CN115113181A - 一种激光雷达及回波光信号接收方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及网联车领域，公开了一种激光雷达及回波光信号接收方法，用以提升探测器的可探测范围，提高激光雷达对远距离目标探测区域的测距能力，以及减少激光雷达对近距离目标探测区域的探测盲区问题的发生，进而可以降低激光雷达的应用限制，可以实现激光雷达具有更广的应用场景，用于自动驾驶或辅助驾驶。该激光雷达包括非等比聚焦系统；所述非等比聚焦系统在第一方向和第二方向上的光焦度不同。进一步，该方法提升了终端在自动驾驶或者辅助驾驶中的高级驾驶辅助系统ADAS能力，可以应用于车联网，如车辆外联V2X、车间通信长期演进技术LTE‑V、车辆‑车辆V2V等。

Description

一种激光雷达及回波光信号接收方法
技术领域
本申请实施例涉及网联车技术领域，尤其涉及一种激光雷达及回波光信号接收方法。
背景技术
激光雷达可以采用探测技术获取目标物体的三维空间信息。激光雷达通过发射激光束来探测与目标物体的距离等特征量，其工作原理为：光源(例如激光器)向目标物体(例如车辆、人物、障碍物等)发射光束(例如激光束)，探测器接收被目标物体反射回来的光束，计时器(例如系统时钟)计算出光束被发射与被接收之间的飞行时间，根据该飞行时间、光速、光源和/或目标物体的移动速度等，可确定出光源与目标物体的距离信息，从而可对目标物体进行探测、跟踪和识别。然而，由于在不同探测场景中，被探测的目标物体、探测环境等存在各种复杂性，导致激光雷达的可探测范围会受到限制。
例如，若激光雷达只能接收到较少的回波光束，可能会由于接收到的回波光束能量不足(较弱)而导致无法准确获取到目标物体的三维空间信息，从而削弱了激光雷达的远距离测距能力；其中，激光雷达只能接收到较少的回波光束产生的原因如：激光束在强散射介质中传播时、或者激光雷达距离需要探测的目标物体距离较远时。若激光雷达接收到大量的回波光束，可能会由于接收到的回波光束能量过饱和(较强)而导致激光雷达无法探测，从而导致激光雷达存在近距离的探测盲区；其中，激光雷达接收到大量的回波光束产生的原因如：激光束在强反射介质中传播时、或者激光雷达距离需要探测的目标物体距离较近时。
因此，如何提升激光雷达的可探测范围，目前是值得研究的。
发明内容
本申请实施例提供一种激光雷达及回波光信号接收方法，用以提供一种可以提升激光雷达的可探测范围的技术方案。
本申请实施例提供的具体技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供了一种激光雷达，所述激光雷达包括非等比聚焦系统；所述非等比聚焦系统在第一方向和第二方向上的光焦度不同。
基于本申请实施例提供的激光雷达，在接收回波光(束)信号时，回波光信号在第一方向和第二方向上的聚焦能力不同，相比于现有技术中采用的等比聚焦系统的方式，本申请提供的激光雷达可以实现更大的接收口径，从而可以收集更多的回波光信号，以获取到目标物体更多的三维空间信息，用以增强激光雷达的测远能力。并且，通过本申请提供的激光雷达，在经过非等比聚焦系统之后，由于回波光信号在聚焦过程中会具有一定的焦散效果，在第一方向上和第二方向上光焦度不同的场景下，相比于等比聚焦系统的方式，本申请提供的激光雷达接收的回波光信号在第一方向和第二方向具有不同程度的焦散效果，故而可以呈现对其中焦散程度更大的方向上回波光信号的拉伸效果，从而可以将大量回波光信号的能量平铺在探测器的接收面上(例如现有技术中仅可以通过探测器接收面上的一列来接收回波光信号，本申请可以通过探测器接收面上的多列来接收回波光信号)，避免由于接收到的回波光束能量过饱和而导致激光雷达无法探测，同时，杂散光的能量也会被抑制，从而降低近距离的探测盲区。
在一种可能的设计中，所述非等比聚焦系统包括第一透镜组和等比聚焦系统；所述第一透镜组，用于对回波光信号在第一方向上进行缩束处理；所述等比聚焦系统，用于对经过所述第一透镜组的回波光信号进行聚焦处理。
在上述设计中，第一方向上的接收光瞳由第一透镜组决定、第二方向上的接收光瞳由等比聚焦系统决定，由此可以得到在该设计中，非等比聚焦系统具有双光瞳。通过非等比聚焦系统具有双光瞳的实现方式，可以等效为在子午方向和弧矢方向口径不同的非等比光瞳。相比于现有技术中的等比光瞳，该设计可以具有更大的接收口径，从而可以收集更多的回波光信号。并且，由于对回波光信号通过第一透镜组之后，回波光信号会存在一定程度的焦散效果，即回波光信号会存在一定程度的拉伸，在回波光信号继续进入到等比聚焦系统之后，回波光信号在第一方向上具有比第二方向更大程度的焦散效果，可以使得回波光信号能量可以在第一方向的垂直方向实现一定程度的平铺，从而可以降低因能量饱和导致的近距离盲区。
在一种可能的示例中，所述第一透镜组包括第一正焦组件和第一负焦组件，所述第一负焦组件用于对经过所述第一正焦组件后的回波光信号进行处理；其中，所述第一正焦组件的像方焦点与所述第一负焦组件的像方焦点重合。
通过上述示例，通过设计第一正焦组件和第一负焦组件的组合形式，可以实现第一透镜组需要对回波光束在第一方向进行缩束处理的目的。并且，该示例提供的实现方式具有结构简单、易实现的特点。
具体实施为，所述第一正焦组件为在所述第一方向上具有正光焦度的正柱透镜，所述第一负焦组件为在所述第一方向上具有负光焦度的负柱透镜。由于柱透镜具有对互相垂直的两个方向中的其中一个方向具有光焦度，而另一个方向不具有光焦度，即相当于平面玻璃的特性。因此，在本申请中第一透镜组需要实现的功能基础上，可以通过正柱透镜和负柱透镜来实现，进而可以实现对回波光信号在第一方向上的缩束处理。并且，通过柱透镜的方式还具有结构简单，成本较低的特点。
示例性的，所述回波光信号经过所述第一负焦组件的出瞳为所述等比聚焦系统的入瞳。这样，通过第一负焦组件出射的回波光束可以进入到等比聚焦系统中继续处理。而且，进入等比聚焦系统的回波光束是通过第一透镜组进行缩束处理之后的，可以实现非等比成像的设计思想，进而提升探测器的可探测范围。
在另一种可能的示例中，所述第一透镜组包括第二正焦组件和第三正焦组件，所述第三正焦组件用于对经过所述第二正焦组件后的回波光信号进行处理；其中，所述第二正焦组件的像方焦点与所述第三正焦组件的物方焦点重合。
通过上述示例，通过设计第二正焦组件和第三正焦组件的组合形式，也可以实现第一透镜组需要对回波光束在第一方向进行缩束处理的目的。并且，该示例提供的实现方式同样具有结构简单、易实现的特点。
具体实施为，所述第二正焦组件为在所述第一方向上具有第二正光焦度的正柱透镜，所述第三正焦组件为在所述第一方向上具有第三正光焦度的正柱透镜；其中，所述第二正光焦度小于所述第三正光焦度。同样的，通过两个正柱透镜也可以较容易的实现第一透镜的需求。
示例性的，所述回波光信号经过所述第三正焦组件的出瞳为所述等比聚焦系统的入瞳。这样，通过第三正焦组件出射的回波光束可以进入到等比聚焦系统中继续处理。而且，进入等比聚焦系统的回波光束是通过第一透镜组进行缩束处理之后的，可以实现非等比成像的设计思想，进而提升探测器的可探测范围。
在一种可能的示例中，所述第一透镜组对所述回波光信号在第二方向上不进行缩束处理。基于此，第一透镜组可以对回波光信号在第一方向上进行缩束处理，从而可以实现非等比聚焦系统在第一方向和二方向上具有不同的光焦度。
在另一种可能的设计中，所述非等比聚焦系统包括第二透镜组和第三透镜组；所述第二透镜组，用于对回波光信号在第一方向上进行聚焦处理；所述第三透镜组，用于对回波光信号在第二方向上进行聚焦处理。
通过以上提供的实施方式，基于非等比聚焦系统的设计思想，还可以通过不同的透镜组合实现在第一方向和第二方向上具有不同的焦距、不同的聚焦能力，从而可以提供探测器的可探测范围。
示例性的第一透镜组和第二透镜组可以包含以下几种情形：
情形1、若所述第二透镜组包含第一透镜，所述第三透镜组不包含所述第一透镜，则所述第一透镜在所述第一方向上具有光焦度，在所述第二方向上不具有光焦度；
情形2、若所述第三透镜组包含第二透镜，所述第二透镜组不包含所述第二透镜，则所述第二透镜在所述第二方向上具有光焦度，在所述第一方向上不具有光焦度；
情形3、若所述第二透镜组包含第三透镜，且所述第三透镜组包含所述第三透镜，则所述第三透镜在所述第一方向具有第一光焦度，且在所述第二方向具有第二光焦度；其中，所述第一光焦度与所述第二光焦度不同。
在该示例中，根据透镜可以具有多种样式，例如柱透镜具有对回波光束仅对一个方向上进行处理的特点、双曲面透镜具有对回波光束的互相垂直的第一方向和第二方向的光焦度不同的特点。因此，第二透镜组和第三透镜组可以包含相同的透镜，也可以包含不同的透镜，基于本实施例的设计思想，可以具有多种组成结构形式，从而更好地适应于业务的实际需求。
可选的，所述第三透镜为双曲面透镜。基于双曲面透镜第一方向和第二方向具有不同的光焦度的特性，双曲面透镜既可以属于第二透镜组对回波光束在第一方向上起作用，也可以属于第三透镜组对回波光束在第二方向上起作用，从而实现非等比成像，进而提升探测器的可探测范围。
需要说明的是，所述第一方向为子午方向或者弧矢方向。本申请实施时对第一方向不进行限制，可以根据目标探测区域的目标物体进行设计。例如若已知目标物体的高度大于宽度，则第一方向可以为竖直方向，或称为子午方向。或者，又例如若已知目标物体的宽度大于高度，比如小轿车，则第一方向可以为水平方向，或称为弧矢方向，从而可以实现非等比聚焦系统可以在弧矢方向上接收到更多的光束，进以得到更多的目标物体的相关信息。需要说明的是，第二方向为与第一方向不同的方向，可以与第一方向具有一定的角度差，例如互相垂直等。
此外，所述第二透镜组中包含的任一透镜的光焦度可变；所述第三透镜组中包含的任一透镜的光焦度可变。本申请实施时，根据实际的场景需求，可以实时调整第一透镜组包含的任一透镜组件的光焦度，从而可以较好地满足探测需求，提升探测器的可探测范围。
在一种可能的设计中，所述激光雷达还包括探测器，当所述探测器接收的回波光信号的信号强度大于第一阈值时，读取所述探测器的接收面上的至少一列回波光信号。
该设计中，在回波光信号的信号强度接收较大时，例如对近距离物体进行测距等探测的场景下，本申请实施例提供的非等比聚焦系统会对回波光信号进行一定程度的拉伸，并且本申请实施时，还可以通过读取探测器的接收面上的部分回波光信号，从而可以有效降低由于较多的回波光信号导致的饱和，降低近距离的探测盲区。
第二方面，本申请实施例还提供了一种回波光信号接收方法，该方法包括：对回波光信号在第一方向上和第二方向上进行不同光焦度的聚焦处理。
在一种可能的设计中，对回波光信号在第一方向上进行缩束处理；对缩束处理之后的回波光信号进行聚焦处理。
在一种可能的设计中，对回波光信号在第二方向上不进行缩束处理。
在一种可能的设计中，在第一位置对所述回波光信号在第一方向上进行处理，且对所述回波光信号在第二方向上不进行处理；和/或，在第二位置对所述回波光信号在第一方向上不进行处理，且对所述回波光信号在第二方向上进行处理；和/或，在第三位置对所述回波光信号在第一方向上进行第一聚焦处理，且对所述回波光信号在第二方向上进行第二聚焦处理；其中，所述第一聚焦处理和所述第二聚焦处理的光焦度不同。
在一种可能的设计中，所述第一方向为子午方向或者弧矢方向。
第三方面，本申请实施例提供了一种回波光信号接收方法，应用于如第一方面及第一方面中包含的任一种可能的示例中介绍的所述的激光雷达，所述激光雷达包括非等比聚焦系统。该方法包括：控制第一透镜的光焦度进行调整，其中，所述第一透镜为所述非等比聚焦系统中包含的一个或多个透镜中的任一透镜。
第四方面，提供一种车辆，所述车辆可包括如第一方面及第一方面中包含的任一种可能的示例中介绍的所述的激光雷达。
第五方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序或指令，当其被运行时，使得第二方面或第三方面中任一所述的方法被实现。
第六方面，提供一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得第二方面或第三方面中任一所述的方法被实现。
其中，第二方面和第六方面的有益效果请具体参阅第一方面中各可能的设计的有益效果，在此不再赘述。
附图说明
图1为本申请提供的一种可能的应用场景示意图；
图2a为收发同轴的光学系统的结构示例图；
图2b为收发离轴的光学系统的结构示例图；
图3为本申请实施例示出的子午面和弧矢面的示例图；
图4a为本申请实施例提供的一种激光雷达的非等比聚焦系统的结构示意图；
图4b为等比聚焦系统的结构示意图；
图4c为本申请实施例提供的一种激光雷达的非等比聚焦系统的回波光束示意图；
图5a为本申请实施例提供的一种激光雷达的非等比聚焦系统的等效光瞳的示例图；
图5b为本申请实施例提供的探测器的接收面的示意图；
图6为本申请实施例提供的一种激光雷达的非等比聚焦系统的回波光束示意图；
图7a为本申请实施例提供的另一种激光雷达的非等比聚焦系统的结构示意图；
图7b为本申请实施例提供的另一种激光雷达的非等比聚焦系统的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种回波光信号接收方法的流程示意图；
图9为本申请实施例提供的一种回波光信号接收方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请实施例进行详细描述。
激光雷达通常是通过发射高频电磁波的探测信号(或称为光信号)到目标物体，并接收目标物体散射的回波光信号电磁能量来工作的，通过比较分析接收到的回波光信号与探测信号，可以提取目标物体相关的信息，例如目标物体的位置信息；其中，探测信号例如可以为激光束，回波光信号也可以称作回波光束。
如图1所示，为本申请提供的一种可能的应用场景示意图。本申请中，激光雷达可应用于高级驾驶辅助系统(advanced driving assistant system，ADAS)(例如自动驾驶)、机器人、无人机、网联车、安防监控等领域。该场景中，激光雷达可被安装在移动设备上，例如，激光雷达可以安装在机动车辆(例如无人车、智能车、电动车、数字汽车等)上，用作车载雷达；再比如激光雷达可以安装在无人机上，作为机载雷达，等等。如图1所示，激光雷达可以包括激光器和探测器(图中未示出)。激光器以一定方向发射激光束，若在沿激光束的发射方向的一定距离内存在目标物体，则激光束可以在该目标物体的表面发生反射。图1以激光束1的发射方向存在目标物体A为例，激光器发射的激光束1在到达目标物体A后，在目标物体A的表面发生反射，被反射的信号作为回波光信号返回至激光雷达的探测器，探测器根据接收的回波光信号和发射出去的探测信号可确定出目标物体A的关联信息，例如目标物体A的位置信息等。
具体地，上述激光雷达可安装在机动车辆的车身上，以实时或周期性地获取传感器感测到车辆的经纬度、速度、朝向、周围物体的距离等测量信息，再根据这些测量信息实现车辆的辅助驾驶或无人驾驶。例如，利用经纬度确定车辆的位置，或利用速度和朝向确定车辆在未来一段时间的行驶方向和目的，或利用周围物体的距离确定车辆周围的障碍物数量、密度等。
常见的激光雷达包括扫描式的激光雷达和非扫描式的激光雷达。扫描式的例如基于微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)的调频连续波(frequencymodulated continuous waveform，FMCW)激光雷达、以及基于光学相控阵(optical phasedarray，OPA)技术的FMCW激光雷达；非扫描式的例如基于脉冲飞行时间(time-of-flight，TOF)的Flash激光雷达。其中，Flash激光雷达可在短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光束，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境目标物体的图像的绘制。
此外，激光雷达还可以安装于移动平台，如卫星。在此情况下，激光雷达需要移动平台中的其它装置的协助以确定自身当前的位置和转向信息，这样可保证测量数据的可用性。例如，移动平台中还可以包括全球定位系统(global positioning system，GPS)装置和惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)装置，激光雷达可以结合GPS装置和IMU装置的测量数据进而得到目标物体的位置、速度等特征量。例如，激光雷达可以通过移动平台中的GPS装置提供移动平台的地理位置信息，通过IMU装置记录移动平台的姿态和转向信息。在根据回波光信号确定与目标物体之间的距离后，可以通过GPS装置提供的地理位置信息或IMU装置提供的姿态和转向信息中的至少一种，将目标物体的测量点由相对坐标系转换为绝对坐标系上的位置点，得到目标物体的地理位置信息，从而使激光雷达可以应用于移动的平台中。可以理解的是，本申请中激光雷达还可应用于自动驾驶场景中、或者也可应用于网联车场景中，等等。
目前激光雷达在探测目标物体的三维空间信息时，是通过对回波光信号直接进行计算得到的。然而，由于在不同探测场景中，被探测的目标物体、探测环境等存在各种复杂性，导致激光雷达的可探测范围会受到限制。例如，若激光雷达只能接收到较少的回波光束，可能会由于接收到的回波光束能量不足(较弱)而导致无法准确获取到目标物体的三维空间信息，从而削弱了激光雷达的远距离测距能力；其中，激光雷达只能接收到较少的回波光束产生的原因如：激光束在强散射介质中传播时、或者激光雷达距离需要探测的目标物体距离较远时。若激光雷达接收到大量的回波光束，可能会由于接收到的回波光束能量过饱和(较强)而导致激光雷达无法探测，从而导致激光雷达存在近距离的探测盲区；其中，激光雷达接收到大量的回波光束产生的原因如：激光束在强反射介质中传播时、或者激光雷达距离需要探测的目标物体距离较近时。
鉴于此，本申请实施例提供了一种激光雷达，该激光雷达包括非等比聚焦系统。该非等比聚焦系统可以通过对回波光束在两个不同方向进行光焦度不同的聚焦处理，从而提升探测器的可探测范围。具体的，通过本申请实施例可以增强激光雷达远距离的测距能力以及减少激光雷达近距离的探测盲区。其中，两个不同方向例如可以为子午方向、弧矢方向，或者也可以为具有一定角度差的任意两个方向，本申请对此不进行限定。
本申请提供的激光雷达使用的光学系统可以采用收发同轴的结构，也可以采用收发离轴的结构。光学系统也可以称为光学模组，或者称为收发模组等。
在收发同轴结构中，光学系统发出的光信号和接收的光信号所经过的路径相同，即发出的光信号和接收的光信号(在本申请实施例中也称作回波光信号)具有相同的光轴。一个光学系统可包括激光器、准直系统、第一分光系统、以及接收系统。其中，激光器、准直系统和第一分光系统可属于发射系统，接收系统可采用本申请实施例提供的非等比聚焦系统，接收系统还可包括探测器。例如可参考图2a，为收发同轴的光学系统的结构示例图。在图2a中，激光器发出的激光束经过准直系统进行准直，以规范该激光束的传播方向，使得该激光束尽量向前传播。该激光束经过第一分光系统，再通过第一分光系统出射到目标探测区域中。接收的回波光束会到达第一分光系统，第一分光系统将接收的回波光束送入非等比聚焦系统中。最后经过非等比聚焦系统进行处理之后的回波光信号由探测器接收。
在收发离轴结构中，光学系统发出的光信号和接收的光信号所经过的路径不同，即发出的光信号和接收的光信号具有不同的光轴，一个光学系统可包括激光器、准直系统和接收系统。其中，激光器和准直系统可属于发射系统，接收系统可采用本申请实施例提供的非等比聚焦系统，接收系统还可包括探测器。例如可参考图2b，为收发离轴的光学系统的结构示例图。在图2b中，激光器发出的激光束经过准直系统进行准直，以规范该激光束的传播方向，使得该激光束尽量向前传播，准直系统可将该激光束出射到目标探测区域中。接收的回波光束会到达非等比聚焦系统中。最后经过非等比聚焦系统进行处理之后的回波光信号由探测器接收。可见，对于收发离轴结构来说，由于光学系统发出的激光束和接收的回波光束所经过的路径不同，因此无需设置第一分光系统。
以下，首先对本申请后续实施例中可能涉及到的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。
1)子午面、子午方向，表示由轴外物点的主光线和光学系统主轴(可以简称光轴)所确定的平面，称为光学系统成像的子午面。基于此，子午方向，表示在子午面上观测到的光束的方向。例如图3所示，为本申请实施例示出的子午面和弧矢面的示例图，由fy和光轴所确定的平面为子午面。
2)弧矢面、弧矢方向，表示过光轴，并且与子午面互相垂直的平面，称为光学系统成像的弧矢面。基于此，弧矢方向，表示在弧矢面上观测到的光束的方向。结合图3所示，由fx和光轴所确定的平面为弧矢面，且与子午面互相垂直。
本申请实施时，以子午面和弧矢面作为示例，可以用来观测回波光束的传送状态。
3)光瞳，表示光的入口，其孔径大小代表光学系统接收光的能力大小。其中，光瞳包含入射光瞳和出射光瞳。入射光瞳是孔径光阑通过前方光学系统在物空间所成的像，可以简称为入瞳；由其后方光学系统在像空间所成的像称为出射光瞳，可以简称为出瞳。孔径光阑可与入射光瞳或出射光瞳重合，也可不重合。
本申请实施例中，对于名词的数目，除非特别说明，表示“单数名词或复数名词”，即"一个或多个”。“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。如无特殊说明，字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。例如，A/B，表示：A或B。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b，或c中的至少一项(个)，表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c，或，a和b和c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
本申请实施例提及“第一”、“第二”等序数词是用于对多个对象进行区分，不用于限定多个对象的大小、内容、顺序、时序、应用场景、优先级或者重要程度等。例如，第一分光系统和第二分光系统，可以是同一个分光系统，也可以是不同的分光系统，且，这种名称也并不是表示这两个分光系统的结构、位置、优先级、应用场景或者重要程度等的不同。
如上介绍了本申请实施例涉及的一些概念，下面对本申请实施例提出的激光雷达进行具体阐述。在本申请实施例提供的一种激光雷达下，该激光雷达包括非等比聚焦系统，所述非等比聚焦系统基于非等比成像的设计思想下，可以有多种实现方式，以下通过实施例结合附图4a至图9进行说明。
图4a为本申请实施例提供的一种激光雷达的非等比聚焦系统的结构示意图。该非等比聚焦系统中，包括第一透镜组401和等比聚焦系统402。其中，第一透镜组401用于实现对回波光信号在第一方向上进行缩束处理。然后再由等比聚焦系统402对经过所述第一透镜组401的所述回波光信号进行聚焦处理。这样，相比于现有技术中直接通过等比聚焦系统402实现接收回波光信号的处理方式，由于先通过第一透镜组401对回波光信号在第一方向上进行了缩束处理，故而会有更多的回波光信号进入到等比聚焦系统402中。
如图4a所示，第一透镜组401位于前端，属于前方光学系统，等比聚焦系统402位于后端，属于后方光学系统。回波光束通过前端的第一透镜组401之后，在第一方向上可以进行一定程度的缩束。缩束的程度根据第一透镜组401中在第一方向上的光焦度决定的，第一透镜组401的光焦度越大，表示缩束的程度越大，反之第一透镜组401的光焦度越小，表示缩束的程度越小。
需要说明的是，本申请实施时对第一方向不进行限制，可以根据目标探测区域的目标物体进行设计。例如若已知目标物体的高度大于宽度，则第一方向可以为竖直方向，或称为子午方向。或者，又例如若已知目标物体的宽度大于高度，比如小轿车，则第一方向可以为水平方向，或称为弧矢方向，从而可以实现非等比聚焦系统可以在弧矢方向上接收到更多的回波光束，进以得到更多的目标物体的相关信息。
上述系统中，如图4b所示，等比聚焦系统402可以是目前常用的结构组成，例如双高斯结构及其变形(如图4b中的1示出的结构)、cooke结构(全称为cooke-triplet结构)及其变形结构(如图4b中的2示出的结构)、tessar结构及其变形结构(如图4b中的3示出的结构)等。其中，等比聚焦系统402的常用的结构组成的原理介绍可以结合现有技术中的描述，本申请在此不再详述。等比聚焦系统402常用作摄像头模组，例如，照相机的摄像头模组、移动设备(比如手机)的摄像头模组等。该等比聚焦系统402一般实现等比成像，也即接收的回波光信号经过所述等比聚焦系统402之后，在子午面和弧矢面上的焦距相同。
本申请实施时，第一透镜组401的结构可以有多种组成结构形式，可以实现对回波光信号进行缩束处理的结构均可以适用于本申请，对此不进行限制。
一种可能的示例，例如图4c所示，第一透镜组401可以包括第一正焦组件401a和第一负焦组件401b，所述第一负焦组件401b用于对经过所述第一正焦组件401a后的回波光信号进行处理；其中，所述第一正焦组件401a的像方焦点与所述第一负焦组件401b的像方焦点重合，重合的焦点例如为图4c中的焦点A。在此组成结构下，以回波光信号为平行光束为例，回波光信号通过第一正焦组件401a之后，光束会进行汇聚。在汇聚过程中，通过与所述第一正焦组件401a具有相同的像方焦点的第一负焦组件401b之后，可以再恢复为平行光束。由此可以得知，之前占用口径大小如图4c中的口径C1大小的回波光信号，在经过第一透镜组401的处理之后，占用的口径大小为如图4c中的口径C2大小，相当于对回波光信号进行了缩束处理。
可选的，所述第一正焦组件401a可为在所述第一方向上具有正光焦度的正柱透镜，所述第一负焦组件401b可选的为在所述第一方向上具有负光焦度的负柱透镜。并且，所述回波光信号经过所述第一负焦组件401b的出瞳为所述等比聚焦系统402的入瞳，这样，通过第一负焦组件401b出射的光束可以进入到等比聚焦系统402中继续处理。
需要说明的是，第一正焦组件401a可只包括正透镜，也可包括正透镜和负透镜，但正透镜和负透镜组合后的光焦度为正。第一负焦组件401b可只包括负透镜，也可以包括正透镜和负透镜，但正透镜和负透镜组合后的光焦度为负。
结合图4c，以第一方向为弧矢方向，第二方向为子午方向作为示例。其中的a示出的为从fx方向(弧矢面)上观测的光束示例图，图4c中的b示出的为从fy方向(子午面)上观测的光束示例图，其中，第一方向为fx方向，即弧矢方向。
在弧矢面上，回波光束经过第一正焦组件401a之后，进行一定程度的汇聚，再通过第一负焦组件401b之后，实现了对第一透镜组401接收的回波光束的缩束处理。然后，缩束处理之后的回波光束进入到等比聚焦系统402实现聚焦处理，最后由探测器接收。
在子午面上，由于柱透镜对回波光束在子午方向上不具有光焦度，由此第一透镜组401包含的透镜相对于回波光束相当于平面玻璃，所以回波光束在子午方向上会依照原路径传播。然后，回波光束进入到等比聚焦系统402实现聚焦处理，最后由探测器接收。结合图4c所示，可以得到回波光束在弧矢面上的焦距为f1，在子午面上的焦距为f2，因此回波光束在弧矢面和子午面的焦距不相等。并且，本申请提供的非等比聚焦系统具有双光瞳的特点。具体地，弧矢方向上的接收光瞳位于第一透镜组401上，假设口径大小表示为C1；子午方向上的接收光瞳位于等比聚焦系统402上，假设口径大小表示为C2。
这样，通过本申请的双光瞳可以等效为在子午方向和弧矢方向口径不同的非等比光瞳，相比于现有技术中的等比光瞳，本申请通过双光瞳的方式可以具有更大的接收口径，从而可以收集更多的回波光信号，从而可以增强测距能力；例如图5a示出的为本申请实施例提供的一种激光雷达的非等比聚焦系统的等效光瞳的示例图，相比于如图3示出的现有技术中的等比接收光瞳具有更大的口径。
并且，由于对回波光信号通过透镜组之后，回波光信号存在焦散效果，即回波光信号会存在一定程度的拉伸，从而可以使得回波光信号能量可以在第一方向的垂直方向实现一定程度的平铺，例如现有技术中仅可以通过探测器接收面上的一列来接收回波光信号，本申请可以通过探测器接收面上的多列来接收回波光信号，避免由于接收到的回波光束能量过饱和而导致激光雷达无法探测。此外，当所述探测器接收的回波光信号的信号强度大于第一阈值时，还可以读取所述探测器的接收面上的至少一列回波光信号，从而可以降低因能量饱和导致的近距离盲区。例如，图5b示出的为本申请实施例提供的探测器的接收面的示意图，较强的回波光信号的能量可以平铺在探测器的接收面的1、2、3列上，在从探测器的接收面上读取回波光信号时，可以读取处于探测器接收面中间位置的第2列的回波光信号，从而可以有效降低由于较强的回波光信号导致的能量饱和，减少探测盲区。同时本申请实施例提供的非等比聚焦系统还具有结构简单的特点。
另一种可能的示例，例如图6所示，所述第一透镜组401的组成结构还可以包括第二正焦组件401c和第三正焦组件401d，所述第三正焦组件401d用于对经过所述第二正焦组件401c后的回波光信号进行处理；其中，所述第二正焦组件401c的像方焦点与所述第三正焦组件401d的物方焦点重合，重合的焦点例如为图6中的焦点B。在此组成结构下，以回波光信号为平行光束为例，回波光信号通过第二正焦组件401c之后，光束会进行汇聚。在汇聚到焦点之后，光束会继续传播，然后可以通过与所述第二正焦组件401c具有相同的物方焦点的第三正焦组件401d，进而再恢复为平行光束。
可选的，所述第二正焦组件401c为在所述第一方向上具有第二正光焦度的正柱透镜，所述第三正焦组件401d为在所述第一方向上具有第三正光焦度的正柱透镜；其中，所述第二正光焦度小于所述第三正光焦度。并且，所述回波光信号经过所述第三正焦组件401d的出瞳为所述等比聚焦系统402的入瞳，这样，通过第三正焦组件401d出射的光束可以进入到等比聚焦系统402中继续处理。
需要说明的是，第二正焦组件401c可只包括正透镜，也可包括正透镜和负透镜，但正透镜和负透镜组合后的光焦度为正。同样的，第三正焦组件401d可只包括正透镜，也可以包括正透镜和负透镜，但正透镜和负透镜组合后的光焦度为正。
结合图6所示，具体实施方式可以参阅前述结合图4c介绍的实施例内容，重复之处在此不再赘述，与图4c不同之处在于，该示例中，第一透镜组401中包含均为正焦组件，通过光焦度较小的第二正焦组件401c在光焦度较大的第三正焦组件401d的前端，也可以实现对回波光束的缩束处理。
本申请实施时，根据实际的场景需求，还可以实时调整第一透镜组401包含的任一透镜组件的光焦度，将第一透镜组401设计为变焦的，即任一透镜组件的光焦度为可变的，从而可以满足多种场景下的探测需求，提升探测器的可探测范围。
图7a为本申请实施例提供的另一种激光雷达的非等比聚焦系统的结构示意图，非等比聚焦系统700可包括第二透镜组701和第三透镜组702。其中，所述第二透镜组701，用于对进入所述非等比聚焦系统700的回波光信号在第一方向上进行第二光焦度的聚焦处理；所述第三透镜组702，用于对进入所述非等比聚焦系统700的回波光信号在第二方向上进行第三光焦度的聚焦处理；其中，所述第二光焦度与所述第三光焦度不同。通过第二透镜组701和第三透镜组702的处理，所述非等比聚焦系统700可以使得探测器得到目标探测区域内的目标物体的相关信息。其中，第一方向与第二方向为具有一定角度差的不同方向，例如第一方向和第二方向可以互相垂直。
需要说明的是，本申请对于第二透镜组701和第三透镜组702中分别包含的透镜数量、形状、光焦度不进行限定。第二透镜组701可以包含一个或多个透镜，其中多个透镜组合后可以实现在第一方向上进行第二光焦度的聚焦处理。同样的，第三透镜组702可以包含一个或多个透镜，其中多个透镜组合后可以实现在第二方向上进行第三光焦度的聚焦处理。例如图7a所示，第二透镜组701和第三透镜组702可以包括透镜1～n，对n的数量不进行限定，其中透镜1、透镜3……透镜n属于第二透镜组701，透镜2……透镜n-1及透镜n属于第三透镜组702。
示例性的，根据透镜可以具有多种样式，例如柱透镜具有对回波光束仅对一个方向上进行处理的特点、双曲面透镜具有对回波光束的互相垂直的第一方向和第二方向的光焦度不同的特点。因此，第二透镜组701和第三透镜组702可以包含相同的透镜，也可以包含不同的透镜。具体可以包含以下几种场景：
场景一、若所述第二透镜组701包含第一透镜，且所述第三透镜组702不包含所述第一透镜，则所述第一透镜在所述第一方向上具有光焦度，而在所述第二方向上不具有光焦度。例如，第一透镜可以为柱透镜，若第一方向为弧矢方向，则第一透镜设计为竖直放立，用以实现在弧矢方向上具有汇聚作用，而在子午方向上为平面玻璃的作用。
场景二、若所述第三透镜组702包含第二透镜，所述第二透镜组701不包含所述第二透镜，则所述第二透镜在所述第二方向上具有光焦度，在所述第一方向上不具有光焦度。例如，第一透镜可以为柱透镜，若第二方向为子午方向，则第二透镜设计为水平放立，即与第一透镜的放立方式互相处置，用以实现在子午方向上具有汇聚作用，而在弧矢方向上为平面玻璃的作用。
场景三、若所述第二透镜组701包含第三透镜，且所述第三透镜组702包含所述第三透镜，则所述第三透镜在所述第一方向具有光焦度，且在所述第二方向也具有光焦度。例如，第三透镜可以为双曲面透镜。
该实施例在实施时，根据实际的场景需求，也可以实时调整第二透镜组701和第三透镜组702包含的任一透镜组件的光焦度，将第一透镜组设计为变焦的，即任一透镜组件的光焦度为可变的，从而可以满足探测需求，提升探测器的可探测范围。需要说明的是，目前可以实现与透镜相同功能的组件同样可以适用于本申请，对此不进行限制。
为了便于理解，图7b为本申请实施例提供的另一种激光雷达的非等比聚焦系统的结构示例图。例如，在图7b示出的非等比聚焦系统中，可以包含透镜1、透镜2、透镜3、透镜4、透镜5以及透镜6。其中，透镜1、透镜3、以及透镜5可以为平凸透镜，用于实现光线汇聚。透镜2为平凹透镜，可与透镜1共同作用，用于将光线恢复为平行光束。透镜4、透镜6为在第一方向上具有光焦度的曲面透镜，用于实现第一方向与第二方向的光焦度不同。通过多个透镜的共同作用，本申请提供的非等比聚焦系统可以实现非等比成像的设计，从而可以提升探测器的可探测范围。需要说明的是，图7b示出的非等比聚焦系统仅为一种可能的示例，不作为对本申请的限定。
图8为本申请实施例提供的一种回波光信号接收方法的流程示意图。该方法的步骤包括：
步骤800：对回波光信号在第一方向上和第二方向上进行不同光焦度的聚焦处理。
一种可能的示例为，对回波光信号在第一方向上进行缩束处理；对缩束处理之后的回波光信号进行聚焦处理。此外，对回波光信号在第二方向上不进行缩束处理。其中，聚焦处理可以通过等比聚焦系统来实现。这样，在对回波光束进行等比聚焦处理之前，可先对第一方向进行一定程度的缩束处理，从而可以实现进行等比聚焦处理的第一方向上的光束数量比第二方向上的光束数量更多，由此探测器接收的回波光信号的能量更多。并且在对第一方向上光束进行缩束处理之后，回波光信号在第一方向上会具有焦散效果，在进行聚焦处理之后，可以达到探测器接收的回波光信号被拉伸平铺在接收面上的效果，进而可以降低较强的回波光信号导致的饱和。
另一种可能的示例为，对第一方向和第二方向进行不同光焦度的聚焦处理，可以通过在不同位置在第一方向和第二方向进行不同的处理实现。示例性的，对第一方向和第二方向进行不同的处理可以包含以下几种可能的情况或组合：
情况1、在第一位置对所述回波光信号在第一方向上进行处理，且对所述回波光信号在第二方向上不进行处理。实施时，在第一位置上可以通过放置柱透镜实现该情况的处理，柱透镜的放置方向可以根据第一方向来确定，用来实现对回波光信号在第一方向上的聚焦处理，或者通过与柱透镜可以实现相同功能的组件来实现。
情况2、在第二位置对所述回波光信号在第一方向上不进行处理，且对所述回波光信号在第二方向上进行处理。实施时，在第二位置上也可以通过放置柱透镜实现该情况的处理，然而该场景下柱透镜的放置方式与情况1不同，该情况下的柱透镜的放置根据第二方向来确定，用来实现对回波光信号在第二方向上的聚焦处理，或者通过与柱透镜可以实现相同功能的组件来实现。
情况3、在第三位置对所述回波光信号在第一方向上进行第一聚焦处理，且对所述回波光信号在第二方向上进行第二聚焦处理；其中，所述第一聚焦处理和所述第二聚焦处理的光焦度不同。实施时，在第三位置上可以通过放置双曲面透镜来实现，基于双曲面透镜在两个方向上具有不同的光焦度的特点，故而可以实现在第一方向上进行第一聚焦处理，在第二方向上进行第二聚焦处理。
图9为本申请实施例提供的一种回波光信号接收方法的流程示意图。该方法可以用于控制如前述实施例提供的任一激光雷达的非等比聚焦系统中，或包含上述激光雷达的非等比聚焦系统的激光雷达或设备中。该方法的具体步骤包括：
步骤900、控制所述非等比聚焦系统中的第一透镜的光焦度进行调整，其中，所述第一透镜为所述非等比聚焦系统中包含的一个或多个透镜中的任一个。例如，在非等比聚焦系统前一次探测的目标物体的形状为高度大于宽度的物体，例如楼房，在此场景下，非等比聚焦系统为了提升探测器可探测的范围，设计的系统中子午方向的光焦度要小于弧矢方向的光焦度。然而，非等比聚焦系统要探测宽度大于高度的物体，例如车辆，在这样的场景下，非等比聚焦系统可以设计子午方向的光焦度大于弧矢方向的光焦度，从而可以设计较贴合目标探测区域的目标物体的非等比聚焦系统中的透镜。需要说明的是，在控制透镜的光焦度进行调整时，可以对非等比聚焦系统中的一个透镜进行调整，也可以对多个透镜进行调整，多个透镜组合后的光焦度满足想要调整的光焦度也可以实现对非等比聚焦系统的调整。
本申请实施例还提供一种激光雷达，用于为车辆提供探测功能。其包含本申请上述实施例提到的非等比聚焦系统，用于接收来自所述目标探测区域对所述激光束反射回来的回波光信号，并对所述回波光信号进行处理。该激光雷达中还包括用于向目标探测区域发射激光束的激光器；以及用于接收经过所述非等比聚焦系统处理之后的回波光信号，并根据处理后的所述回波光信号确定所述目标探测区域的相关信息的探测器。
本申请实施例还提供一种车辆，所述车辆包括本申请上述实施例提到的非等比聚焦系统，或包括本申请上述实施例提到的激光雷达。
在本申请所提供的几个实施例以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的计算机可读存储介质，可以是计算机能够存取的任何可用介质。以此为例但不限于：计算机可读介质可以包括随机存取存储器(random access memory，RAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请实施例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实施例揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括非等比聚焦系统；
所述非等比聚焦系统在第一方向和第二方向上的光焦度不同。
2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述非等比聚焦系统包括第一透镜组和等比聚焦系统；
所述第一透镜组，用于对回波光信号在第一方向上进行缩束处理；
所述等比聚焦系统，用于对经过所述第一透镜组的回波光信号进行聚焦处理。
3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述第一透镜组包括第一正焦组件和第一负焦组件，所述第一负焦组件用于对经过所述第一正焦组件后的回波光信号进行处理；
其中，所述第一正焦组件的像方焦点与所述第一负焦组件的像方焦点重合。
4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述第一正焦组件为在所述第一方向上具有第一正光焦度的正柱透镜，所述第一负焦组件为在所述第一方向上具有负光焦度的负柱透镜。
5.根据权利要求3或4所述的激光雷达，其特征在于，所述回波光信号经过所述第一负焦组件的出瞳为所述等比聚焦系统的入瞳。
6.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述第一透镜组包括第二正焦组件和第三正焦组件，所述第三正焦组件用于对经过所述第二正焦组件后的回波光信号进行处理；
其中，所述第二正焦组件的像方焦点与所述第三正焦组件的物方焦点重合。
7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述第二正焦组件为在所述第一方向上具有第二正光焦度的正柱透镜，所述第三正焦组件为在所述第一方向上具有第三正光焦度的正柱透镜；
其中，所述第二正光焦度小于所述第三正光焦度。
8.根据权利要求6或7所述的激光雷达，其特征在于，所述回波光信号经过所述第三正焦组件的出瞳为所述等比聚焦系统的入瞳。
9.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述第一透镜组对所述回波光信号在第二方向上不进行缩束处理。
10.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述非等比聚焦系统包括第二透镜组和第三透镜组；
所述第二透镜组，用于对回波光信号在第一方向上进行聚焦处理；
所述第三透镜组，用于对回波光信号在第二方向上进行聚焦处理。
11.根据权利要求10所述的激光雷达，其特征在于，若所述第二透镜组包含第一透镜，所述第三透镜组不包含所述第一透镜，则所述第一透镜在所述第一方向上具有光焦度，在所述第二方向上不具有光焦度；
若所述第三透镜组包含第二透镜，所述第二透镜组不包含所述第二透镜，则所述第二透镜在所述第二方向上具有光焦度，在所述第一方向上不具有光焦度；
若所述第二透镜组包含第三透镜，且所述第三透镜组包含所述第三透镜，则所述第三透镜在所述第一方向具有第一光焦度，且在所述第二方向具有第二光焦度；其中，所述第一光焦度与所述第二光焦度不同。
12.根据权利要求11所述的激光雷达，其特征在于，所述第三透镜为双曲面透镜。
13.根据权利要求1至12任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述第一方向为子午方向或者弧矢方向。
14.根据权利要求1至13任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述非等比聚焦系统中包含的任一透镜的光焦度可变。
15.根据权利要求1至14任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括探测器，当所述探测器接收的回波光信号的信号强度大于第一阈值时，读取所述探测器的接收面上的至少一列回波光信号。
16.一种回波光信号接收方法，其特征在于，包括：
对回波光信号在第一方向上和第二方向上进行不同光焦度的聚焦处理。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述对回波光信号在第一方向上和第二方向上进行不同光焦度的聚焦处理，包括：
对回波光信号在第一方向上进行缩束处理；
对缩束处理之后的回波光信号进行聚焦处理。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述对缩束处理之后的回波光信号进行聚焦处理之前，所述方法还包括：
对回波光信号在第二方向上不进行缩束处理。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述对回波光信号在第一方向上和第二方向上进行不同光焦度的聚焦处理，包括：
在第一位置对所述回波光信号在第一方向上进行处理，且对所述回波光信号在第二方向上不进行处理；和/或，
在第二位置对所述回波光信号在第一方向上不进行处理，且对所述回波光信号在第二方向上进行处理；和/或，
在第三位置对所述回波光信号在第一方向上进行第一聚焦处理，且对所述回波光信号在第二方向上进行第二聚焦处理；其中，所述第一聚焦处理和所述第二聚焦处理的光焦度不同。
20.根据权利要求16至19任一项所述的方法，其特征在于，所述第一方向为子午方向或者弧矢方向。
21.一种回波光信号接收方法，其特征在于，应用于如权利要求1至15中任一项所述的激光雷达，所述激光雷达包括非等比聚焦系统，包括：
调整第一透镜的光焦度，其中，所述第一透镜为所述非等比聚焦系统中包含的一个或多个透镜中的任一透镜。
22.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括如权利要求1-15中任一项所述的激光雷达。
CN202110303493.6A 2021-03-22 2021-03-22 一种激光雷达及回波光信号接收方法 Pending CN115113181A (zh)

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