CN113805184A - 一种激光雷达探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光雷达技术领域，公开了一种激光雷达探测系统。通过本发明创造，提供了一种可简化光路结构的新型多线激光雷达方案，即一方面通过在激光依次出射光路中配置衍射光栅、腔镜和反射光栅，可以实现利用多个激光发射器时分地发出不同波长的激光，并出射多线激光来照射外部物体的目的，另一方面通过在激光依次回射光路中配置所述反射光栅和聚焦镜，可以使具有不同波长的回射激光聚焦至同一个激光探测器上，进而可利用多个的激光发射器和单个的激光探测器，也能够实现多线激光雷达的探测功能，不但可以减少所需器件数量，还可以大幅度降低光学装调难度和整机生产成本，提高生产效率。

Description

一种激光雷达探测系统
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，具体地涉及一种激光雷达探测系统。
背景技术
激光雷达是以发射激光光束来探测目标物体的距离、位置及速度等特征量的雷达系统。激光雷达测距因为其优异的特性，在智能运动领域的感知环节中起着不可或缺的作用。多线激光雷达由于可以提供实时的三维环境信息，因此可以更好的辅助智能设备在感知环节中做出准确判断。
现有主流的多线激光雷达多采用机械旋转式结构，即是以发射器与接收器一一对应的方式进行测量，并利用电机带动整个光学系统旋转来测量三维环境信息。但是这种现有方案采用的器件较多，所需要的光学装调比较复杂，严重影响了整机的生产成本。
发明内容
为了解决现有多线激光雷达方案所存在所需器件较多、光学装调复杂及整机生产成本高的问题，本发明目的在于提供一种新型的激光雷达探测系统，可利用多个的激光发射器和单个的激光探测器，也能够实现多线激光雷达的探测功能，不但可以减少所需器件数量，还可以大幅度降低光学装调难度和整机生产成本，提高生产效率，便于实际应用和推广。
本发明提供了一种激光雷达探测系统，包括有多个激光发射器、衍射光栅、腔镜、反射光栅、聚焦镜和单个激光探测器，其中，所述腔镜具有部分反射功能；
所述多个激光发射器中的各个激光发射器用于通过时序控制方式时分地发出对应的激光，并使该激光以预设的角度排列周期排序入射至所述衍射光栅进行衍射，其中，针对所述各个激光发射器，按照如下公式确定对应激光的光栅入射角：
Figure BDA0003261938160000011
式中，αk表示与所述多个激光发射器中第k个激光发射器的激光对应的光栅入射角，k为正整数，jmax表示所述衍射光栅的最大衍射级数，λk表示与所述第k个激光发射器的激光对应的波长，d表示所述衍射光栅的光栅周期，βmax表示所述衍射光栅的最大衍射角度，
Figure BDA0003261938160000012
表示所述角度排列周期；
所述腔镜布置在所述衍射光栅的且具有最大衍射级数的衍射方向上，用于将经过所述衍射光栅的衍射激光部分透射至所述反射光栅，以及还用于将所述衍射激光部分反射回对应的激光发射器内，以便形成外腔振荡，使得所述多个激光发射器中任意两个所述激光发射器的所发激光波长均不相同；
所述反射光栅用于使具有不同波长的入射激光以不同出射角度射出，以便使具有不同出射角度的出射激光照射不同物体，以及还用于将由该物体反射回的回射激光反射至所述聚焦镜；
所述聚焦镜用于将所述回射激光聚焦至所述单个激光探测器上。
基于上述发明内容，可提供一种可简化光路结构的新型多线激光雷达方案，即一方面通过在激光依次出射光路中配置衍射光栅、腔镜和反射光栅，可以实现利用多个激光发射器时分地发出不同波长的激光，并出射多线激光来照射外部物体的目的，另一方面通过在激光依次回射光路中配置所述反射光栅和聚焦镜，可以使具有不同波长的回射激光聚焦至同一个激光探测器上，进而可利用多个的激光发射器和单个的激光探测器，也能够实现多线激光雷达的探测功能，不但可以减少所需器件数量，还可以大幅度降低光学装调难度和整机生产成本，提高生产效率。
在一个可能的设计中，还包括有多个准直镜，其中，所述多个准直镜与所述多个激光发射器一一对应；
所述多个准直镜中的各个准直镜设置在介于对应的激光发射器与所述衍射光栅之间的光路上，以便对应激光发射器的所发激光在准直后入射至所述衍射光栅进行衍射。
在一个可能的设计中，还包括有合束镜，其中，所述合束镜具有相背设置的焦平面和焦凸面；
所述合束镜的焦平面朝向一列等间隔排列的所述多个激光发射器，所述合束镜的焦凸面朝向所述衍射光栅，以便不同激光发射器的所发激光在准直后合束入射至所述衍射光栅进行衍射，其中，针对所述各个激光发射器，按照如下公式确定对应激光的光栅入射角：
Figure BDA0003261938160000021
式中，αk表示与所述多个激光发射器中第k个激光发射器的激光对应的光栅入射角，k为正整数，jmax表示所述衍射光栅的最大衍射级数，λk表示与所述第k个激光发射器的激光对应的波长，d表示所述衍射光栅的光栅周期，βmax表示所述衍射光栅的最大衍射角度，D表示所述多个激光发射器的排列间隔，F表示所述合束镜的焦距。
在一个可能的设计中，还包括有反射镜，其中，所述反射镜设置在介于所述腔镜与所述反射光栅之间的光路上，以便将经过所述腔镜的透射激光反射至所述反射光栅。
在一个可能的设计中，所述聚焦镜设有轴心通孔，所述透射激光在经过所述反射镜后穿过所述轴心通孔，然后入射至所述反射光栅。
在一个可能的设计中，所述反射镜的镜面尺寸小于所述轴心通孔的孔形尺寸。
在一个可能的设计中，还包括有滤光片，其中，所述滤光片设置在介于所述聚焦镜与所述单个激光探测器之间的光路上。
在一个可能的设计中，还包括有电机，其中，所述电机用于带动所述反射光栅旋转。
在一个可能的设计中，所述衍射光栅采用反射式衍射光栅或透射式衍射光栅。
在一个可能的设计中，所述腔镜的激光反射作用与激光透射作用之比介于1：8～1：4之间。
本发明的技术效果：
(1)本发明创造提供了一种可简化光路结构的新型多线激光雷达方案，即一方面通过在激光依次出射光路中配置衍射光栅、腔镜和反射光栅，可以实现利用多个激光发射器时分地发出不同波长的激光，并出射多线激光来照射外部物体的目的，另一方面通过在激光依次回射光路中配置所述反射光栅和聚焦镜，可以使具有不同波长的回射激光聚焦至同一个激光探测器上，进而可利用多个的激光发射器和单个的激光探测器，也能够实现多线激光雷达的探测功能，不但可以减少所需器件数量，还可以大幅度降低光学装调难度和整机生产成本，提高生产效率；
(2)通过用合束镜替代多个准直镜，可以进一步减少所需器件数量，以及进一步降低光学装调难度和整机生产成本；
(3)所述激光雷达探测系统还具有光路结构紧凑、便于整机小型化设计、抗光干扰强和可三维探测等特点，便于实际应用和推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明提供的激光雷达探测系统的第一种光路结构示意图。
图2是本发明提供的激光雷达探测系统的第二种光路结构示意图。
上述附图中：1-激光发射器；2-衍射光栅；3-腔镜；4-反射光栅；5-聚焦镜；51-轴心通孔；6-激光探测器；7-准直镜；8-合束镜；9-反射镜；10-滤光片；11-电机；100-物体。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明示例的实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
实施例一
如图1所示，本实施例提供的所述激光雷达探测系统，包括有多个激光发射器1、衍射光栅2、腔镜3、反射光栅4、聚焦镜5和单个激光探测器6，其中，所述腔镜3具有部分反射功能；所述多个激光发射器1中的各个激光发射器1用于通过时序控制方式时分地(即指在不同的时隙)发出对应的激光，并使该激光以预设的角度排列周期排序入射至所述衍射光栅2进行衍射，其中，针对所述各个激光发射器1，按照如下公式确定对应激光的光栅入射角：
Figure BDA0003261938160000041
式中，αk表示与所述多个激光发射器1中第k个激光发射器1的激光对应的光栅入射角，k为正整数(如图1所示，k为不小于1且不大于N的正整数，N表示激光发射器1的总数)，jmax表示所述衍射光栅2的最大衍射级数，λk表示与所述第k个激光发射器的激光对应的波长，d表示所述衍射光栅2的光栅周期，βmax表示所述衍射光栅2的最大衍射角度，
Figure BDA0003261938160000042
表示所述角度排列周期；所述腔镜3布置在所述衍射光栅2的且具有最大衍射级数的衍射方向上，用于将经过所述衍射光栅2的衍射激光部分透射至所述反射光栅4，以及还用于将所述衍射激光部分反射回对应的激光发射器1内，以便形成外腔振荡，使得所述多个激光发射器1中任意两个所述激光发射器1的所发激光波长均不相同；所述反射光栅4用于使具有不同波长的入射激光以不同出射角度射出，以便使具有不同出射角度的出射激光照射不同物体，以及还用于将由该物体反射回的回射激光反射至所述聚焦镜5；所述聚焦镜5用于将所述回射激光聚焦至所述单个激光探测器6上。
如图1所示，在所述激光雷达探测系统的具体结构中，所述激光发射器1可选用现有激光发射装置实现，并通过常规位置布置方式实现以预设的角度排列周期(即所述多个激光发射器1中相邻两个所述激光发射器1的所发激光的光栅入射角间隔)使各个所述激光发射器1的所发激光排序入射至所述衍射光栅2进行衍射。所述衍射光栅2是光栅的一种，它可通过有规律的结构，使入射光的振幅或相位(或两者同时)受到周期性空间调制，因此可选用衍射效率高的现有衍射光栅实现对不同激光发射器1的所发激光(它们的波长也会不同)进行最大衍射的目的；同时可通过衍射方程d*(sinα+sinβ)＝j*λ(该方程中，α表示光栅入射角，β表示衍射角度，j表示衍射级数，λ表示波长)推导得到上述不同激光发射器1的所发激光的光栅入射角，确保所有的衍射激光都能够以相同的衍射角度射出。具体的，所述衍射光栅2可以采用反射式衍射光栅，也可以采用透射式衍射光栅，如图1所示，本实施例采用了透射式衍射光栅。
所述腔镜3为一种具有内腔结构的透镜，以便将部分衍射激光反射回对应的激光发射器1内，形成外腔振荡且波长锁定的激光发射装置，并发出不同于其它激光发射器所发激光波长的激光；详细的，所述腔镜3的激光反射作用与激光透射作用之比优选介于1：8～1：4之间，例如使所述衍射激光有20％被反射回去，而有80％被透射出去；所述腔镜3可通过对现有透镜进行常规改造实现。所述反射光栅4是指在高反射率的金属上镀上一层金属膜，并在镜面金属膜上刻划一系列平行等宽且等距的刻线，进而使白光反射，又能使光色散的光栅，因此可采用现有的反射光栅结构实现使具有不同波长的入射激光以不同出射角度射出的目的。所述聚焦镜5为用于聚焦的现有透镜；所述激光探测器6用于在激光照射到表面后生成电流，从而感知到所述回射激光，以便完成激光雷达探测目的，例如基于电流大小正比于输入的光功率，通过探测电流大小，就能知道对应的光功率；所述激光探测器6也可以采用现有光探测装置实现。所述衍射光栅2、所述腔镜3、所述反射光栅4、所述聚焦镜5和所述单个激光探测器6也可以通过常规位置布置方式，构造前述的激光依次出射光路以及激光依次回射光路。此外，如图1所示，所述物体有多个且用100标记。
由此通过上述激光雷达探测系统的详细结构描述，提供了一种可简化光路结构的新型多线激光雷达方案，即一方面通过在激光依次出射光路中配置衍射光栅、腔镜和反射光栅，可以实现利用多个激光发射器时分地发出不同波长的激光，并出射多线激光来照射外部物体的目的，另一方面通过在激光依次回射光路中配置所述反射光栅和聚焦镜，可以使具有不同波长的回射激光聚焦至同一个激光探测器上，进而可利用多个的激光发射器和单个的激光探测器，也能够实现多线激光雷达的探测功能，不但可以减少所需器件数量，还可以大幅度降低光学装调难度和整机生产成本，提高生产效率，便于实际应用和推广。
优选的，还包括有多个准直镜7，其中，所述多个准直镜7与所述多个激光发射器1一一对应；所述多个准直镜7中的各个准直镜7设置在介于对应的激光发射器1与所述衍射光栅2之间的光路上，以便对应激光发射器1的所发激光在准直后入射至所述衍射光栅2进行衍射。如图1所示，所述准直镜7是一种常被用在光束传递系统中以维持激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光束准直性的现有透镜，由此通过前述准直镜7的设置，可以进一步降低光学装调难度。详细的，所述准直镜7优选采用由硒化锌材质制成的透射式准直镜，如图1所示；当然，所述准直镜7也可以采用铜制的全反镜，以便作为一种反射式准直镜。
优选的，还包括有反射镜9，其中，所述反射镜9设置在介于所述腔镜3与所述反射光栅4之间的光路上，以便将经过所述腔镜3的透射激光反射至所述反射光栅4。如图1所示，通过前述光路设计，可以使光路弯折，紧凑光路结构，便于对整机进行小型化设计。
进一步优选的，所述聚焦镜5设有轴心通孔51，所述透射激光在经过所述反射镜9后穿过所述轴心通孔51，然后入射至所述反射光栅4。如图1所示，所述轴心通孔51是指轴心线与所述聚焦镜5的轴心线重合的通孔，由此通过从所述轴心通孔61中出射激光，可以进一步紧凑光路结构，便于对整机进行小型化设计。详细的，所述反射镜9的镜面尺寸小于所述轴心通孔51的孔形尺寸。如图1所示，通过前述尺寸设计，可以避免因所述反射镜9的设置而挡住激光回射光路，确保所有回射激光都能聚焦至所述单个激光探测器6上。
优选的，还包括有滤光片10，其中，所述滤光片10设置在介于所述聚焦镜5与所述单个激光探测器6之间的光路上。如图1所示，通过所述滤光片10的配置，可以滤除干扰光，例如波长不属于(λ1,λ2,……,λN)的其它光。
优选的，还包括有电机11，其中，所述电机11用于带动所述反射光栅4旋转。如图1所示，通过所述电机11的配置，可以实现三维探测目的。
综上，采用本实施例所提供的激光雷达探测系统，具有如下技术效果：
(1)本实施例提供了一种可简化光路结构的新型多线激光雷达方案，即一方面通过在激光依次出射光路中配置衍射光栅、腔镜和反射光栅，可以实现利用多个激光发射器时分地发出不同波长的激光，并出射多线激光来照射外部物体的目的，另一方面通过在激光依次回射光路中配置所述反射光栅和聚焦镜，可以使具有不同波长的回射激光聚焦至同一个激光探测器上，进而可利用多个的激光发射器和单个的激光探测器，也能够实现多线激光雷达的探测功能，不但可以减少所需器件数量，还可以大幅度降低光学装调难度和整机生产成本，提高生产效率；
(2)所述激光雷达探测系统还具有光路结构紧凑、便于整机小型化设计、抗光干扰强和可三维探测等特点，便于实际应用和推广。
实施例二
如图2所示，本实施例在实施例一的技术方案基础上还提供了所述激光雷达探测系统的另一种光路结构，即本实施例所述激光雷达探测系统的光路结构与实施例一的不同之处在于:还包括有合束镜8，其中，所述合束镜8具有相背设置的焦平面和焦凸面；所述合束镜8的焦平面朝向一列等间隔排列的所述多个激光发射器1，所述合束镜8的焦凸面朝向所述衍射光栅2，以便不同激光发射器1的所发激光在准直后合束入射至所述衍射光栅2进行衍射，其中，针对所述各个激光发射器1，按照如下公式确定对应激光的光栅入射角：
Figure BDA0003261938160000061
式中，αk表示与所述多个激光发射器1中第k个激光发射器1的激光对应的光栅入射角，k为正整数，jmax表示所述衍射光栅2的最大衍射级数，λk表示与所述第k个激光发射器的激光对应的波长，d表示所述衍射光栅2的光栅周期，βmax表示所述衍射光栅2的最大衍射角度，D表示所述多个激光发射器1的排列间隔，F表示所述合束镜8的焦距。
如图2所示，所述合束镜8是一种半透反射镜，它可将两种(或多种)波长的光线分别通过透射和反射的方法合成到一条光路上，由此使不同激光发射器1的所发激光在准直后合束入射至所述衍射光栅2进行衍射，从而可替代多个准直镜7，进一步减少所需器件数量，以及进一步降低光学装调难度和整机生产成本。此外，公式arctan(D/F)的计算结果即为所述角度排列周期
Figure BDA0003261938160000071
使得所有激光也是以所述角度排列周期排序入射至所述衍射光栅2进行衍射的。
综上，本实施例提供的所述激光雷达探测系统的技术效果，可在实施例一的技术效果基础上，还具有如下技术效果：(1)通过用合束镜替代多个准直镜，可以进一步减少所需器件数量，以及进一步降低光学装调难度和整机生产成本。
最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种激光雷达探测系统，其特征在于，包括有多个激光发射器(1)、衍射光栅(2)、腔镜(3)、反射光栅(4)、聚焦镜(5)和单个激光探测器(6)，其中，所述腔镜(3)具有部分反射功能；
所述多个激光发射器(1)中的各个激光发射器(1)用于通过时序控制方式时分地发出对应的激光，并使该激光以预设的角度排列周期排序入射至所述衍射光栅(2)进行衍射，其中，针对所述各个激光发射器(1)，按照如下公式确定对应激光的光栅入射角：
Figure FDA0003261938150000011
式中，αk表示与所述多个激光发射器(1)中第k个激光发射器(1)的激光对应的光栅入射角，k为正整数，jmax表示所述衍射光栅(2)的最大衍射级数，λk表示与所述第k个激光发射器的激光对应的波长，d表示所述衍射光栅(2)的光栅周期，βmax表示所述衍射光栅(2)的最大衍射角度，
Figure FDA0003261938150000013
表示所述角度排列周期；
所述腔镜(3)布置在所述衍射光栅(2)的且具有最大衍射级数的衍射方向上，用于将经过所述衍射光栅(2)的衍射激光部分透射至所述反射光栅(4)，以及还用于将所述衍射激光部分反射回对应的激光发射器(1)内，以便形成外腔振荡，使得所述多个激光发射器(1)中任意两个所述激光发射器(1)的所发激光波长均不相同；
所述反射光栅(4)用于使具有不同波长的入射激光以不同出射角度射出，以便使具有不同出射角度的出射激光照射不同物体，以及还用于将由该物体反射回的回射激光反射至所述聚焦镜(5)；
所述聚焦镜(5)用于将所述回射激光聚焦至所述单个激光探测器(6)上。
2.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，还包括有多个准直镜(7)，其中，所述多个准直镜(7)与所述多个激光发射器(1)一一对应；
所述多个准直镜(7)中的各个准直镜(7)设置在介于对应的激光发射器(1)与所述衍射光栅(2)之间的光路上，以便对应激光发射器(1)的所发激光在准直后入射至所述衍射光栅(2)进行衍射。
3.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，还包括有合束镜(8)，其中，所述合束镜(8)具有相背设置的焦平面和焦凸面；
所述合束镜(8)的焦平面朝向一列等间隔排列的所述多个激光发射器(1)，所述合束镜(8)的焦凸面朝向所述衍射光栅(2)，以便不同激光发射器(1)的所发激光在准直后合束入射至所述衍射光栅(2)进行衍射，其中，针对所述各个激光发射器(1)，按照如下公式确定对应激光的光栅入射角：
Figure FDA0003261938150000012
式中，αk表示与所述多个激光发射器(1)中第k个激光发射器(1)的激光对应的光栅入射角，k为正整数，jmax表示所述衍射光栅(2)的最大衍射级数，λk表示与所述第k个激光发射器的激光对应的波长，d表示所述衍射光栅(2)的光栅周期，βmax表示所述衍射光栅(2)的最大衍射角度，D表示所述多个激光发射器(1)的排列间隔，F表示所述合束镜(8)的焦距。
4.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，还包括有反射镜(9)，其中，所述反射镜(9)设置在介于所述腔镜(3)与所述反射光栅(4)之间的光路上，以便将经过所述腔镜(3)的透射激光反射至所述反射光栅(4)。
5.如权利要求4所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述聚焦镜(5)设有轴心通孔(51)，所述透射激光在经过所述反射镜(9)后穿过所述轴心通孔(51)，然后入射至所述反射光栅(4)。
6.如权利要求5所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述反射镜(9)的镜面尺寸小于所述轴心通孔(51)的孔形尺寸。
7.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，还包括有滤光片(10)，其中，所述滤光片(10)设置在介于所述聚焦镜(5)与所述单个激光探测器(6)之间的光路上。
8.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，还包括有电机(11)，其中，所述电机(11)用于带动所述反射光栅(4)旋转。
9.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述衍射光栅(2)采用反射式衍射光栅或透射式衍射光栅。
10.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述腔镜(3)的激光反射作用与激光透射作用之比介于1：8～1：4之间。
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