CN115291245B - 激光雷达和汽车 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光雷达和汽车，涉及雷达技术领域。激光雷达包括激光发射器、折角振镜、转镜以及激光接收器。折角振镜包括呈夹角设置的第一反射面和第二反射面，第一反射面的法向量与第二反射面的法向量呈发散状。通过设置折角振镜，能够增大回波光线入射时与转镜镜面的夹角，增大回波信号的有效投影面积，从而提高回波信号强度和能量利用率，增加远距离探测量程。换言之，也可以在相同量程的条件下，使用更小的光学口径，从而减小转镜尺寸，降低风阻和功耗。本申请提供的汽车包括上述的激光雷达，因此也相应地具有上述的有益效果。

Description

激光雷达和汽车

技术领域

本申请涉及雷达技术领域，具体而言，涉及一种激光雷达和汽车。

背景技术

激光雷达产品具有快速、非接触式探测的技术特点，能够实时探测路面环境，从而协助汽车自动驾驶系统预先规划行驶路线。当前车载激光雷达领域，对于激光雷达的扫描视场范围要求越来越高，且体积要求越来越小。目前，车载激光雷达通常使用振镜加转镜（或称棱镜）的方式实现垂直方向小视场、水平方向大视场的扫描要求。当激光雷达的帧率和角分辨率要求一定时，为了提高水平探测视场，一般会采用的技术方案是：整机旋转扫描、阵列激光雷达水平视场拼接或者减少转镜面数，提高转速。但这些方法都可能会带来激光雷达整体尺寸变大、功耗增加等问题。

发明内容

本申请的目的包括提供一种激光雷达，其能够改善现有的激光雷达为保证探测效果导致的激光雷达整体尺寸变大、功耗增加等问题。

本申请的实施例可以这样实现：

第一方面，本申请提供一种激光雷达，包括激光发射器、折角振镜、转镜以及激光接收器，折角振镜包括呈夹角设置的第一反射面和第二反射面，第一反射面的法向量与第二反射面的法向量呈发散状，激光发射器用于形成第一光路，第一光路依次经过折角振镜的第一反射面、转镜射向待测目标物；激光接收器用于接收目标待测物反射的第二光路，第二光路依次经过转镜、折角振镜的第二反射面，进而到达激光接收器。

在可选的实施方式中，第一反射面的法向量与第二反射面的法向量的夹角为1°~15°。

在可选的实施方式中，第一反射面的法向量与第二反射面的法向量的夹角为5°。

在可选的实施方式中，激光雷达还包括第一反射镜，第一反射镜设置于第一光路中，用于将激光发射器发出的光束反射至第一反射面。

在可选的实施方式中，激光雷达还包括第二反射镜，第二反射镜设置于第二光路中，用于将来自第二反射面的光束反射至激光接收器。

在可选的实施方式中，折角振镜用于通过转动实现激光雷达的竖直方向扫描，折角振镜的转动范围为

（2°~10°）。

在可选的实施方式中，转镜用于通过转动实现激光雷达的水平方向扫描，激光雷达的水平视场范围为

（50°~70°）。

在可选的实施方式中，激光发射器的发射激光宽度为2~10mm。

第二方面，本申请实施例提供一种汽车，其包括前述第一方面中任一实施方式的激光雷达。

本申请实施例的有益效果包括，例如：

本申请提供的激光雷达包括激光发射器、折角振镜、转镜以及激光接收器。折角振镜包括呈夹角设置的第一反射面和第二反射面，第一反射面的法向量与第二反射面的法向量呈发散状，激光发射器用于形成第一光路，第一光路依次经过折角振镜的第一反射面、转镜射向待测目标物；激光接收器用于接收目标待测物反射的第二光路，第二光路依次经过转镜、折角振镜的第二反射面，进而到达激光接收器。通过设置折角振镜，能够增大回波光线掠入射时与转镜镜面的夹角，增大回波信号的有效投影面积，从而提高回波信号强度和能量利用率，增加远距离探测量程。换言之，也可以在相同量程的条件下，使用更小的光学口径，从而减小转镜尺寸，降低风阻和功耗。此外，通过特殊设计的折角振镜，能够改变发射光路、接收光路部分同轴的特性，有利于减小振镜尺寸，从而降低振镜边缘的切光程度。本申请提供的汽车包括上述的激光雷达，因此也相应地具有上述的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为传统相关技术中激光雷达探测目标待测物的原理示意图；

图2为本申请一种实施例中激光雷达探测目标待测物的原理示意图；

图3为本申请一种实施例中折角振镜的示意图；

图4为本申请一种实施例中激光雷达水平扫描至左极限位置的示意图；

图5为本申请一种实施例中激光雷达水平扫描至右极限位置的示意图；

图6为传统相关技术中激光雷达水平扫描至左极限位置的示意图；

图7为传统相关技术中激光雷达水平扫描至右极限位置的示意图。

图标：101-激光发射器；102-第一反射镜；103-平面振镜；104-转镜；105-待测目标物；106-第二反射镜；107-激光接收器；203-折角振镜；2031-第一反射面；2032-第二反射面。

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。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。

图1为传统相关技术中激光雷达探测目标待测物的原理示意图。如图1所示，根据图1所示，相关技术中激光雷达包括激光发射器101、第一反射镜102、平面振镜103、转镜104、第二反射镜106和激光接收器107。待测目标物105位于远处。激光发射器101产生激光，依次经过第一反射镜102、平面振镜103、转镜104到达待测目标物105。反射光从待测目标物105原方向返回，依次经过转镜104、平面振镜103、第二反射镜106到达激光接收器107转化为电信号进行处理。其中平面振镜103与发射光线的夹角α一般设为45°，转镜104位于零位时，当前工作面与平面振镜103平行。此时从待测目标物105反射回来的回波光线的有效回波宽度d₀₁=sinθ₀₁*S₀₁ ，θ₀₁为转镜104接收回波光线的接收面与回波光线的夹角，S₀₁为回波光线在转镜104的接收面上投射区域的宽度，其中θ₀₁=α=45°。在图1所示的情况下，照射至平面振镜103的发射光线与反射至转镜的回波光线是平行的，因此存在θ₀₁=α的关系。可以发现：

（1）当S₀₁不变时，θ₀₁越大则d₀₁越大，即有效回波能量更强；

（2）当d₀₁不变时，θ₀₁越大则S₀₁越小，即转镜尺寸可以减小。

此外，传统激光雷达的回波光线在平面振镜103表面的投影尺寸S₀₂=S₀₁=d₀₁/sinθ₀₁。

现有的激光雷达中采用平面型振镜，该类振镜会导致回波光线入射时与转镜镜面的夹角较小，回波信号的有效投影面积较低，导致回波信号强度和能量利用率较低，这样不利于增加远距离探测量程。在量程较长的情况下，需要使用更大的光学口径，从而导致转镜尺寸较大，激光雷达的风阻和功耗会变高。现有技术中，当激光雷达的帧率和角分辨率要求一定时，为了提高水平探测视场，一般会采用的技术方案如下：

（1）整机旋转扫描：使用转台带动整个激光雷达进行旋转扫描，缺点是存在较大的转动部件，可靠性存在隐患，系统功耗增加、尺寸较大；

（2）阵列激光雷达水平视场拼接：使用多个小视场的激光雷达，光轴在不同水平角度方向排布，使相邻雷达之间的视场存在部分重叠区域，利用数据处理和标定的方法拼接出水平大视场，该方案会使激光雷达整体尺寸、成本和数据处理难度增加。

（3）减少转镜面数，提高转速：使用传统单激光发射、振镜加转镜同轴收发扫描的方式，视场要求大则转镜的面数将很少，转速要求会非常高，从而带来风阻增大（风阻与转速和转镜尺寸均为正相关）、转镜电机功耗过高、系统稳态温升增大等一系列问题。同时大视场扫描还会导致边缘视场的回波信号光线掠入射、振镜边缘切光、杂散光等问题，造成激光雷达的量程衰减、盲区增大。

可见上述方案都存在会增加设备尺寸、增加功耗的问题。

为了改善现有相关技术中激光雷达所存在的上述至少一种问题，本申请实施例提供一种激光雷达，通过采用折角振镜，来提高回波信号强度和能量利用率较低，从而达到减小设备尺寸和功耗的目的。本申请实施例还提供一种汽车，包含本申请实施例提供的激光雷达。

图2为本申请一种实施例中激光雷达探测目标待测物的原理示意图；图3为本申请一种实施例中折角振镜203的示意图。如图2、图3所示，本申请实施例提供的激光雷达包括激光发射器101、第一反射镜102、折角振镜203、转镜104、第二反射镜106和激光接收器107。其中折角振镜203可选为一体成型的结构。折角振镜203具有呈夹角设置的第一反射面2031和第二反射面2032，第一反射面2031的法向量与第二反射面2032的法向量呈发散状。换言之，第一反射面2031与第二反射面2032的连接处形成外凸结构，从折角振镜203的截面来看，第一反射面2031与第二反射面2032形成的内角小于180°，外角大于180°。激光发射器101用于形成第一光路，第一光路即为发射光路，第一光路依次经过第一反射镜102、折角振镜203的第一反射面2031、转镜104射向待测目标物105；激光接收器107用于接收目标待测物反射的第二光路，第二光路即反射光路，第二光路依次经过转镜104、折角振镜203的第二反射面2032、第二反射镜106，进而到达激光接收器107。

在本实施例中，第一反射镜102将光束方向改变90°，第二反射镜106将光束方向改变的角度小于90°，由于采用了折角振镜203，因此第一反射镜102到折角振镜203的光束与折角振镜203到第二反射镜106的光束是相互倾斜而非平行的，这与图1的相关技术不同。在可选的实施例中，激光雷达也可以省略第一反射镜102和第二反射镜106。

在本实施例中，第一反射面2031的法向量与第二反射面2032的法向量的夹角为1°~15°，该夹角即等于图3中第一反射面2031相对于第二反射面2032的翻转角γ。在图1的传统激光雷达中，发射光线与平面振镜103的夹角为α，通常角度α设置为45°，使得平面振镜103将发射光束的方向改变90°。而采用了本申请实施例的折角振镜203后，可将第一光路（发射光束）与第一反射面2031的夹角设置为比传统技术（见图1）中入射激光与平面振镜103的夹角略大。在本实施例中，第一反射面2031与发射光线的夹角为α+β，其中α=45°，β＞0°。可以理解，光线与反射面的夹角越大，则越接近于垂直入射，那么接收/反射的能量密度越大，对反射面的尺寸要求越小。

相对于传统激光雷达光学结构，本申请实施例中第一反射面2031与发射光线的夹角以及第二反射面2032与反射光线的夹角均得到了增加。以水平中心视场为0°、激光指向正前方为例，此时α=θ₁₁=θ₀₁，根据几何光学原理可知：转镜104工作面与发射光线和回波光线的夹角均为θ₁₁＋β，此时从待测目标物105反射回来的回波光线的有效回波宽度d₁₁=sin（θ₁₁＋β）*S₁₁ ，且θ₁₁＋β＞θ₀₁，因此可以对比图1和图2两种方案：

（1）当S₁₁=S₀₁时，d₁₁＞d₀₁，即可以接收到更多的回波能量；

（2）当d₁₁=d₀₁时，S₁₁＜S₀₁，即可以缩小转镜104尺寸，从而减小风阻和电机功耗。

同时，由于第一反射面2031和第二反射面2032的之间存在翻转角γ（即两个反射面法向量的夹角），回波光线与第二反射面2032的夹角为θ₁₁＋γ+β，即回波光线在第二反射面2032的投影尺寸S₁₂=d₁₁/sin（θ₁₁＋γ+β），sin（θ₁₁＋γ+β）大于sin（θ₀₁），在d₁₁=d₀₁时，S₁₂＜S₀₂，即回波光线在第二反射面2032的投影尺寸更小，因此转角振镜的长度可以进一步缩小，从而能够优化边缘视场扫描时的振镜切光现象。

当然，在使用平面振镜103时，也可以通过提高入射光线与平面振镜103的夹角为α+β，来减小S₀₁和S₀₂的值，但S₀₂的缩小成都仍然不及本申请实施例中的S₁₂。并且，平面振镜103可能会因为顺时针的偏转导致回波光线被阻挡。另外，采用平面振镜103会导致第一反射镜102与平面振镜103之间的光束平行于第二反射镜106与平面振镜103之间的光束，这种收发光路平行的特性可能导致激光接收器107和激光发射器101的布局受到限制。

在可选的实施例中，第一反射面2031的法向量与第二反射面2032的法向量的夹角为1°~15°，即第一反射面2031与第二反射面2032的翻转角γ为1°~15°。在本实施例中，第一反射面2031的法向量与第二反射面2032的法向量的夹角为5°，即角γ为5°。而角度β可选为3°，即在传统激光雷达基础上，第一反射面2031与发射光线的夹角可在α（取45°）之上增加3°。

图4为本申请一种实施例中激光雷达水平扫描至左极限位置的示意图；图5为本申请一种实施例中激光雷达水平扫描至右极限位置的示意图。如图4和图5所示，本实施例的激光雷达的水平视场范围为±60°、垂直视场范围为±5°。其中激光发射器101的发射激光宽度为2~10mm，在本实施例中选择为8mm；激光接收器107的接收口径不小于30mm，同时尽可能减小转镜104尺寸以便降低用于驱动转镜104转动的电机功耗。可选的，激光雷达的水平视场范围也可以进行调整，比如选用±（50°~70°）；垂直视场范围也可以进行调整，比如选用±（4°~20°）。

设计如图2所示，利用折角振镜203实现垂直方向的视场扫描，折角振镜203范围为

（2°~10°），具体在本实施例中，折角振镜203的转动范围为±2.5°，对应光学垂直视场范围±5°。设计折角振镜203初始安装角度α+β=45°+3°=48°，第一反射面2031和第二反射面2032的翻转角度γ=5°，转镜104工作面基准位置与第一反射面2031平行，对应为0°视场。转镜104工作时顺时针旋转，实现一行扫描，其工作面与基准位置角度为-30°时开始本行扫描，对应-60°视场，如图4所示；转镜104的工作面与基准位置角度为﹢30°时结束本行扫描，对应﹢60°视场，如图5所示。折角振镜203调整俯仰角度，即可实现其他行扫描。

图6为传统相关技术中激光雷达水平扫描至左极限位置的示意图；图7为传统相关技术中激光雷达水平扫描至右极限位置的示意图。下面结合图1至图7，来说明本申请实施例的激光雷达的优点。

本申请实施例和传统相关技术的激光雷达的参数对比如表1所示。

表1：

根据以上表格可以计算，为实现设计目标，传统方案振镜尺寸至少需要11.31mm+42.43mm=53.74mm，本申请实施例的折角振镜203尺寸只需要10.77mm+37.56mm=48.33mm；传统方案的转镜104尺寸至少需要115.91mm才能保证全视场范围内的通光口径，本发明方案转镜104尺寸只需要97.08mm就可以保证全视场范围内的通光口径。可见本申请实施例提供的激光雷达通过采用折角振镜203，能够有效地降低设备的尺寸。

本申请实施例还提供一种汽车（图中未示出），包含本申请上述实施例提供的激光雷达。

综上所述，本申请提供的激光雷达包括激光发射器101、折角振镜203、转镜104以及激光接收器107。折角振镜203包括呈夹角设置的第一反射面2031和第二反射面2032，第一反射面2031的法向量与第二反射面2032的法向量呈发散状，激光发射器101用于形成第一光路，第一光路依次经过折角振镜203的第一反射面2031、转镜104射向待测目标物105；激光接收器107用于接收目标待测物反射的第二光路，第二光路依次经过转镜104、折角振镜203的第二反射面2032，进而到达激光接收器107。通过设置折角振镜203，能够增大回波光线掠入射时与转镜104镜面的夹角，增大回波信号的有效投影面积，从而提高回波信号强度和能量利用率，增加远距离探测量程。换言之，也可以在相同量程的条件下，使用更小的光学口径，从而减小转镜104尺寸，降低风阻和功耗。此外，通过特殊设计的折角振镜203，能够改变发射光路、接收光路部分同轴的特性，有利于减小振镜尺寸，从而降低振镜边缘的切光程度。本申请提供的汽车包括上述的激光雷达，因此也相应地具有上述的有益效果。

以上，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，可轻易想到的变化或替换，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权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括激光发射器、折角振镜、转镜以及激光接收器，所述折角振镜包括呈夹角设置的第一反射面和第二反射面，所述第一反射面的法向量与所述第二反射面的法向量呈发散状，所述激光发射器用于形成第一光路，所述第一光路依次经过所述折角振镜的所述第一反射面、所述转镜射向待测目标物；所述激光接收器用于接收所述待测目标 物反射的第二光路，所述第二光路依次经过所述转镜、所述折角振镜的所述第二反射面，进而到达所述激光接收器。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述第一反射面的法向量与所述第二反射面的法向量的夹角为1°~15°。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述第一反射面的法向量与所述第二反射面的法向量的夹角为5°。

4.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第一反射镜，所述第一反射镜设置于所述第一光路中，用于将所述激光发射器发出的光束反射至所述第一反射面。

5.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第二反射镜，所述第二反射镜设置于所述第二光路中，用于将来自所述第二反射面的光束反射至所述激光接收器。

6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述折角振镜用于通过转动实现所述激光雷达的竖直方向扫描，所述折角振镜的转动范围为

（2°~10°）。

7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述转镜用于通过转动实现所述激光雷达的水平方向扫描，所述激光雷达的水平视场范围为

（50°~70°）。

8.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射器的发射激光宽度为2~10mm。

9.一种汽车，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的激光雷达。

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