CN116413694A - 激光雷达设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达设备，激光雷达设备包括激光发射组件、激光接收组件、分光组件、MEMS微镜和控制电路，激光接收组件包括多个对应分布的探测器像元，每一像元接收一回波激光光束，从而在扫描视场形成多个垂直扫描轨迹，多个扫描轨迹之间的角度分辨率相较于单个扫描轨迹的角度分辨率降低，实现了垂直方向分辨率的提高，无需降低扫描帧率和提高重频即可实现分辨率的提高，从而提高了激光雷达设备的系统性能以及使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达设备。
背景技术
激光雷达设备是通过发射激光束探测目标的速度、位置等特征量的雷达系统。随着激光雷达技术的迅速发展，激光雷达设备的应用视场和规模也日益扩大。
传统的基于MEMS微镜技术的激光雷达多采用单一光源配合阵列探测器或单一光源配合单一探测器组成收发系统，结合MEMS微镜完成对被测物二维空间的扫描探测，在此模式下激光雷达的分辨率受限于MEMS微镜的扫描频率及光源的重频。
其中，垂直扫描分辨率取决于MEMS微镜快慢轴的频率比，在快轴扫描频率恒定的前提下提高垂直扫描分辨率需要降低激光雷达扫描帧率，同时，在提高激光雷达扫描分辨率的同时会提高光源的重频，使光源热效应累加，降低系统性能以及降低光源的寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光雷达设备，旨在解决传统的激光雷达设备在提高垂直分辨率时需降低扫描帧率和提高重频，导致系统性能低和寿命低的问题。
本发明实施例提出了一种激光雷达设备，包括：
激光收发组件，所述激光收发组件包括激光发射组件和与所述激光发射组件对应设置的激光接收组件，所述激光发射组件受激光调制信号触发发射调制脉冲光束，所述激光接收组件用于接收回波激光光束并转换为电信号，其中，所述激光接收组件包括多个对应分布的探测器像元；
分光组件，用于改变在探测空间中与调制脉冲光束同路径的回波激光光束的转播路径；
MEMS微镜，设置于所述分光组件的光束收发方向，并受偏转控制信号触发沿X轴往复偏转和沿Y轴往复旋转，以动态偏转发射至被测物的所述调制脉冲光束的发射角度并形成二维扫描视场，以及将同一方向的回波激光光束反射回所述激光接收组件的多个所述探测器像元；
分别与所述激光发射组件、所述激光接收组件和所述MEMS微镜连接的控制电路，用于分别输出所述激光控制信号和所述偏转控制信号，以及根据所述电信号确定所述被测物的距离信息。
可选地，所述激光发射组件包括激光器组件，所述激光接收组件包括光电探测器，所述光电探测器内设对应分布多个所述探测器像元；
所述激光雷达设备还包括第一光学组件，所述第一光学组件设置于所述分光组件和所述MEMS微镜之间，并用于对光束收发方向上的激光光束进行整形和聚光。
可选地，所述激光发射组件包括激光器组件和发射光学组件，所述激光接收组件包括光电探测器和接收光学组件，所述光电探测器内设对应分布多个所述探测器像元；
所述激光器组件受所述激光调制信号触发发射所述调制脉冲光束，并通过所述发射光学组件整形输出至所述分光组件；
所述接收光学组件将从所述分光组件反射回的回波激光光束聚光输出至所述光电探测器，所述光电探测器将所述回波激光光束转换为所述电信号。
可选地，所述激光雷达设备还包括第二光学组件，所述第二光学组件设置于所述分光组件和所述MEMS微镜之间，并用于对光束收发方向上的激光光束进行整形和聚光。
可选地，所述激光器组件包括合束器和多个激光器；
多个所述激光器分别与所述控制电路连接；
若干个所述激光器触发输出的多路激光光源并通过所述合束器合束输出。
可选地，所述合束器为分光镜或者光波导。
可选地，多个所述探测器像元呈垂直、线阵和阵列中至少一种分布方式设置。
可选地，所述分光组件为挖孔反射镜或者镀膜反射镜。
可选地，所述控制电路包括：
与激光发射组件连接的激光驱动电路，用于根据驱动控制信号触发输出对应大小的所述激光调制信号至所述激光发射组件；
与所述激光接收组件连接的信号处理电路，用于将所述激光接收组件输出的电信号转换为计时信息；
与所述激光驱动电路、所述信号处理电路和所述MEMS微镜分别连接的控制器，用于分别输出所述驱动控制信号和所述偏转控制信号，以及根据所述计时信息确定所述被测物的距离信息。
可选地，所述激光收发组件包括多个，多个所述激光收发组件分别通过所述MEMS微镜进行激光光束的发射和接收，并形成多个二维扫描视场。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：上述的激光雷达设备中，激光接收组件设置多个探测器像元，每一像元接收一回波激光光束，从而在扫描视场形成多个垂直扫描轨迹，多个扫描轨迹之间的角度分辨率相较于单个扫描轨迹的角度分辨率降低，实现了垂直方向分辨率的提高，无需降低扫描帧率和提高重频即可实现分辨率的提高，从而提高了激光雷达设备的系统性能以及使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的激光雷达设备的第一种结构示意图；
图2为本发明实施例提供的激光雷达设备的第一种扫描视场示意图；
图3为本发明实施例提供的激光雷达设备的第二种扫描视场示意图；
图4为本发明实施例提供的激光雷达设备的第二种结构示意图；
图5为本发明实施例提供的激光雷达设备的第三种结构示意图；
图6为本发明实施例提供的激光雷达设备的第四种结构示意图；
图7为图4所示的激光雷达设备中激光器组件的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的激光雷达设备的第五种结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明实施例提出了一种激光雷达设备100。
如图1所示，图1为本发明实施例提供的激光雷达设备100的第一种结构示意图，本实施例中，激光雷达设备100包括：
激光收发组件，激光收发组件包括激光发射组件10和与激光发射组件10对应设置的激光接收组件20，激光发射组件10受激光调制信号触发发射调制脉冲光束，激光接收组件20用于接收回波激光光束并转换为电信号，其中，激光接收组件20包括多个对应分布的探测器像元21；
分光组件30，用于改变在探测空间中与调制脉冲光束同路径的回波激光光束的转播路径；
MEMS微镜40，设置于分光组件30的光束收发方向，并受偏转控制信号触发沿X轴往复偏转和沿Y轴往复旋转，以动态偏转发射至被测物的调制脉冲光束的发射角度并形成二维扫描视场，以及将同一方向的回波激光光束反射回激光接收组件20的多个探测器像元21；
分别与激光发射组件10、激光接收组件20和MEMS微镜40连接的控制电路50，用于分别输出激光控制信号和偏转控制信号，以及根据电信号确定被测物的距离信息。
本实施例中，控制电路50控制激光发射组件10输出对应功率的调制脉冲光束至MEMS微镜40，MEMS微镜40在控制电路50的驱动下绕X轴和Y轴往复偏转，从而使得调制脉冲光束沿水平区域以第一扫描分辨率动态扫描，以及沿垂直区域以第二扫描分辨率动态扫描，形成二维扫描视场，如图2所示，其中，单个探测器像元21接收回波激光光束时，形成垂直角度分辨率为α的扫描视场。
激光接收组件20设置多个探测器像元21，每一像元接收一回波激光光束，从而在扫描视场形成多个垂直扫描轨迹，相邻两个扫描轨迹之间的角度分辨率为α/n，其中，n为探测器像元21的个数，多个扫描轨迹之间的角度分辨率相较于单个扫描轨迹的角度分辨率降低，实现了垂直方向分辨率的提高，如图3所示，当探测器像元21设置两个并依次垂直设置时，垂直扫描轨迹之间的角度分辨率为α/2，角度分辨率减小，预设大小的扫描视场内，垂直方向扫描分辨率提高，在激光雷达扫描帧率不变的情况下提高了垂直方向扫描分辨率，无需降低扫描帧率和提高重频即可实现分辨率的提高，从而提高了激光雷达设备100的系统性能以及使用寿命。
其中，探测器像元21的个数、设置位置可对应设置，根据垂直方向扫描分辨率的大小对应设置，可选地，多个探测器像元21呈垂直、线阵和阵列中至少一种分布方式设置。
根据不同分布方式，形成不同扫描轨迹，例如，如图3所示，当两个探测器像元21垂直分布时，垂直方向上形成两个交错的扫描轨迹，根据不同的扫描轨迹，垂直方向上的扫描分辨率对应变化。
控制电路50包括对应的驱动电路、信号处理电路等，完成对激光发射组件10和MEMS微镜40的驱动工作，以及电信号的处理转换等，同时，根据电信号的大小确定待测物200的距离信息，实现激光探测功能。
同时，激光发射组件10输出的调制脉冲光束至少包括一路激光脉冲，激光发射组件10的数量或者激光发射组件10内用于发射激光脉冲的激光发射单元的数量可根据二维扫描视场的分辨率进行具体设置，同时，激光接收组件20对应于激光发射组件10设置，同样可设置一个或者多个。
为了提高扫描视场扫描区域，进而提高探测精度，可选地，激光收发组件包括多个，多个激光收发组件分别通过MEMS微镜40进行激光光束的发射和接收，并形成多个二维扫描视场。
本实施例中，每一激光发射组件10和激光接收组件20完成一束调制脉冲光束的发射和接收，从而实现对同一视场不同扫描区域的动态扫描，例如当激光收发组件包括三个时，其输出三束调制脉冲光束，三束调制脉冲光束通过MEMS微镜40偏转后反馈至同一视场的二维动态扫描平面中的不同扫描区域，同时，每一激光接收组件20包括多个对应分布的探测器像元21，当分别包括两个垂直分布的探测器像元21时，则会形成三个如图3所示的扫描视场，每一激光收发完成不同区域的动态扫描，当被测物落在任一扫描区域时，均可实现对被测物的距离信息的探测确定。
分光组件30用于改变在探测空间中回波激光光束的转播路径，使从MEMS微镜40反射回的激光回波光束发送至激光接收组件20，分光组件30可为对应类型的光学透镜，可选地，分光组件30为挖孔反射镜或者镀膜反射镜，当为挖孔发射镜时，挖孔位置与发射光束主光线同轴，挖孔面积不小于6mm2，用于发射光束透射，其余部分镀反射膜，回波激光光束经反射膜反射后改变原有传播路径进入激光接收组件20。
当分光组件30为镀膜反射镜时，镀膜位置与发射光束主光线同轴，镀膜面积不低于6mm2，膜层为对应光源波长的增透膜，用于发射光束透射，其余部分镀反射膜，回波激光光束经反射膜反射后改变原有传播路径进入激光接收组件20。
激光发射组件10和激光接收组件20可采用对应的激光器111、光电探测器22等，具体结构不限。
在一可选实施例中，激光发射组件10包括激光器组件11，激光接收组件20包括光电探测器22，光电探测器22内设对应分布多个探测器像元21；
激光雷达设备100还包括第一光学组件61，第一光学组件61设置于分光组件30和MEMS微镜40之间，并用于对光束收发方向上的激光光束进行整形和聚光。
本实施例中，第一光学组件61用于实现对激光发射组件10发送的调制脉冲光束的整形输出，同时，实现对回波激光光束的聚光输出，激光器组件11受控制电路50的驱动触发输出对应功率大小的调制脉冲光束，同时，光电探测器22完成对回波激光光束的光电转换，并输出电信号至控制电路50，控制电路50根据电信号确定待测物200的距离信息。
在另一可选实施例中，激光发射组件10包括激光器组件11和发射光学组件12，激光接收组件20包括光电探测器22和接收光学组件23，光电探测器22内设对应分布多个探测器像元21；
激光器组件11受激光调制信号触发发射调制脉冲光束，并通过发射光学组件12整形输出至分光组件30；
接收光学组件23将从分光组件30反射回的回波激光光束聚光输出至光电探测器22，光电探测器22将回波激光光束转换为电信号。
本实施例中，光学系统与激光收发组件设置为一体，激光去组件在控制电路50的驱动下发射调制脉冲光束，调制脉冲光束经发射光学组件12整形后透射过分光组件30入射至MEMS微镜40，经被测物反射回来的回波激光光束经MEMS微镜40偏转后入射至分光组件30，经分光组件30反射后入射至接收光学组件23，接收光学组件23将反射光束汇聚于光电探测器22中，实现光电转换，并输出至控制电路50，完成激光测距。
为了进一步提高光束的收发效果，当光学系统与激光收发组件设置为一体，时，如图6所示，激光雷达设备100还包括第二光学组件62，第二光学组件62设置于分光组件30和MEMS微镜40之间，并用于对光束收发方向上的激光光束进行整形和聚光，通过第二光学组件62实现对调制脉冲光束和回波激光光束的进一步整形和聚光，提高收发效果，进一步提高检测精度。
上述各光学组件可采用对应的光学透镜，实现光束的偏转、传送和汇聚，光电探测器22可为对应类型和电路结构的光电探测器22，具体类型和结构不限。
同时，每一激光发射组件10的结构可根据调制脉冲光束的发射频率对应设置，如图7所示，可选地，激光器组件11包括合束器112和多个激光器111，多个激光器111分别与控制电路50连接，若干个激光器111触发输出的多路激光光源并通过合束器112合束输出。
可以理解的是，降低激光器111的平均重频能够有效降低重频过高而产生的热量，进而提高激光器111的寿命，其中，重频指的是单位时间内，光源发射的重复频率，为了提高激光器111的工作稳定性和使用寿命，同时，保证激光发射组件10具有一定大小的重频，实现多光源出射脉冲光束发射角及扫描区域的一致性，本实施例中，每一激光发射组件10中设置有多个激光器111，每一激光器111发射一路激光光源，经合束器112输出，合束成一路调制脉冲光束，各激光器111在控制电路50的控制下按照一定时间间隔交错发光，从而降低了单个激光器111的平均重频。
其中，合束器112可采用对应的光学透镜、光纤等结构，可选地，合束器112为分光镜或者光波导，光波导可为光纤或者其他光波导，通过合束器112对多个激光器111的合束输出，使得单个激光器111的平均重频由N下降至N/n。
如图8所示，可选地，控制电路50包括：
与激光发射组件10连接的激光驱动电路51，用于根据驱动控制信号触发输出对应大小的激光调制信号至激光发射组件10；
与激光接收组件20连接的信号处理电路52，用于将激光接收组件20输出的电信号转换为计时信息；
与激光驱动电路51、信号处理电路52和MEMS微镜40分别连接的控制器53，用于分别输出驱动控制信号和偏转控制信号，以及根据计时信息确定被测物的距离信息。
本实施例中，激光驱动电路51的受控端和MEMS微镜40的受控端分别与控制器53的控制端连接，信号处理电路52的信号端与控制器53的信号端连接。
工作时，控制器53同步输出驱动控制信号和偏转控制信号，激光驱动电路51根据驱动控制信号驱动激光发射组件10发射出对应功率大小的调制脉冲光束，调制脉冲光速经MEMS微镜40反射至待测物200，以及回波激光光束经MEMS微镜40、分光组件30反射至信号处理电路52，信号处理电路52实现模数转换，将激光接收组件20输出的电信号转换为数字类型的计时信息，控制器53根据计时信息确定被测物的距离信息，例如速度、距离等。
其中，激光驱动电路51包括对应结构的电源转换电路，例如充电电路、放电电路等结构，通过充放电转换，点亮激光器111，同时，信号处理电路52可采用对应类型的信号处理器，例如模数转换器，滤波器等结构，控制器53可采用单片机、微处理器、中央处理器等结构，各模块电路的具体结构不限。
以上所述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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光雷达设备，其特征在于，包括：
激光收发组件，所述激光收发组件包括激光发射组件和与所述激光发射组件对应设置的激光接收组件，所述激光发射组件受激光调制信号触发发射调制脉冲光束，所述激光接收组件用于接收回波激光光束并转换为电信号，其中，所述激光接收组件包括多个对应分布的探测器像元；
分光组件，用于改变在探测空间中与调制脉冲光束同路径的回波激光光束的转播路径；
MEMS微镜，设置于所述分光组件的光束收发方向，并受偏转控制信号触发沿X轴往复偏转和沿Y轴往复旋转，以动态偏转发射至被测物的所述调制脉冲光束的发射角度并形成二维扫描视场，以及将同一方向的回波激光光束反射回所述激光接收组件的多个所述探测器像元；
分别与所述激光发射组件、所述激光接收组件和所述MEMS微镜连接的控制电路，用于分别输出所述激光控制信号和所述偏转控制信号，以及根据所述电信号确定所述被测物的距离信息。
2.如权利要求1所述的激光雷达设备，其特征在于，所述激光发射组件包括激光器组件，所述激光接收组件包括光电探测器，所述光电探测器内对应分布多个所述探测器像元；
所述激光雷达设备还包括第一光学组件，所述第一光学组件设置于所述分光组件和所述MEMS微镜之间，并用于对光束收发方向上的激光光束进行整形和聚光。
3.如权利要求1所述的激光雷达设备，其特征在于，所述激光发射组件包括激光器组件和发射光学组件，所述激光接收组件包括光电探测器和接收光学组件，所述光电探测器内设对应分布多个所述探测器像元；
所述激光器组件受所述激光调制信号触发发射所述调制脉冲光束，并通过所述发射光学组件整形输出至所述分光组件；
所述接收光学组件将从所述分光组件反射回的回波激光光束聚光输出至所述光电探测器，所述光电探测器将所述回波激光光束转换为所述电信号。
4.如权利要求3所述的激光雷达设备，其特征在于，所述激光雷达设备还包括第二光学组件，所述第二光学组件设置于所述分光组件和所述MEMS微镜之间，并用于对光束收发方向上的激光光束进行整形和聚光。
5.如权利要求2或3所述的激光雷达设备，其特征在于，所述激光器组件包括合束器和多个激光器；
多个所述激光器分别与所述控制电路连接；
若干个所述激光器触发输出的多路激光光源并通过所述合束器合束输出。
6.如权利要求5所述的激光雷达设备，其特征在于，所述合束器为分光镜或者光波导。
7.如权利要求1所述的激光雷达设备，其特征在于，多个所述探测器像元呈垂直、线阵和阵列中至少一种分布方式设置。
8.如权利要求1所述的激光雷达设备，其特征在于，所述分光组件为挖孔反射镜或者镀膜反射镜。
9.如权利要求1所述的激光雷达设备，其特征在于，所述控制电路包括：
与激光发射组件连接的激光驱动电路，用于根据驱动控制信号触发输出对应大小的所述激光调制信号至所述激光发射组件；
与所述激光接收组件连接的信号处理电路，用于将所述激光接收组件输出的电信号转换为计时信息；
与所述激光驱动电路、所述信号处理电路和所述MEMS微镜分别连接的控制器，用于分别输出所述驱动控制信号和所述偏转控制信号，以及根据所述计时信息确定所述被测物的距离信息。
10.如权利要求1所述的激光雷达设备，其特征在于，所述激光收发组件包括多个，多个所述激光收发组件分别通过所述MEMS微镜进行激光光束的发射和接收，并形成多个二维扫描视场。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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