CN115184904B - 激光雷达及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光雷达及其设计方法，一种激光雷达，所述激光雷达包括：多个光学通道，配置为出射多条光束；准直透镜，设置在所述多个光学通道出光方向的一侧，配置为对所述多条光束执行准直操作；以及色散元件，设置在所述准直透镜远离所述多个光学通道的一侧，所述多条光束经所述色散元件后分别产生多条出射光束，其中，所述多条光束中的每条光束的波长是可调的，使得每条光束对应的出射光束执行光束扫描，所述多条光束对应的所述多条出射光束的扫描角度范围依次邻接且基本上不交叠。

Description

激光雷达及其设计方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种激光雷达及其设计方法。

背景技术

激光雷达LiDAR(Light Laser Detection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称，它是用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物，至少包括发射器和接收器。

发明内容

本发明一些实施例提供一种激光雷达，所述激光雷达包括：

多个光学通道，配置为出射多条光束；

准直透镜，设置在所述多个光学通道出光方向的一侧，配置为对所述多条光束执行准直操作；以及

色散元件，设置在所述准直透镜远离所述多个光学通道的一侧，所述多条光束经所述色散元件后分别产生多条出射光束，

其中，所述多条光束中的每条光束的波长是可调的，使得每条光束对应的出射光束执行光束扫描，所述多条光束对应的所述多条出射光束的扫描角度范围依次邻接且基本上不交叠。

在一些实施例中，所述激光雷达还包括：

可调谐激光源，配置为出射波长可调的激光；

分光器，接收所述激光，并与所述多个光学通道连接，配置为将所述激光分束为所述多条光束，并将所述多条光束分别传输至所述多个光学通道。

在一些实施例中，所述色散元件包括衍射光栅。

在一些实施例中，任一条光束对应的出射光束的扫描角度范围由在波长调节过程中该条光束对应的出射光束的偏转角确定，该条光束对应的出射光束的偏转角θ_偏由以下公式确定：

其中，θ为该条光束经过所述准直透镜后与所述准直透镜的光轴之间的夹角，h为该条光束对应的光学通道与所述准直透镜的光轴之间距离，f为所述准直透镜的焦距，△θ为所述准直透镜的光轴与所述衍射光栅的法线的夹角，θ_i为该条光束入射至所述衍射光栅时的入射角，λ为该条光束的波长，d为所述衍射光栅的光栅常数，θ_m为该条光束对应的出射光束自所述衍射光栅出射的出射角。

在一些实施例中，所述波长调节宽度为40nm。

在一些实施例中，每条光束对应的出射光束执行的光束扫描的扫描夹角为3°至7°。

在一些实施例中，所述激光雷达还包括：

转镜，配置为反射所述多条出射光束以实现光束面扫描。

在一些实施例中，所述转镜的旋转轴与所述多条出射光束共面。

在一些实施例中，所述多个光学通道平行设置。

本公开一些实施例提供一种激光雷达的设计方法，所述激光雷达包括前述实施例中所述激光雷达，所述设计方法包括：

基于准直透镜和色散元件的参数及位置关系以及光束波长调节范围确定光学通道的位置与扫描角度范围的对应关系；以及

基于所述对应关系动态调整所述多个光学通道的位置，使得所述多条光束对应的出射光束的扫描角度范围相邻拼接以匹配预设的整体光束扫描夹角。

本发明实施例的上述方案与相关技术相比，至少具有以下有益效果：

采用多个光学通道的多条光束同步经过准直透镜以及色散元件，通过波长调节来实现光束扫描，多条光束对应的出射光束执行的扫描区域依次邻接且基本上不交叠，由此实现较小的波长范围的调整即可快速获得较大的扫描区域。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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。在附图中：

图1为相关技术中激光雷达的结构示意图；

图2为本发明一些实施例提供的激光雷达结构示意图；

图3为本发明一些实施例提供的各条光束对应的出射光束的偏转角与波长的对应关系图；

图4为本发明一些实施例提供的激光雷达的结构示意图；

图5为本发明一些实施例提供的激光雷达的设计方法。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种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这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但这些不应限于这些术语。这些术语仅用来将区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”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商品或者装置不仅包括那些要素，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商品或者装置所固有的要素。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商品或者装置中还存在另外的相同要素。

在相关技术中，可以通过调节波长的方式来实现激光雷达的光束扫描，如图1所示，现有的激光雷达包括可调谐激光源1、准直透镜2以及衍射光栅3。可调谐激光源1发生的光束经过准直透镜2准直，入射至衍射光栅3上，衍射光栅3对光束进行偏转。可调谐激光源1发射的光束的可调波长范围例如为1460nm至1620nm，即波长调节宽度为160nm。由于衍射光栅3的散光特性，通过在1460nm至1620nm的范围内逐渐增大或者减小，可以使得入射至衍射光栅上的光束经衍射光栅后，光束的偏转角α逐渐变化。如图1所示，当可调谐激光源1发射的光束的可调波长自1460nm逐渐增大至1620nm时，光束的偏转角α亦逐渐增大。由此实现激光雷达的光束扫描，光束扫描的角度例如为光束的偏转角α的变化值，例如为25°。相关技术中，可调谐激光源在1460nm至1620nm的范围内调整波长需要较长的时间，不利于激光雷达对光束快速扫描要求。另外，常规的可调谐激光器调节范围只有40nm，可调谐激光器随着调节范围的增大成本快速上升，不适合激光雷达产品。

为了克服上述问题，本发明提供一种激光雷达，所述激光雷达包括：多个光学通道，配置为出射多条光束，所述多条光束波长相同；准直透镜，设置在所述多个光学通道出光方向的一侧，配置为对所述多条光束执行准直操作；以及色散元件，设置在所述准直透镜远离所述多个光学通道的一侧，所述多条光束经所述色散元件后分别产生多条出射光束，其中，所述多条光束中的每条光束的波长是可调的，使得每条光束对应的出射光束执行光束扫描，所述多条光束对应的多条出射光束的扫描角度范围依次邻接且基本上不交叠。采用多个光学通道的多条光束同步经过准直透镜以及色散元件，通过波长调节来实现光束扫描，多条光束对应的出射光束执行的扫描区域依次邻接且基本上不交叠，由此可以拼接出较大的扫描区域，由此实现较小的波长范围的调整即可快速获得较大的扫描区域。

下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。

图2为本发明一些实施例提供的激光雷达结构示意图，所述激光雷达100包括多个光学通道10、准直透镜20以及色散元件30。

多个光学通道10配置为出射多条光束，所述多条光束波长相同，在一些实施例中，多条光束的相位亦可以相同，多条光束例如可以由同一条光束分光获得。多个光学通道10的数量例如为2个或更多个，例如为4个或5个。

准直透镜20设置在所述多个光学通道10出光方向的一侧，配置为对所述多条光束执行准直操作。自任一光学通道10出射的光束会存在一定的扩散角，需要利用准直透镜20将各光束准直。

色散元件30设置在所述准直透镜20远离所述多个光学通道10的一侧，所述多条光束经所述色散元件30后分别产生多条出射光束。所述多条光束中的每条光束的波长是可调的，使得每条光束对应的出射光束执行光束扫描，所述多条光束对应的出射光束的扫描角度范围依次邻接且基本上不交叠。

本实施例提供的激光雷达100可以通过波长调节来实现光束扫描，多条光束对应的出射光束同时执行相应扫描角度范围的扫描，多条光束对应的出射光束执行的扫描区域依次邻接且基本上不交叠，由此可以拼接出整体的光束扫描区域，如此可以实现较小的波长范围的调整即可快速获得较大的扫描区域。波长调节宽度较小，可以在较短的时间段内完成调节，基本上可以符合激光雷达对光束快速扫描要求。

在一些实施例中，如图2所示，所述激光雷达100还包括可调谐激光源40和分光器50。

可调谐激光源40配置为出射波长可调的激光，激光的波长例如可以在1530nm～1570nm之间可调，波长调节宽度为40nm。

分光器50接收所述激光，并与所述多个光学通道10连接，配置为将所述激光分束为所述多条光束，并将所述多条光束分别传输至所述多个光学通道10。如此可以使得，多个光学通道10输出的多条光束的波长可以同步调节。

在一些实施例所述色散元件30包括衍射光栅，衍射光栅具有色散的性质，当同一条光束波长进行调节时，该条光束对应的自色散元件30出射的出射光束执行光束扫描，扫描角度范围的范围宽度例如为3°至7°。

在一些实施例中，任一条光束对应的出射光束的扫描角度范围由在波长调节过程中该条光束对应的出射光束的偏转角确定，该条光束对应的出射光束的偏转角θ_偏由以下公式确定：

其中，θ为该条光束经过所述准直透镜后与所述准直透镜的光轴之间的夹角，h为该条光束对应的光学通道与所述准直透镜的光轴之间距离，f为所述准直透镜的焦距，△θ为所述准直透镜的光轴与所述衍射光栅的法线的夹角，θ_i为该条光束入射至所述衍射光栅时的入射角，λ为该条光束的波长，d为所述衍射光栅的光栅常数，θ_m为该条光束对应的出射光束自所述衍射光栅出射的出射角。

如图2中仅标记出了最上方光学通道对应的各参数，本领域人员可以相应地确定其他光学通道对应的各参数对应的位置。在上述公式中，如图2所示，当光学通道位于准直透镜20的光轴X上方时，h为正值，当光学通道位于准直透镜的光轴上方时，h为负值。

具体地，当通过调节光束的波长来执行激光雷达的光束扫描时，多条光束的波长例如可以在λ1和λ2之间调节，对于任一条光束来说，在该条光束的波长λ为λ1时，确定该条光束对应的出射光束的偏转角θ_偏为θ_偏1，在该条光束的波长λ为λ2时，确定该条光束对应的出射光束的偏转角θ_偏为θ_偏2，该条光束对应的出射光束的扫描角度范围即为θ_偏1～θ_偏2，该扫描角度范围的范围宽度为θ_偏2-θ_偏1。

在一些实施例中，各条光束的波长例如可以在1530nm～1570nm之间可调，波长调节宽度为40nm。

在一些实施例中，每条光束对应的出射光束执行的光束扫描的扫描夹角为3°至7°。

以下以多个光学通道10的数量为5个为例进行详细说明，准直透镜20的焦距f例如为10.2mm，准直透镜的光轴X与所述衍射光栅的法线N的夹角△θ例如为60°。如图2所示，多个光学通道10包括第一光学通道11、第二光学通道12、第三光学通道13、第四光学通道14以及第五光学通道15，各光学通道依次平行排列。各光学通道出射的各条光束的波长λ例如可以在1530nm～1570nm之间可调，波长调节宽度为40nm，对于可调谐激光源来说，波长调节宽度为40nm的调节可以在较短的时间段内完成，基本上可以符合激光雷达对光束快速扫描要求。

图3为本发明一些实施例提供的各条光束对应的出射光束的偏转角与波长的对应关系图，图3中，通道1、通道2、通道3、通道4以及通道5分别表示第一光学通道11、第二光学通道12、第三光学通道13、第四光学通道14以及第五光学通道15。如图2和图3所示，第一光学通道11与准直透镜20的光轴X之间距离为-2.32mm，当波长在1530nm～1570nm之间可调时，第一光学通道11输出的第一光束L11对应的输出光束（图2中由①标示）的第一扫描角度范围为106°～110°，第一扫描角度范围宽度为4°。第二光学通道12与准直透镜20的光轴X之间距离为-1mm，当波长在1530nm～1570nm之间可调时，第二光学通道12输出的第二光束L12对应的输出光束（图2中由②标示）的第二扫描角度范围为110°～115°，第二扫描角度范围宽度为5°。第三光学通道13与准直透镜20的光轴X之间距离为0mm，当波长在1530nm～1570nm之间可调时，第三光学通道13输出的第三光束L13对应的输出光束（图2中由③标示）的第三扫描角度范围为115°～120°，第三扫描角度范围宽度为5°。第四光学通道14与准直透镜20的光轴X之间距离为0.84mm，当波长在1530nm～1570nm之间可调时，第四光学通道14输出的第四光束L14对应的输出光束（图2中由④标示）的第四扫描角度范围为120°～125°，第四扫描角度范围宽度为5°。第五光学通道15与准直透镜20的光轴X之间距离为1.6mm，当波长在1530nm～1570nm之间可调时，第五光学通道15输出的第五光束L15对应的输出光束（图2中由⑤标示）的第五扫描角度范围为125°～131°，第五扫描角度范围宽度为6°。当光波波长调整时，第一至第五光束对应的输出光束同步执行光束扫描，使得整体的光束扫描角度范围为106°～131°，整体扫描角度范围宽度为25°，即光束扫描夹角为25°。如此，采用小范围的激光波长的调整及实现了比较大角度的光束扫描，激光波长在较小的范围内调整，实现光束的快速扫描，提升了激光雷达的光束扫描速度。

图4为本发明一些实施例提供的激光雷达的结构示意图，图4中未示出光学通道、可调谐激光源以及分光器。如图4所示，所述激光雷达100还可以包括转镜60，转镜60配置为反射所述多条出射光束以实现光束面扫描。

在一些实施例中，所述的转镜60的旋转轴61与所述多条出射光束共面，使得通过转镜60的旋转使得多条出射光束可以放在另一个维度上执行扫描。通过激光雷达100中激光波长的调整配合转镜60的旋转来实现光束面扫描。

在一些实施例中，如图2至图4所示，所述多个光学通道10平行设置。使得多个光学通道10分别出射的多条光束尽可能的接近平行，使得它们经过准直透镜20后基本上可以入射至色散元件上相对较小的区域内，使得激光雷达产生的光束扫描具有更好的形态。

图5为本发明一些实施例提供的激光雷达的设计方法，如图5所示，所述设计方法包括以下步骤S01至S03。

S01：基于准直透镜和色散元件的参数及位置关系以及光束波长调节范围确定光学通道的位置与扫描角度范围的对应关系。

具体地，根据准直透镜的参数例如为焦距f，尺寸等，色散元件例如为衍射光栅，衍射光栅的参数例如为光栅常数d，尺寸等，准直透镜和色散元件，例如为衍射光栅的位置关系例如为，准直透镜的光轴与衍射光栅的法线的夹角△θ。光束波长调节范围例如为1530nm～1570nm，波长调节范围宽度例如为40nm。根据该些数据以及前述实施例中涉及的公式可以确定光学通道的位置与扫描角度范围的对应关系。光学通道的位置由光学通道与准直透镜的光轴之间的距离来表征。对于每一位置，均可以确定与该位置对应的扫描角度范围。

S02:基于所述对应关系动态调整所述多个光学通道的位置，使得所述多条光束对应的出射光束的扫描角度范围相邻拼接以匹配预设的整体光束扫描夹角。

具体地，可以先选取第一个光学通道的位置，基于光学通道的位置与扫描角度范围的对应关系，匹配确定与第一个光学通道相邻的第二个光学通道和/或第三个光学通道的位置，使得第二个光学通道和/或第三个光学通道对应的扫描角度范围与第一个光学通道的对应的扫描角度范围邻接但基本上不交叠，第二个光学通道和第三个光学通道分别位于第一个光学通道的两侧；然后基于光学通道的位置与扫描角度范围的对应关系，匹配确定与该第二个光学通道相邻的第四个光学通道位置，使得第四个光学通道对应的扫描角度范围与第二个光学通道的对应的扫描角度范围邻接但基本上不交叠，第四个光学通道与第一个光学通道分别位于第二个光学通道的两侧，匹配确定与该第三个光学通道相邻的第五个光学通道位置，使得第五个光学通道对应的扫描角度范围与第三个光学通道的对应的扫描角度范围邻接但基本上不交叠，第五个光学通道与第一个光学通道分别位于第三个光学通道的两侧；然后基于光学通道的位置与扫描角度范围的对应关系继续匹配确定新增光学通道的位置，以此类推，直至多个光学通道对应的出射光束的扫描角度范围拼接后形成的整体扫描角度范围的范围宽度本上等于设的光束扫描夹角。

在一些实施例中，还可以对上述确定的多个光学通道的位置进行动态微调，使得个光学通道对应的出射光束的扫描角度范围拼接后形成的整体扫描角度范围的范围宽度更加趋近所述预审的光束扫描夹角。

本说明书中各个部分采用并列和递进相结合的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的实施例，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。

最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用举例的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括：

多个光学通道，配置为出射多条光束；

准直透镜，设置在所述多个光学通道出光方向的一侧，配置为对所述多条光束执行准直操作；以及

色散元件，设置在所述准直透镜远离所述多个光学通道的一侧，所述多条光束经所述色散元件后分别产生多条出射光束，

其中，所述多条光束中的每条光束的波长是可调的，使得每条光束对应的出射光束执行光束扫描，所述多条光束对应的所述多条出射光束的扫描角度范围依次邻接且基本上不交叠，

所述激光雷达还包括：

可调谐激光源，配置为出射波长可调的激光；

分光器，接收所述激光，并与所述多个光学通道连接，配置为将所述激光分束为所述多条光束，并将所述多条光束分别传输至所述多个光学通道，所述多条光束波长相同。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述色散元件包括衍射光栅。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，任一条光束对应的出射光束的扫描角度范围由在波长调节过程中该条光束对应的出射光束的偏转角确定，该条光束对应的出射光束的偏转角

由以下公式确定：

其中，θ为该条光束经过所述准直透镜后与所述准直透镜的光轴之间的夹角，h为该条光束对应的光学通道与所述准直透镜的光轴之间距离，f为所述准直透镜的焦距，△θ为所述准直透镜的光轴与所述衍射光栅的法线的夹角，θ_i为该条光束入射至所述衍射光栅时的入射角，λ为该条光束的波长，d为所述衍射光栅的光栅常数，θ_m为该条光束对应的出射光束自所述衍射光栅出射的出射角。

4.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述波长调节宽度为40nm。

5.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，每条光束对应的出射光束执行的光束扫描的扫描夹角为3°至7°。

6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括：

转镜，配置为反射所述多条出射光束以实现光束面扫描。

7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述转镜的旋转轴与所述多条出射光束共面。

8.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述多个光学通道平行设置。

9.一种激光雷达的设计方法，其特征在于，所述激光雷达包括权利要求1至8中任一项所述激光雷达，所述设计方法包括：

基于准直透镜和色散元件的参数及位置关系以及光束波长调节范围确定光学通道的位置与扫描角度范围的对应关系；以及

基于所述对应关系动态调整所述多个光学通道的位置，使得所述多条光束对应的出射光束的扫描角度范围相邻拼接以匹配预设的整体光束扫描夹角。

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