CN114063096A - 激光收发扫描装置和激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了激光收发扫描装置和激光雷达系统，涉及激光雷达技术领域，为解决现有技术在保证分辨率的情况下难以减少体积且光学装调难度大成本高的问题而设计。激光收发扫描装置包括收发光纤，收发光纤被固定夹具固定，且与光束整形准直系统连接，光束整形准直系统的出口处设有一维振镜和一维转镜，一维振镜用于接收光束整形准直系统发出的激光并反射至一维转镜。本发明提供的激光收发扫描装置和激光雷达系统能够可以在保证分辨率的情况下明显降低激光扫描装置的体积和成本，扩大了激光雷达系统的适用范围；另外还可以降低装调难度。

Description

激光收发扫描装置和激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种激光收发扫描装置和激光雷达系统。

背景技术

在自动驾驶技术中，激光雷达正在成为不可或缺的重要技术组成，作为车辆的“眼睛”用来进行环境的感知。从测距原理上区分，包括基于脉冲飞行时间（TOF，Timeofflight）和基于连续波的调频连续波（FMCW, frequency-modulated continuous wave）两种。基于FMCW的激光雷达受限于激光器的相干距离，目前远距离探测能力仍然有待提高。考虑到自动驾驶领域要求测距能力至少在百米的水平，TOF激光雷达仍然在该领域得到更加广泛的应用。

从不同的光机扫描结构来区分，激光雷达可以分为机械式激光雷达，基于微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）的MEMS激光雷达、FLASH雷达、光学相控阵雷达等。机械式激光雷达首先应用到自动驾驶领域当中，因其大体积、高性能配置对应的高成本，以及在恶劣环境下的稳定性较差，逐步被市场所淘汰。FLASH雷达与光学相控阵雷达属于固态激光雷达，完全没有机械扫描结构，稳定性较好，然而测距能力不足是制约其在自动驾驶领域应用的主要原因。目前，MEMS激光雷达与基于振转镜扫描方案的混合固态激光雷达是商业化的主流方向，相比于传统的机械式雷达，稳定性更好，成本更低。然而在目前商业化进程中，仍然存在着光学装调成本高，以及，体积小和高分辨率、高帧率难以兼顾的问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种激光收发扫描装置，以解决现有技术在保证分辨率的情况下难以减少体积，且装调难度大成本高的技术问题。

本发明提供的激光收发扫描装置，包括收发光纤，所述收发光纤被固定夹具固定，且与光束整形准直系统连接，所述光束整形准直系统的出口处设有一维振镜和一维转镜，所述一维振镜用于接收所述光束整形准直系统发出的激光并反射至所述一维转镜。

通过收发光纤与光束整形准直系统连接，并且在光束整形准直系统的出口处设置一维振镜和一维转镜进行反光，可以将单一光源产生的激光通过一维振镜的运动转化为纵列激光，再将纵列激光通过一维转镜的运动变化为向周向扫描的激光，从而可以在保证分辨率的情况下明显降低激光扫描装置的体积和成本，扩大了激光雷达系统的适用范围；同时利用固定夹具固定收发光纤，也可以在保证安装精度的同时简化安装操作过程，降低了装调难度。

优选的技术方案中，所述固定夹具形成有至少一个光纤通孔，所述光纤通孔固定连接所述收发光纤。

通过在固定夹具上设置光纤通孔以固定收发光纤，可以在需要安装过程中将穿有收发光纤的固定夹具安装在光束整形准直系统中，即可使得收发光纤与光束整形准直系统保持预设角度，从而无需光学装调经验丰富的专业人员完成安装调整工作。

优选的技术方案中，所述光纤通孔数量大于一个时，多个所述光纤通孔的轴线方向之间互相平行。

通过在固定夹具上设置多个平行的光纤通孔以固定收发光纤，可以使得收发光纤在固定夹具至光束整形准直系统之间保持平行，而且从收发光纤射出的激光平行于光束整形准直系统的光轴方向。

优选的技术方案中，所述光纤通孔的轴线方向相对于所述光束整形准直系统的光轴方向倾斜设置，倾斜设置的夹角为θ₂，θ₂由以下公式确定，θ₂=sin^-1（sinθ_1*n₁）-θ₁，所述θ₁为所述熔接端帽的所述斜切角度，所述n₁为所述熔接端帽的折射率。

将固定夹具的光纤通孔设定为以上角度，可以在防止收发光纤的出射端的反射同时，还使收发光纤射出的激光平行于光束整形准直系统的光轴方向。

优选的技术方案中，所述一维振镜用于在预设角度范围摆动以将接收到的光束整形准直系统发出的激光在第一方向内反射扫描。

通过设置一维振镜在预设角度内摆动并快速扫描激光，可以将光束整形准直系统射出的光线转化为在第一方向内更大角度的激光以反射到一维振镜上，从而扩展了激光收发扫描装置在第一方向的扫描角度。

优选的技术方案中，所述一维转镜用于进行转动，以接收到所述一维振镜反射的光线在第二方向内反射扫描。

通过设置一维转镜，伴随着一维转镜绕自身竖直轴线的旋转将这些激光沿周向进行反射，从而在水平方向上扩大了对对周围环境进行探测范围。

优选的技术方案中，所述一维振镜和/或所述一维转镜安装有角度传感装置。

通过设置角度传感装置，可以收集一维振镜和一维转镜的转速，以获取转镜的旋转位置，并反馈给控制系统。

本发明的第二个目的在于提供一种激光雷达系统，以解决现有技术中保证分辨率的情况下难以减少体积的技术问题。

本发明提供的激光雷达系统，包括主机和上述光收发扫描装置，所述主机和所述激光收发扫描装置连接。

通过在激光雷达系统中设置上述激光收发扫描装置，相应地，该激光雷达系统具有上述激光收发扫描装置的所有优势，在此不再一一赘述。

优选的技术方案中，所述主机通过保护线缆与所述激光收发扫描装置连接，所述保护线缆包括保护套、所述收发光纤和用于传递电信号的电线，所述收发光纤和所述电线被所述保护套保护。

通过利用保护线缆连接主机和激光收发扫描装置，可以将激光收发扫描装置与主机的分布式安装，将激光收发扫描装置安装在车辆外壳中，将主机放置在车体内，达到简洁美观的安装效果。而安装激光收发扫描的空间只要满足激光收发扫描装置的高度即可。而且，主机也不用置于狭小空间内，有利于改善主机的散热效果，从而便于管理，易于维护。

优选的技术方案中，所述主机包括：

激光发射单元，用于将脉冲激光通过收发光纤输出；

激光分束单元，与所述激光发射单元连接，用于将单束激光分为多束激光；

光纤同轴收发单元，用于将所述多束激光发射到所述激光收发扫描装置中，并同时接收探测目标物回波信号，将其与发射端激光分离，传递到接收单元中；

旋转件驱动单元，用于驱动所述一维振镜和所述一维转镜的运动，并接收角度传感装置的反馈信号；

接收单元，所述接收单元用于接收自所述光纤同轴收发单元反馈的所述回波信号。

通过激光发射单元发射脉冲激光，并且利用激光分束单元将激光分为多束，由光线同轴收发单元将多束激光发射到激光收发扫描装置，并且由一维振镜和一维转镜在运动中将其转化为对周向的探测，反射后由光纤同轴收发单元接收并由接收单元进一步接收，可以实现高分辨率的探测。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的激光收发扫描装置的结构示意图；

图2为上述的激光收发扫描装置中的固定夹具在光纤通孔处的俯视剖视图；

图3为本发明实施例提供的激光雷达系统的结构示意图；

图4为表示上述的激光雷达系统中的光束整形准直系统的光路夹角示意图。

附图标记说明：

100-激光收发扫描装置；400-主机；

101-收发光纤；102-固定夹具；103-光束整形准直系统；104-一维振镜；105-一维转镜；106-固定底板；

301-光纤通孔的轴线方向；302-光束整形准直系统的光轴方向；

401-激光发射单元；402-激光分束单元；403-光纤同轴收发单元；404-旋转件驱动单元；405-接收单元；406-保护线缆。

具体实施方式

图1为本发明实施例提供的激光收发扫描装置的结构示意图。如图1示，本实施例提供的激光收发扫描装置，包括收发光纤101，收发光纤101被固定夹具102固定，且与光束整形准直系统103连接，光束整形准直系统103的出口处设有一维振镜104和一维转镜105，一维振镜104用于接受光束整形准直系统103发出的激光并反射至一维转镜105。

具体的，该激光收发扫描还包括固定底板106，固定夹具102、光束整形准直系统103、一维振镜104和一维转镜105都安装到固定底板106上。而光束整形准直系统103，可以为单个透镜或透镜组，用来整形和准直激光，将多束近似平行的激光束发射到下一单元，同时能将下一单元反射的信号光聚焦到收发光纤101的端面。

通过收发光纤101与光束整形准直系统103连接，并且在光束整形准直系统103的出口处设置一维振镜104和一维转镜105进行反光，可以将单一光源产生的激光通过一维振镜104的运动转化为纵列激光，再将纵列激光通过一维转镜105的运动变化为向周向扫描的激光，从而可以在保证分辨率的情况下明显降低激光扫描装置的体积，扩大了激光雷达系统的适用范围。

图2为上述的激光收发扫描装置中的固定夹具在光纤通孔处的俯视剖视图。如图2所示，优选的，固定夹具102形成有至少一个光纤通孔，光纤通孔固定连接收发光纤101。通过在固定夹具102上设置光纤通孔以固定收发光纤101，可以在需要安装过程中将穿有收发光纤101的固定夹具102安装在光束整形准直系统中，即可使得收发光纤101与光束整形准直系统103保持预设角度，从而无需光学装调经验丰富的专业人员完成安装调整工作。

如图2所示，优选的，光纤通孔数量大于一个时，多个光纤通孔的轴线方向之间互相平行。具体的，本实施例中，可以采用五根平行的收发光纤101，即收发光纤101的根数N=5，五根收发光纤101可以增加光路通道数。相应的，光纤通孔的数量可以为五个。

通过在固定夹具102上设置多个平行的光纤通孔以固定收发光纤101，可以使得收发光纤101在固定夹具102至光束整形准直系统103之间保持平行，而且从收发光纤101射出的激光平行于光束整形准直系统的光轴方向302。

采用以上的方式安装收发光纤101后，光学装调过程只涉及将收发光纤101的出射端置于光束整形准直系统103的焦平面上。该过程可以通过将收发光纤101的固定夹具102安装在预先设计好的相应位置即可，无需光学装调经验丰富的专业技术人员即可完成。

如图2所示，优选的，光纤通孔的轴线方向301相对于光束整形准直系统的光轴方向302倾斜设置，倾斜设置的夹角为θ₂，θ₂由以下公式确定，θ₂=sin^-1（sinθ_1*n₁）-θ₁，其中该公式中的θ₁为收发光纤的熔接端帽的斜切角度，n₁为熔接端帽的折射率。θ₁的大小不超过激光在熔接端帽内传播的全反射角，具体地，属于0~90°的范围，n₁的范围在1到2.5之间。具体的，该斜切角度指的是，熔接端帽的轴线方向与熔接端帽的倾斜端面法线方向之间的夹角。

将固定夹具102的光纤通孔设定为以上角度，可以在防止收发光纤101的出射端的反射同时，还使收发光纤101射出的激光平行于光束整形准直系统的光轴方向302。

如图1所示，优选的，一维振镜104用于在预设角度范围摆动以接收到的光束整形准直系统103发出的激光在第一方向内反射扫描。其中，一维振镜104可以为检流计式振镜、MEMS振镜或快速反射镜。具体的，在本实施例中，在第一方向内反射扫描，指的是一维振镜绕自身的水平轴线进行摆动，扩大自光束整形准直系统103发出的激光在竖直面内的角度。

通过设置一维振镜在预设角度内沿水平轴线摆动并快速扫描激光，可以将光束整形准直系统射出的光线转化为在第一方向内更大角度的激光以反射到一维振镜上，从而扩展了激光收发扫描装置在第一方向的扫描角度。

优选的，一维转镜105用于进行转动，以将接收到一维振镜104反射的光线在第二方向内反射扫描。一维转镜105可以为多边形转镜。其中，多边形转镜的边数M可以为6，即多边形转镜从俯视角度观察为正六边形。具体的，在本实施例中，在第二方向内反射扫描，指的是一维转镜105自身的竖直轴线进行转动，使得自一维振镜104反射至一维转镜105的光线可以在水平面内进行反射。

需要说明的是，本实施例中，一维振镜104和一维转镜150的扫描方向是基于本实施例中的一维振镜104和一维转镜150相应的自身轴线安装的方向而设置的，实际上，当一维振镜104和一维转镜150相应的摆动或转动的轴线处于其它的姿态时，在第一方向/第二方向内进行反射扫描可以分别指的是在与轴线实际相垂直的面内扩大激光收发扫描装置的反射角度。

通过设置一维转镜105，伴随着一维转镜105绕自身竖直轴线的旋转将这些激光沿周向进行反射，从而在水平方向上扩大了对对周围环境进行探测范围。

优选的，一维振镜104和/或一维转镜105安装有角度传感装置（图中未示出）。

具体的，角度传感装置可以为码盘或旋转编码器。

通过设置角度传感装置，可以收集一维振镜104和一维转镜105的转速，以获取转镜的旋转位置，并反馈给控制系统。

图3为本发明实施例提供的激光雷达系统的结构示意图。如图3所示本申请还提供一种激光雷达系统，包括主机400和上述光收发扫描装置，主机400和激光收发扫描装置100连接。

通过在激光雷达系统中设置上述激光收发扫描装置100，相应地，该激光雷达系统具有上述激光收发扫描装置100的所有优势，在此不再一一赘述。

优选的，主机400通过保护线缆406与激光收发扫描装置100连接，保护线缆406包括保护套、收发光纤101和用于传递电信号的电线，收发光纤101和电线被保护套保护。

其中，保护套可以为不锈钢软管或橡胶管等。

通过利用保护线缆406连接主机400和激光收发扫描装置100，可以将激光收发扫描装置100与主机400的分布式安装，将激光收发扫描装置100安装在车辆外壳中，将主机400放置在车体内，达到简洁美观的安装效果。而安装激光收发扫描的空间只要满足激光收发扫描装置100的高度即可。而且，主要的发热模块——主机400是与激光收发扫描装置100分离的，主机400也不用置于狭小空间内，有利于改善主机400的散热效果，从而便于管理，易于维护。

优选的，主机400包括：

激光发射单元401，用于将脉冲激光通过收发光纤101输出；

激光分束单元402，与激光发射单元401连接，用于将单束激光分为多束激光；

光纤同轴收发单元403，用于将多束激光发射到激光收发扫描装置100中，并同时接受探测目标物回波信号，将其与发射端激光分离，传递到接收单元405中；

旋转件驱动单元404，用于驱动一维振镜104和一维转镜105的运动，并接收角度传感装置的反馈信号；

接收单元405，接收单元405用于接收自光纤同轴收发单元403反馈的回波信号。

其中，激光发射单元401可以为光纤激光器，而激光分数单元可以为一个光纤耦合器或多个光纤耦合器的组合。光纤同轴收发单元403则包括但不限于双包层光纤耦合器、光纤环形器或双光纤。而接收单元405中则具有与收发光纤101的数量N对应的N个光电探测器件，以进行后续信号处理。

通过激光发射单元401发射脉冲激光，并且利用激光分束单元402将激光分为多束，由光线同轴收发单元将多束激光发射到激光收发扫描装置100，并且由一维振镜104和一维转镜105在运动中将其转化为对周向的探测，反射后由光纤同轴收发单元403接收并由接收单元405进一步接收，可以实现高分辨率的探测。

具体的，本实施例的工作原理为：

激光首先产生于激光发射单元401中，经激光分束单元402分束后，N束激光通过N个光纤同轴收发器传递到1中的N个收发光纤101中，经过光束整形准直系统103后，如图4所示，N条收发光路的夹角被设计为β/N，其中，β为激光雷达系统要设计的垂直视场角。光路到达一维振镜104，紧接着反射到一维转镜105当中。

旋转镜驱动控制单元控制两个旋转镜的转动，当一维转镜105以rpm的速度顺时针方向旋转时，则为激光雷达系统提供了理论上为α的横向视场角。α=720/M，其中M为多边形转镜作为一维转镜105的边数：

一维振镜104的驱动方式可设计为采用步进式旋转的方式，如当转镜旋转α/2°时，控制振镜旋转一个固定的角度β₀，β₀的取值依据实际应用中，对垂直方向分辨率需求来确定。一维振镜104偏转的总范围设计为-β₁~β₁，β₁与β的关系为β₁=β/4N。

视场角范围α*β内的激光被激光收发扫描装置100发射到探测目标物表面后，回波信号沿相同的光路返回，再次通过激光收发扫描装置100后，传递到主机400部分的光纤同轴收发单元403当中，光纤同轴收发单元403将回波信号传递到对应的接收单元405完成光电转换，以便后续的信号处理系统对激光雷达扫描点云进行处理。

具体的，本实施例中的水平方向视场角α取决于一维转镜105的边数M，因为M=6，相应的，α=120°。而垂直方向视场角β：与N和一维振镜104偏转的总范围β₁有关，若取N=5，β₁=1.5°，则得出β=15*4*5=30°。

水平方向分辨率：水平方向可分辨的最小角度与一维转镜105的转速r和激光发射的脉冲频率f有关，为水平方向可分辨的最小角度为2*6*r/f；可选的，若r=4000rpm，f=120kHz，则水平方向分辨率为0.1°。

竖直方向分辨率：竖直方向可分辨的最小角度取决于β₀，为2*β₀。若β₀设定为0.1°，则竖直方向分辨率为0.2°。

扫描帧率取决于扫描装置中，扫描速度较慢轴的扫描速度，在示例中，一维振镜104为慢轴，一维振镜104完成一个周期的扫描需要的时间为

T=20*β₁/（β₀*r）=0.075s，帧率为T的倒数，即13Hz。

综上所述，本示例中通过特定参数配置的扫描装置和驱动方法，可以实现视场角为120°*30°下，0.1°*0.2°分辨率的高速成像，帧率为13Hz，可以满足自动驾驶的需求。如果想获得更优的性能，也可以通过改变装置的相应参数配置轻松实现。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种激光收发扫描装置，其特征在于，包括收发光纤（101），所述收发光纤（101）被固定夹具（102）固定，且与光束整形准直系统（103）连接，所述光束整形准直系统（103）的出口处设有一维振镜（104）和一维转镜（105），所述一维振镜（104）用于接收所述光束整形准直系统（103）发出的激光并反射至所述一维转镜（105）。

2.根据权利要求1所述的激光收发扫描装置，其特征在于，所述固定夹具（102）形成有至少一个光纤通孔，所述光纤通孔固定连接所述收发光纤（101）。

3.根据权利要求2所述的激光收发扫描装置，其特征在于，所述光纤通孔数量大于一个时，多个所述光纤通孔的轴线方向之间互相平行。

4.根据权利要求2所述的激光收发扫描装置，其特征在于，所述光纤通孔的轴线方向（301）相对于所述光束整形准直系统的光轴方向（302）倾斜设置，倾斜设置的夹角为θ₂，θ₂由以下公式确定，θ₂=sin^-1（sinθ_1*n₁）-θ₁，所述θ₁为所述收发光纤（101）的熔接端帽的斜切角度，所述n₁为所述熔接端帽的折射率。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的激光收发扫描装置，其特征在于，所述一维振镜（104）用于在预设角度范围摆动以将接收到的所述光束整形准直系统（103）发出的激光在第一方向内反射扫描。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的激光收发扫描装置，其特征在于，所述一维转镜（105）用于进行转动，以接收到所述一维振镜（104）反射的光线在第二方向内反射扫描。

7.根据权利要求1所述的激光收发扫描装置，其特征在于，所述一维振镜（104）和/或所述一维转镜（105）安装有角度传感装置。

8.一种激光雷达系统，其特征在于，包括主机（400）和权利要求1-7中任一项的激光收发扫描装置（100），所述主机（400）和所述激光收发扫描装置（100）连接。

9.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其特征在于，所述主机（400）通过保护线缆（406）与所述激光收发扫描装置（100）连接，所述保护线缆（406）包括保护套、所述收发光纤（101）和用于传递电信号的电线，所述收发光纤（101）和所述电线被所述保护套保护。

10.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其特征在于，所述主机（400）包括：

激光发射单元（401），用于将脉冲激光通过所述收发光纤（101）输出；

激光分束单元（402），与所述激光发射单元（401）连接，用于将单束激光分为多束激光；

光纤同轴收发单元（403），用于将所述多束激光发射到所述激光收发扫描装置（100）中，并同时接收探测目标物回波信号，将其与发射端激光分离，传递到接收单元（405）中；

旋转件驱动单元（404），用于驱动所述一维振镜（104）和所述一维转镜（105）的运动，并接收角度传感装置的反馈信号；

接收单元（405），所述接收单元（405）用于接收自所述光纤同轴收发单元（403）反馈的所述回波信号。

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