CN114488089A - 一种多线激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种多线激光雷达，包括：发射系统，包括激光发射器和发射镜组，所述激光发射器用于发射n路激光光束，所述发射镜组用于将所述n路激光光束准直后射向待测物，所述n路激光光束经过所述待测物的反射后产生n路回波光束；接收系统，包括接收镜组和APD阵列，所述接收镜组用于汇聚所述n路回波光束，所述APD阵列用于接收经所述接收镜组汇聚后的所述n路回波光束；所述APD阵列包括m个APD相元，n、m≥2，并且m＜n，所述APD阵列中至少一个APD相元用于接收两路或者两路以上的回波光束。本申请提供的多线激光雷达具有元器件数量少、体积小、成本低、调试简单等优点。

Description

一种多线激光雷达

技术领域

本申请涉及激光雷达检测技术领域，特别涉及一多线激光雷达。

背景技术

激光雷达已经广泛应用在航空航天、军事对抗、遥感测绘、气象及灾害预警等诸多领域，尤其是近年来在辅助驾驶、无人驾驶等领域对车载激光雷达的性能需求显著增大，这带动着车载激光雷达将进一步朝着高分辨率、高精度、长探测距离、小型化、低功耗的方向发展。

多线激光雷达一般是通过多个激光器发射激光来探测目标的位置、速度等特征量，其工作原理是先向目标发射探测激光光束，然后接收从目标物体反射回来的回波信号并与发射信号进行飞行时间测量和信号特征提取，从而获得目标的有关信息。激光雷达的线数越高，分辨率越高，获取到外界信息也就越全面，从而产生了对高线数激光雷达的迫切需求。

当前，激光雷达的线数是由激光二极管(laser diode，LD)的数目决定，并且雪崩光电二极管(avalanche photo diodes，APD)光电探测器数目和LD数目相等，光路上一一对应。当雷达线数较高时，比如128线激光雷达中，就需要配置128个激光源LD与128个的APD，这种技术下的多线激光雷达的器件数目巨大，成本高，调试难度大，并且不符合产品小型化的发展趋势。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种元器件数量少、体积小、成本低、调试简单的多线激光雷达。本申请实施例提供的技术方案为：

一种多线激光雷达，包括：发射系统，包括激光发射器和发射镜组，所述激光发射器用于发射n路激光光束，所述发射镜组用于将所述n路激光光束准直后射向待测物，所述n路激光光束经过所述待测物的反射后产生n路回波光束；接收系统，包括接收镜组和APD阵列，所述接收镜组用于汇聚所述n路回波光束，所述APD阵列用于接收经所述接收镜组汇聚后的所述n路回波光束；所述APD阵列包括m个APD相元，n、m≥2，并且m＜n，所述APD阵列中至少一个APD相元用于接收两路或者两路以上的回波光束。

在一种可能的设计中，所述发射系统还包括：光纤，具有入光端面和出光端面，所述n路激光光束通过所述入光端面被逐一耦合至n根所述光纤中；光纤固定板，用于将n根所述光纤的所述出光端面固定于所述发射镜组的焦平面上，并使所述出光端面出射的激光光束射入所述发射镜组。

在一种可能的设计中，所述光纤固定板的侧面上设有V形槽，n根所述光纤被逐一固定于n个所述V形槽内。

在一种可能的设计中，n个所述V形槽的排布不均匀，所述APD阵列中的第一APD相元用于接收邻近设置的多个所述光纤所对应的回波光束。

在一种可能的设计中，所述APD阵列中的第二APD相元仅接收一根所述光纤所对应的回波光束。

在一种可能的设计中，所述光纤固定板为平行四边形板，所述平行四边形板较短的一对侧边与所述V形槽的延伸方向相互平行。

在一种可能的设计中，所述发射系统包括发射控制电路，所述发射控制电路用于控制所述激光发射器按照预设的时序发射所述n路激光光束；所述接收系统包括接收控制电路，所述接收控制电路用于控制所述APD阵列按照预设的时序开启对应的APD相元的接收通道。

在一种可能的设计中，所述发射镜组的出光面倾斜向下设置，以使所述发射镜组的视场角为0到负40度。

在一种可能的设计中，所述接收系统还包括接收电路板，所述APD阵列布设于所述接收电路板上。

在一种可能的设计中，所述光纤固定板为玻璃板，所述V形槽通过蚀刻的方式形成于所述玻璃板的表面。

根据本申请实施例提供的多线激光雷达，多线激光雷达的激光发射器能够发射n路激光光束，包含m个APD相元的APD阵列中的至少一个APD相元能够接收两路或者两路以上的回波光束，由此使得APD相元的数量(m)能够小于激光光束的数量(也即激光雷达的线数)，减少了所需使用的APD相元的数量，在保证所有回波光束均可投射到APD相元上的前提下，本申请实施例提供的多线激光雷达使用元器件的数量较少，器件成本低，结构紧凑(体积小)，易于量产，调试容易，降低了应用和操作难度，增加了产品的竞争力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的多线激光雷达的整体结构示意图。

图2是发射系统的激光光束的出射示意图。

图3是接收系统的回波光束的入射示意图。

图4是图3中A部分的局部放大图。

图5是光纤与光纤固定板的连接示意图。

图6是光纤固定板的整体结构图。

图7是图6中B部分的局部放大图。

附图标记：

10、发射镜组；20、接收镜组；30、APD阵列；31、APD相元；31a、第一APD相元；31b、第二APD相元；40、光纤；50、光纤固定板；51、V形槽；60、接收电路板；

s1、激光光束；S2、回波光束。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“上”、“底”、“前”、“后”等指示的方位或者位置关系(若有的话)为基于附图1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，而不是指示或者暗示所指的装置或者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。

当前的多线激光雷达的APD探测器的数目和LD的数目(即激光雷达的线数)相等，光路上一一对应。随着对高分辨率的日益追求，激光雷达的线数变得越来越高。当雷达线数较高时，比如128线激光雷达中，就需要配置128个激光源LD与128个的APD，这种技术下的多线激光雷达的器件数目巨大，成本高，调试难度大，并且不符合产品小型化的发展趋势。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种多线激光雷达，所需配置的APD相元的数量得以减少，具有元器件数量少、体积小、成本低、调试简单等优点。

图1是本申请实施例提供的多线激光雷达的整体结构示意图。图2是发射系统的激光光束s1的出射示意图。图3是接收系统的回波光束s2的入射示意图。图4是图3中A部分的局部放大图。如图1-4所示，本申请实施例提供的多线激光雷达包括相互配合使用的发射系统和接收系统。

其中，发射系统包括激光发射器和发射镜组10，激光发射器包括n个LD单元，用于发射n路激光光束s1，发射镜组10可以包括多个透镜，用于将该n路激光光束s1准直后射向待测物，n路激光光束s1经过待测物的反射后产生n路回波光束s2。

接收系统包括接收镜组20和APD阵列30，接收镜组20可以包括多个透镜，用于汇聚n路回波光束s2，APD阵列30用于接收经接收镜组20汇聚后的n路回波光束s2，并且将光信号转换成电信号。

可选地，激光发射器可以为半导体激光发射器。

可选地，发射镜组10与接收镜组20的中心光轴可以互相平行，以获得更好的光学效果。

可选地，发射镜组10的出光面倾斜向下设置，例如可以和水平线呈0至30度角，以使发射镜组10的视场角为0到负40度。通过以上设置，能够使得发射镜组10有效增大负角度的视场角，能够实现更大角度的扫描，有利于减小扫描死角，满足多线激光雷达特定场合(例如被悬挂于路灯上)的使用需求。

激光发射器用于发射n路激光光束s1，也就是说，本申请实施例提供的多线激光雷达可以为n线激光雷达，其中n≥2，例如n的值可以为8、16、32、64、128或者256等，但不限于此。

APD阵列30包括m个APD相元31，其中m≥2，APD阵列中至少一个APD相元31用于接收两路或者两路以上的回波光束s2(可以将该APD相元31的受光面积设置的更大一些)，由此使得m＜n，即可以用较少数量的APD相元31来接收较多数量的回波光束s2。

根据本申请实施例提供的多线激光雷达，多线激光雷达的激光发射器能够发射n路激光光束s1，包含m个APD相元31的APD阵列30中的至少一个APD相元31能够接收两路或者两路以上的回波光束s2，由此使得APD相元31的数量(m)能够小于激光光束s1的数量(也即激光雷达的线数)，减少了所需使用的APD相元31的数量，在保证所有回波光束s2均可投射到APD相元31上的前提下，本申请实施例提供的多线激光雷达使用元器件的数量较少，器件成本低，结构紧凑(体积小)，易于量产，调试容易，降低了应用和操作难度，增加了产品的竞争力。

可选地，APD阵列30中的部分APD相元31可以被用来接收两路或者两路以上的回波光束s2，其余的APD相元31可以被用来接收一路回波光束s2。通过以上设置，可以根据多个回波光束s2之间的光斑的相对位置灵活配置APD相元31的数量。接收多个回波光束s2的APD相元31的受光面积可以设置的相对大些。

例如，如图4所示，APD阵列30中的第一APD相元31a可以用来接收三路回波光束s2，APD阵列30中的第二APD相元31b仅接收一路回波光束s2。此时，可以设置第一APD相元31a的受光面积大于第二APD相元31b的受光面积。

可选地，APD阵列30中的每一个APD相元31均能够被用来接收两路或者更多路的回波光束s2，由此能够尽可能的减少APD相元31的设置数量。例如，每一个APD相元31均能够接收两路或者三路回波光束s2。

如图3、4所示，接收系统还包括接收电路板60，APD阵列30布设于接收电路板60上。例如，APD相元31可以通过焊接的方式固定于接收电路板60，并实现电连接。

进一步地，接收电路板60还可以包括放大电路以及接收控制电路等实现特定功能的电路，发射系统还可以包括发射电路板，激光发射器设于该发射电路板上，该发射电路板上还可以设置有发射控制电路等实现特定功能的电路。

其中，发射控制电路用于控制激光发射器按照预设的时序发射该n路激光光束s1，接收控制电路用于控制APD阵列30按照预设的时序开启对应的APD相元31的接收通道。通过以上设置，无需将全部的APD相元31的接收通道保持常开状态，由此能够节约电能。

下面结合附图对本申请实施例提供的多线激光雷达的具体结构做进一步介绍。图5是光纤40与光纤固定板50的连接示意图。图6是光纤固定板50的整体结构图。图7是图6中B部分的局部放大图。

如图1、2、5-7所示，在本申请实施例中，发射系统还包括光纤40和光纤固定板50。

光纤40具有入光端面和出光端面，在光学耦合器件的作用下，n路激光光束s1通过入光端面被逐一耦合至n根光纤40中，光纤固定板50用于将n根光纤40的出光端面固定于发射镜组10的焦平面上，并使出光端面出射的激光光束s1射入发射镜组10。

通过设置光纤40来导光，由于光纤40的纤径较细可以实现更少列数排布更多线数，使得多线激光雷达的结构设计更为灵活。光纤40的设置使得激光发射器与发射镜组10能够相互远离，即能够将多线激光雷达的发热区域和发光区域的相互远离，进而能够避免发射镜组10因受热而影响性能。

利用光纤固定板50将作为等效光源的光纤40固定在一个一维阵列中，并且光纤40的朝向基本上是平行的。通过光纤固定板50可以稳固地控制光纤40的位置，并且控制光纤40出光端面的出光方向，这样，即使遭遇振动等外力，光纤固定板50仍然能够稳固地夹持光纤40的出光端面，保证系统的稳定性。

如图5-7所示，光纤固定板50的一个侧面(板面)上开设有V形槽51，n根光纤40被逐一固定于n个V形槽51内。

例如，光纤固定板50为玻璃板，V形槽51通过蚀刻的方式形成于所述玻璃板的表面。光纤固定板50可以为平行四边形板，该平行四边形板较短的两个(1对)侧边可以与V形槽51的延伸方向相互平行，从而在满足对光纤40的固定要求的前提下有利于降低光纤固定板50的面积，有利于实现产品小型化。

n个V形槽51可以保持相互平行，根据具体的光学测量需求，相邻的两个V形槽51之间的间距可以相等也可以不等，n个V形槽51可以均匀排布，也可以不均匀排布，可以根据具体光学需求进行设定。也就是说，可以根据具体的光学需求对n个V形槽51的排布(例如相邻的两个V形槽51之间的间距)进行设定。

例如，在本申请实施例中，n个V形槽51的排布不均匀，即疏密程度不一致，也即n个V形槽51中任意相邻的两个V形槽51之间的间距不完全相等。此时，与其他V形槽51离得较远的V形槽51内的光纤40射出的激光光束s1能够被用来进行近场测量，而紧邻的多个V形槽51内的光纤40射出的多路激光光束s1能够被用来进行远场测量。

如图6所示，多个(例如两个、三个或者更多个)V形槽51可以邻近设置，以形成较为密集的测量点，并且上述多个V形槽51对应的多路激光光束s1之间的夹角较小，并且构成一个小的阵列(此时能够实现高角度分辨率的发光光束)，由此能够满足远场测量的使用需求。

再例如，至少1个V形槽51可以与其他V形槽51离得较远，构成一个单体，此时该单体内的光纤40射出的激光光束s1可以用来进行近场测量。

如图4所示，APD阵列30中的第一APD相元31a可以用于接收邻近设置的两根或者三根光纤40所对应的回波光束s2，由于邻近设置的多根光纤40对应的回波光束s2的光斑位置也比较接近，因此可以共用同一个APD相元31(即第一APD相元31a)。

进一步地，APD阵列30中的第二APD相元31b可以仅接收一根光纤40所对应的回波光束s2，例如前述与其他槽体相隔较远以构成单体的V形槽51内的光纤40对应的回波光束s2可以由第二APD相元31b进行接收。以上设置使得APD阵列30的设置更加灵活可靠。

由于第一APD相元31a被用来接收邻近设置的多根(例如两根或者三根)光纤40所对应的回波光束s2，此时第一APD相元31a的受光面积可以覆盖若干个(例如2或3个)相邻光纤40发射的激光光束s1的回波光束s2。

可选地，根据具体光学需求，相邻两个V形槽51之间的间距可以为127微米至1厘米。

本申请实施例提供的多线激光雷达的激光发射器能够发射n路激光光束，包含m个APD相元的APD阵列中的至少一个APD相元能够接收两路或者两路以上的回波光束，由此使得APD相元的数量(m)能够小于激光光束的数量(也即激光雷达的线数)，减少了所需使用的APD相元的数量，在保证所有回波光束均可投射到APD相元上的前提下，本申请实施例提供的多线激光雷达使用元器件的数量较少，器件成本低，结构紧凑(体积小)，易于量产，调试容易，降低了应用和操作难度，增加了产品的竞争力。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多线激光雷达，其特征在于，包括：

发射系统，包括激光发射器和发射镜组(10)，所述激光发射器用于发射n路激光光束(s1)，所述发射镜组(10)用于将所述n路激光光束(s1)准直后射向待测物，所述n路激光光束(s1)经过所述待测物的反射后产生n路回波光束(s2)；

接收系统，包括接收镜组(20)和APD阵列(30)，所述接收镜组(20)用于汇聚所述n路回波光束(s2)，所述APD阵列(30)用于接收经所述接收镜组(20)汇聚后的所述n路回波光束(s2)；

所述APD阵列(30)包括m个APD相元(31)，n、m≥2，并且m＜n，所述APD阵列中至少一个APD相元(31)用于接收两路或者两路以上的回波光束(s2)。

2.根据权利要求1所述的多线激光雷达，其特征在于，所述发射系统还包括：

光纤(40)，具有入光端面和出光端面，所述n路激光光束(s1)通过所述入光端面被逐一耦合至n根所述光纤(40)中；

光纤固定板(50)，用于将n根所述光纤(40)的所述出光端面固定于所述发射镜组(10)的焦平面上，并使所述出光端面出射的激光光束(s1)射入所述发射镜组(10)。

3.根据权利要求2所述的多线激光雷达，其特征在于，所述光纤固定板(50)的侧面上设有V形槽(51)，n根所述光纤(40)被逐一固定于n个所述V形槽(51)内。

4.根据权利要求3所述的多线激光雷达，其特征在于，n个所述V形槽(51)的排布不均匀，所述APD阵列(30)中的第一APD相元(31a)用于接收邻近设置的多根所述光纤(40)所对应的回波光束(s2)。

5.根据权利要求4所述的多线激光雷达，其特征在于，所述APD阵列(30)中的第二APD相元(31b)仅接收一根所述光纤(40)所对应的回波光束(s2)。

6.根据权利要求3所述的多线激光雷达，其特征在于，所述光纤固定板(50)为平行四边形板，所述平行四边形板较短的一对侧边与所述V形槽(51)的延伸方向相互平行。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的多线激光雷达，其特征在于，

所述发射系统包括发射控制电路，所述发射控制电路用于控制所述激光发射器按照预设的时序发射所述n路激光光束(s1)；

所述接收系统包括接收控制电路，所述接收控制电路用于控制所述APD阵列(30)按照预设的时序开启对应的APD相元(31)的接收通道。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的多线激光雷达，其特征在于，所述发射镜组(10)的出光面倾斜向下设置，以使所述发射镜组(10)的视场角为0到负40度。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的多线激光雷达，其特征在于，所述接收系统还包括接收电路板(60)，所述APD阵列(30)布设于所述接收电路板(60)上。

10.根据权利要求3-6中任一项所述的多线激光雷达，其特征在于，所述光纤固定板(50)为玻璃板，所述V形槽(51)通过蚀刻的方式形成于所述玻璃板的表面。

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