光学探测器7，发射折转反射镜3和接收折转反射镜4在多面转境扫描系统5的两侧对称设置，多面转境扫描系统5由360度旋转电机13与多面转镜构成，且多面转镜由多面转镜反射面A9、多面转镜反射面B11、多面转镜反射面C和多面转镜反射面D逆时针方向构成，每个反射面包含一个反射镜，反射镜在水平方向的夹角间隔相等，每个反射镜在俯仰方向具有一定的角度差，每个反射面在水平方向夹角互为90度，多面转镜反射面A9在垂直方向上为-4度、多面转镜反射面B11为0度、多面转镜反射面C为4度、多面转镜反射面D为8度，发射系统和接收系统的光学系统的单组探测物空间为8°的纵向视场。当360度旋转电机13带动多面转镜顺时针转动时，接收光学相继由A、B、C三个面扫过，接收视场则相应偏移约-8度、0度、8度，发射光学则相继由B、C、D三个面扫过，通过发射端折转镜或光路的布局使发射端的出射光线从转镜的出射角度在垂直方向上也偏转约8度、0度、8度，与接收光学的视场相匹配，由此，接收光学和发射光学系统由该4面转镜系统(A，B)、(B，C)、(C、D)两两反射面的配合，使只有8°探测视场的光学系统变为约24°的探测视场。
本发明中，发射电子学模组1、发射光学模组2和发射折转反射镜3均位于多面转境扫描系统5的同一侧，发射折转反射镜3、发射光学模组2和发射电子学模组1在多面转境扫描系统5的同一侧纵向依次设置。
本发明中，接收折转反射镜4、接收光学模组6和接收光学探测器7均位于多面转境扫描系统5的同一侧，接收折转反射镜4、接收光学模组6和接收光学探测器7在多面转境扫描系统5的同一侧纵向依次设置。
本发明中，主控系统8位于发射电子学模组1和接收光学探测器7的中部，360度旋转电机13竖直安装于反射面的底部。
本发明中，发射系统和接收系统的光学系统均由柱面透镜或球面透镜系统构成。
本发明中，接收光学探测器7为工作在线性模式下的雪崩光电二极管或工作在盖革模式下的雪崩光电二极管，即单光子探测器。
本发明中，发射系统的光源器件为半导体光源芯片，可以是边发射半导体激光器或垂直腔面发射半导体激光器。
本发明中，多面转镜反射面A9、多面转镜反射面B11、多面转镜反射面C和多面转镜反射面D分别具有垂直其反射面的多面转镜反射面A的法线方向11、多面转镜反射面B的法线12、多面转镜反射面C的法线和多面转镜反射面D的法线。
本发明中，发射系统和接收系统分别通过发射折转反射镜3和接收折转反射镜4将光路折转到多面转境扫描系统5的相邻两个反射面上。
工作原理：当360度旋转电机13带动多面转镜顺时针转动时，接收光学相继由A、B、C三个面扫过，接收视场则相应偏移约-8度、0度、8度，发射光学则相继由B、C、D三个面扫过，通过发射端折转镜或光路的布局使发射端的出射光线从转镜的出射角度在垂直方向上也偏转约8度、0度、8度，与接收光学的视场相匹配，由此，接收光学和发射光学系统由该4面转镜系统(A，B)、(B，C)、(C、D)两两反射面的配合，使只有8°探测视场的光学系统变为约24°的探测视场；
图3所示中，一个视场Block的探测线由五个探测器array构成，当接收端通过多面转镜反射面A9接收时，发射端通过反射面B发射；接收端经过反射面B接收时，发射端通过反射面C发射，接收端通过反射面C接收时，发射端通过反射镜D进行发射，在四个反射面的结构中，不采用接收端通过D接收，而发射端经过A发射，是因为该策略需要四个反射镜A、B、C、D在俯仰方向上具有固定角度差，从而使预先偏置的发射光束在经过多面转镜后能够同接收视线相匹配，例如4度，那么D反射面与A反射面在俯仰方向相差12度，显然不适合对预先偏置固定角度的发射光束进行合理便转使只有4度角度差的系统得到矫正；
图4所示是实现该方案的另一个变种方案，即多面转镜的不同反射面使探测视场在俯仰方向上的偏差将仅为系统光学纵向分辨率的1/3，当发射、接收光学系统经由A、B、C三个面时，扫描视场并不整体向下或向上便转8度，而是使整个视场向下便转1/3的分辨率，从而实现分辨率的三倍提升。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，包括发射系统、接收系统、多面转境扫描系统(5)及主控系统(8)，其特征在于，所述发射系统包括发射电子学模组(1)、发射光学模组(2)和发射折转反射镜(3)，所述接收系统包括接收折转反射镜(4)、接收光学模组(6)和接收光学探测器(7)，所述发射折转反射镜(3)和接收折转反射镜(4)在多面转境扫描系统(5)的两侧对称设置，所述多面转境扫描系统(5)由360度旋转电机(13)与多面转镜构成，且多面转镜由多面转镜反射面A(9)、多面转镜反射面B(11)、多面转镜反射面C和多面转镜反射面D逆时针方向构成，每个反射面包含一个反射镜，反射镜在水平方向的夹角间隔相等，每个反射镜在俯仰方向具有一定的角度差，每个反射面在水平方向夹角互为90度，所述多面转镜反射面A(9)在垂直方向上为-4度、多面转镜反射面B(11)为0度、多面转镜反射面C为4度、多面转镜反射面D为8度，发射系统和接收系统的光学系统的单组探测物空间为8°的纵向视场。
2.根据权利要求1所述的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，其特征在于，所述发射电子学模组(1)、发射光学模组(2)和发射折转反射镜(3)均位于多面转境扫描系统(5)的同一侧，所述发射折转反射镜(3)、发射光学模组(2)和发射电子学模组(1)在多面转境扫描系统(5)的同一侧纵向依次设置。
3.根据权利要求2所述的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，其特征在于，所述接收折转反射镜(4)、接收光学模组(6)和接收光学探测器(7)均位于多面转境扫描系统(5)的同一侧，所述接收折转反射镜(4)、接收光学模组(6)和接收光学探测器(7)在多面转境扫描系统(5)的同一侧纵向依次设置。
4.根据权利要求3所述的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，其特征在于，所述主控系统(8)位于发射电子学模组(1)和接收光学探测器(7)的中部，所述360度旋转电机(13)竖直安装于反射面的底部。
5.根据权利要求1所述的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，其特征在于，所述发射系统和接收系统的光学系统均由柱面透镜或球面透镜系统构成。
6.根据权利要求1所述的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，其特征在于，所述接收光学探测器(7)为工作在线性模式下的雪崩光电二极管或工作在盖革模式下的雪崩光电二极管，即单光子探测器。
7.根据权利要求1所述的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，其特征在于，所述发射系统的光源器件为半导体光源芯片，可以是边发射半导体激光器或垂直腔面发射半导体激光器。
8.根据权利要求1所述的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，其特征在于，所述多面转镜反射面A(9)、多面转镜反射面B(11)、多面转镜反射面C和多面转镜反射面D分别具有垂直其反射面的多面转镜反射面A的法线方向(11)、多面转镜反射面B的法线(12)、多面转镜反射面C的法线和多面转镜反射面D的法线。
9.根据权利要求1所述的一种分视场多面转镜的无人驾驶用激光雷达，其特征在于，所述发射系统和接收系统分别通过发射折转反射镜(3)和接收折转反射镜(4)将光路折转到多面转境扫描系统(5)的相邻两个反射面上。
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