CN116559886A - 激光雷达及终端设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种激光雷达及终端设备。在该激光雷达中，通过利用多面扫描转镜接收返回光，有利于保证接收返回光的镜面具有足够的面积，从而增大激雷达的视场角度和测量距离。通过使对应激光雷达的多个激光束的夹角进行设定，能够增大垂直视场的预定区域的点云密度；通过使进行水平方向扫描的多面扫描转镜在扫描激光的过程中适应性改变转速，能够增大水平视场的预定区域的点云密度。由此，在不增大激光雷达的尺寸、成本和功耗且激光雷达的帧率不减小的条件下，能够兼顾激光雷达的视场角度、测量距离和视场中预定区域的点云密度。采用上述激光雷达的终端设备包括但不限于例如车辆等的交通运输设备。

Description

激光雷达及终端设备

技术领域

本申请涉及利用激光扫描检测外部环境的领域，具体地涉及一种激光雷达及终端设备。

背景技术

激光雷达是通过发射激光进行扫描并探测目标物反射的返回光，来实现探测目标的特征量的装置。激光雷达的基本原理是：发射组件发射一定功率的激光，经过光学组件进行反射穿过大气传输辐射到目标物上，目标物反射的返回光由探测组件接收，再由信号处理单元提取返回光中的有用信息。因此，一个完整的激光雷达应当包括发射组件、光学组件、探测组件和信号处理系统。例如，在一个激光雷达的典型的示例中，激光雷达可以发射高斯型脉冲波形，经扩束后由二维光学扫描系统指向目标物，从目标物反射回的返回光由高灵敏度的雪崩二极管探测器探测，雪崩二极管探测器的输出由高速数据采集卡送入计算机进行处理。

对于激光雷达尤其是二维扫描激光雷达而言，视场角度、测量距离和点云密度是激光雷达的重要参数。在实现二维扫描的激光雷达中，如果采用微机电系统振镜实现激光二维扫描且接收反射的返回光，则导致激光雷达的视场角度和测量距离较小。如果通过大量增加发射组件的激光器和探测组件的探测器来增大点云密度，则对激光雷达的尺寸、成本和功耗造成非常大的负面影响。因此，在二维扫描激光雷达的实际应用过程中，需要在不增大激光雷达的尺寸、成本和功耗且激光雷达的帧率不减小的条件下，兼顾视场角度、测量距离和点云密度三者的性能。

发明内容

有鉴于此，提出了一种激光雷达，该激光雷达能够在不增大激光雷达的尺寸、成本和功耗且激光雷达的帧率不减小的条件下，兼顾视场角度、测量距离和点云密度三者。还提出了一种包括上述激光雷达的终端设备，该终端设备具有同样的效果。

为此，本申请采用如下的技术方案。

第一方面，本申请的实施例提供了一种激光雷达，所述激光雷达包括：

发射组件，其用于发射多路激光，所述多路激光的光轴位于同一平面内，在所述平面内所述多路激光相对于基准线对称分布，相对所述基准线靠外侧分布的激光的光轴与所述基准线的夹角大于靠内侧的激光的光轴与所述基准线的夹角；

光学组件，其包括反光镜、第一光学器件和第二光学器件，所述多路激光穿过所述反光镜中的通孔顺次入射到所述第一光学器件和所述第二光学器件，所述第一光学器件用于对所述多路激光进行垂直方向扫描，所述第二光学器件为能够非匀速转动的多面扫描转镜，用于对所述多路激光进行水平方向扫描，所述第二光学器件还用于接收所述多路激光被目标物反射的返回光并通过所述第一光学器件射入探测组件；以及

所述探测组件，其用于探测所述返回光。

通过采用上述技术方案，一方面，通过利用多面扫描转镜接收返回光，有利于保证接收返回光的镜面具有足够的面积，从而增大激雷达的视场角度和测量距离。另一方面，通过使发射组件多路激光中靠近基准线的激光与基准线的夹角较小，有利于以简单的布局改变激光雷达的激光在垂直视场上的数量密度。这样，通过使对应激光雷达的垂直视场的预定区域的激光的数量密度最大，在采集帧数以及其它参数不变的情况下，单个点云图像中在垂直视场的预定区域中的采集点密度最大，从而能够增大垂直视场的预定区域的点云密度；通过使进行水平方向扫描的多面扫描转镜在扫描激光的过程中适应性改变转速，能够增大预定区域的水平视场的点云密度。由此，在不增大激光雷达的尺寸、成本和功耗且激光雷达的帧率不减小的条件下，能够兼顾激光雷达的视场角度、测量距离和视场中预定区域的点云密度。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，所述发射组件包括多个激光器，每个所述激光器能够发射一路所述激光，所述多个激光器发射所述多路激光；或者

所述发射组件包括一个激光器以及分光系统，所述一个激光器发射的激光经过所述分光系统分成所述多路激光。

通过采用上述技术方案，可以根据激光雷达应用的不同场景使用不同的发射组件。在使用多个激光器的情况下，由于对各激光器的性能要求不高，因而能够降低成本；在使用一个激光器的情况下，能够节省对应的空间并简化安装过程。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，当所述发射组件包括多个激光器时，所述发射组件包括中间激光器和两侧激光器，所述两侧激光器位于所述中间激光器的两侧，多个所述中间激光器发射的激光通过垂直方向扫描得到第一垂直视场角度，每一个所述两侧激光器发射的激光通过垂直方向扫描分别得到第二垂直视场角度，所述第一垂直视场角度和所述第二垂直视场角度两者的角度大小相同。

通过采用上述技术方案，提出了一种易于实施的技术方案。在采用多个激光器的情况下，由于多个中间激光器与单个两侧激光器对应的垂直视场角度相同，因而单个点云图像中在多个中间激光器对应的区域采集点密度最大，使得垂直视场中对应多个中间激光器的预定区域的点云密度较大。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，所述第一垂直视场角度和所述第二垂直视场角度的大小均为10度，

通过采用上述技术方案，在采用多个激光器的一个可选方案中，限定了多个中间激光器和单个两侧激光器对应的垂直视场角度的优选示例，有利于构造具有足够大垂直视场角度的激光雷达。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，所述中间激光器的数量为3个，相邻的所述中间激光器发射的激光之间的夹角为2度，所述两侧激光器的数量为2个。

通过采用上述技术方案，在采用多个激光器的一个可选方案中，限定了激光器的数量和中间激光器发射的激光之间夹角的优选示例，有利于以较高性价比的方案实现激光雷达。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，所述中间激光器的数量为8个，相邻的所述中间激光器发射的激光之间的夹角为0.28度，所述两侧激光器的数量为2个。

通过采用上述技术方案，在采用多个激光器的另一个可选方案中，限定了激光器的数量和中间激光器发射的激光之间夹角的优选示例，有利于以较高性价比的方案实现预定区域的点云密度足够大的激光雷达。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，所述中间激光器的垂直视场的角分辨率为0.03125度，所述两侧激光器的垂直视场的角分辨率为0.25度。

通过采用上述技术方案，在采用多个激光器的另一个可选方案中，对应中间激光器的垂直视场的角分辨率能够达到非常高的精度。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，所述多面扫描转在其每个镜面扫描所述多路激光的过程中，当进行扫描的所述镜面位于第一转动区域时，所述多面扫描转镜的转速最小，其中，所述第一转动区域扫描得到所述激光雷达的水平视场的中心区域。

通过采用上述技术方案，能够使进行水平方向扫描的多面扫描转镜的各镜面在扫描激光的过程中在第一转动区域内的转速最小，由此采集帧数以及其它参数不变的情况下，单个点云图像中在水平视场的与第一转速区域对应的预定区域中的采集点密度最大，从而增大水平视场的预定区域的点云密度。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，所述多面扫描转镜在其每个镜面扫描所述多路激光的过程中转速先减小后增大。

通过控制信号控制激光雷达的转速先减小后增大，使得多面扫描转镜的镜面处于第一转速区域内的转速最小，从而能够增大水平视场的与第一转速区域对应的预定区域的点云密度。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，所述第二光学器件在其每个镜面扫描所述多路激光的过程中，当与所述激光雷达的水平视场的预定区域对应时，所述第二光学器件的转速最小。

通过控制信号控制激光雷达的转速，能够使得水平视场的预定区域的点云密度最大。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，所述多面扫描转镜的每个镜面沿转动方向依次转动到第一工位、第二工位、第三工位、第四工位、第五工位以及第六工位，其中，所述第三工位与所述第四工位之间的转动区域为所述第一转动区域，

当所述镜面自所述第一工位转动至所述第二工位的过程中，所述多面扫描转镜的转速为V1；

当所述镜面自所述第二工位转动至所述第三工位的过程中，所述多面扫描转镜的转速为V2，V2<V1；

当所述镜面自所述第三工位转动至所述第四工位的过程中，所述多面扫描转镜的转速为V3，V3<V2；

当所述镜面自所述第四工位转动至所述第五工位的过程中，所述多面扫描转镜的转速为V2；

当所述镜面自所述第五工位转动至所述第六工位的过程中，所述多面扫描转镜的转速为V1。

通过采用上述技术方案，电机设置六个不同的工位并且在相邻工位之间转动过程中采用不同的转速，由此单个点云图像中与不同的转速对应的区域中的采集点密度不同，也就是点云密度不同。进一步地，转速越小，点云图像中采集点的密度越大，点云密度越大。也就是说，通过采用上述技术方案，利用转速实现每个镜面在多面转镜转动过程中增大水平视场的预定区域的点云密度。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，在每一个所述镜面的扫描开始到扫描结束的过程中所述多面扫描转镜的电机旋转90度的机械角度，所述第一工位为所述电机位于0度的位置，第二工位为所述电机位于22.5度的位置，所述第三工位为所述电机位于37.5度的位置，所述第四工位为所述电机位于52.5度的位置，所述第五工位为所述电机位于67.5度的位置，所述第六工位为所述电机位于90度的位置。

通过设置上述技术参数，能够保证水平视场中心区域(对应电机在37.5度至52.5度的转动过程)的点云密度最大。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，所述第一光学器件为多面扫描转镜或者一维振镜。

通过采用上述技术方案，在第一光学器件采用多面扫描转镜的情况下，能够进一步保证激光雷达的视场角度和测量距离。而在第一光学器件采用一维振镜的情况下，与采用多面扫描转镜相比能够降低成本。

在根据第一方面的一种可能的实施方式中，所述第二光学器件采用有斜度的梯面镜，所述第二光学器件位于所述第一光学器件的侧上方。

提高了本申请的激光雷达的结构布局的灵活性，使得激光雷达可以适用于不同的应用场景。

第一方面，本申请的实施例提供了一种终端设备，所述终端设备包括以上技术方案中任意一项技术方案所述的激光雷达。

提供了激光雷达的可选应用场景。

在根据第二方面的一种可能的实施方式中，所述终端设备为车辆。

有益效果，提供了激光雷达的典型应用场景。

本申请的这些和其他方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本申请的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本申请的原理。

图1A是示出了根据本申请的第一实施例的激光雷达的结构的示意图。

图1B是示出了图1A中的激光雷达工作过程中产生的部分扫描横线的图。

图1C是用于说明图1A中的激光雷达的垂直视场的点云密度的图。

图1D是用于说明图1A中的激光雷达的垂直视场和水平视场的点云密度的图。

图2A是示出了根据本申请的第二实施例的激光雷达的结构的示意图。

图2B是示出了图2A中的激光雷达工作过程中产生的部分扫描横线的图。

图2C是用于说明图2A中的激光雷达的垂直视场和水平视场的点云密度的图。

图3是示出了根据本申请的第三实施例的激光雷达的结构的示意图。

图4是示出了根据本申请的第四实施例的激光雷达的结构的示意图。

附图标记说明

1发射组件 11激光器 111中间激光器 112两侧激光器 12发射光透镜 13分光器2光学组件 21反光镜 22一维振镜 23多面扫描转镜 3探测组件 31返回光透镜 32探测器。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本申请的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本申请，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本申请同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件未作详细描述，以便于凸显本申请的主旨。

在本申请中，“数量密度”是指激光雷达在其垂直视场的预定区域内进行扫描的激光的数量与该区域对应的视场角度之间的比值。

在本申请中，发射组件发射的多路激光是指通过发射组件的激光器发射的激光经由必要的光学系统产生汇聚之后的多路激光。另外，两路激光之间的夹角是指这两路激光的光轴之间的夹角。

在本申请中，“反光镜”是用于使入射的光束发生偏转的反射光学元件。

在本申请中，“振镜”是由光学部件与摆动电机组成的一个高精度、高速度伺服控制系统。在输入一个位置信号之后，摆动电机就会按一定电压与角度的转换比例使光学部件摆动一定角度。整个过程可以采用闭环反馈控制，由位置传感器、误差放大器、功率放大器、位置区分器、电流积分器等控制电路共同作用。“一维振镜”是指只能进行一个转动自由度的动作的振镜。

在申请中，“多面扫描转镜”是利用多个镜面能够使入射光束按照特定的方式和时间顺序进行反射的光学元件，用于实现光束的偏转。本申请的多面扫描转镜典型地是指具有多个平面镜面的扫描转镜，其具有光学部件和电机。

在本申请中，“返回光透镜”是用于返回光的透镜，该透镜是利用透明物质制成的表面为曲面的折射光学元件。

在本申请中，“探测器”是指光探测器或光检测器，其能够将入射的光转换成相应的电信号。

在本申请中，垂直视场的“中心区域”是指包括从垂直视场的中心线朝向两侧延展预定角度的区域，该区域的角度根据需要可以任意设定。水平视场的“中心区域”是指包括从水平视场的中心线朝向两侧延展预定角度的区域，该区域的角度根据需要可以任意设定。

在本申请中，“预定区域”并非特指上述中心区域，而是可以根据采用激光雷达的设备的需要在激光雷达的视场范围内选择的不同区域，该预定区域在视场范围内的位置以及大小均可以根据需要进行调整。

以下阐述本申请的技术构思，在本申请的激光雷达中，一方面，发射组件发射的多路激光位于同一平面内，在该平面内多路激光相对于基准线对称分布，并使得相对基准线靠外侧分布的激光的光轴与所述基准线的夹角大于靠内侧的激光的光轴与所述基准线的夹角；另一方面，第二光学器件为转速可变以能够非匀速转动的多面扫描转镜，用于对多路激光进行水平方向扫描且先于第一光学器件接收多路激光被目标物反射的返回光。这样，通过利用多面扫描转镜接收返回光，有利于保证接收返回光的镜面具有足够的面积，从而增大激雷达的视场角度和测量距离。通过使发射组件多路激光中靠近基准线的激光与基准线的夹角较小，有利于以简单的布局改变激光雷达的激光在垂直视场上的数量密度，这样，通过使对应激光雷达的垂直视场的预定区域的激光的数量密度最大，在采集帧数以及其它参数不变的情况下，单个点云图像中在垂直视场的预定区域中的采集点密度最大，从而能够增大垂直视场的对应区域的点云密度；通过使进行水平方向扫描的多面扫描转镜在扫描激光的过程中适应性改变转速，能够增大水平视场的预定区域的点云密度。由此，在不增大激光雷达的尺寸、成本和功耗且激光雷达的帧率不减小的条件下，能够兼顾激光雷达的视场角度、测量距离和视场中预定区域的点云密度。

以下结合说明书附图说明根据本申请的第一实施例的激光雷达。

(根据本申请的第一实施例的激光雷达)

如图1A所示，根据本申请的第一实施例的激光雷达为二维扫描激光雷达，该激光雷达包括发射组件1(包括并排布置的五个激光器11)、光学组件2(包括反光镜21、一维振镜22、多面扫描转镜23)以及探测组件3(包括返回光透镜31和探测器32)。

在本实施例中，发射组件1的五个激光器11发射的激光以会聚的方式朝向光学组件2传输，这些激光在发射组件1内实现准直，由此在激光传输过程中其光径(光斑半径)保持不变。发射组件1发射的多路激光穿过光学组件2的反光镜21。之后多路激光入射到光学组件2的一维振镜22(可以是一维微机电系统振镜)，通过一维振镜22对多路激光进行垂直方向扫描(一个维度的扫描)；之后通过光学组件2的多面扫描转镜23对多路激光进行水平方向扫描(与上述一个维度正交的另一个维度的扫描)。在多路激光传输的过程中，一旦激光遇到目标物而被目标物漫反射之后，返回光再通过多面扫描转镜23、一维振镜22和反光镜21的折射后，入射到探测组件3的返回光透镜31(可以根据需要选择其它的光学系统)中对返回光进行会聚等操作，最后被探测组件3的探测器32收集。

以下说明本申请的激光雷达保证具有足够大的测量距离和视场角度的方案。

关于激光雷达的测量距离，经过发明人研究发现，限制激光雷达的测量距离最重要的因素是接收返回光的镜面的大小。在激光发射功率和目标物反射率不变的情况下，接收返回光的镜面越大，激光雷达的探测组件所能接收到的光子数就越多。由于微机电系统振镜的镜面变大之后可靠性难以得到保证且成本大幅增加，而且微机电系统振镜的镜面变大后需要提升振动频率来保证激光雷达的帧率，所以在那些仅采用微机电系统振镜实现二维扫描的激光雷达一般测量距离都不足。相比之下，如果激光雷达多采用多面扫描转镜接收返回光，由于多面扫描转镜的镜面比较大的优点，因而显著改善了测量距离。基于上述研究结果，在本实施例中，多面扫描转镜23不仅用于进行水平方向扫描，而且还用于接收返回光，由此保证了激光雷达的测量距离。

关于激光雷达的视场角度，经过发明人研究发现，多面扫描转镜能够进行360度快速旋转，有利于保证激光雷达的视场角度。具体地，在本申请中，水平视场角度由多面扫描转镜的面的数量N决定，具体为2×(360/N)度。进一步地，在本实施例中，当N＝4时，水平视场角度能够达到180度，在实际应用中可能会稍小于这个角度。相比之下，一维振镜只能在较小的预定范围内枢转，因而难以实现这样大的视场角。基于上述研究结果，多面扫描转镜23不仅用于进行水平方向扫描，由此保证了激光雷达的视场角度。

关于激光雷达的成本，如果在不考虑成本因素的情况下，可以利用另一多面扫描转镜来对多路激光进行垂直方向扫描。但是，多面扫描转镜要求使用精度很高的编码器来作为旋转多面扫描转镜的位置检测，使得整个多面扫描转镜的成本较高。而激光雷达的垂直视场角度一般在10度至40度之间，因此能够通过一维振镜来实现。由此，考虑到成本因素，在本实施例中，利用一维振镜22来进行垂直视场扫描。

综合以上因素，利用一维振镜22实现垂直方向扫描，利用多面扫描转镜23实现水平方向扫描以及接收被目标物反射的返回光，有利于在不增大激光雷达的尺寸、成本和功耗的条件下兼顾激光雷达的测量距离和视场角度。

以下说明增大激光雷达的垂直视场的预定区域(例如中心区域)的点云密度的方案。

在本实施例中，利用一维振镜22以慢轴的方式进行垂直方向扫描，利用多面扫描转镜23以快轴的方式进行水平方向扫描，所以每一个激光器11发射的激光入射到一维振镜22和多面扫描转镜23之后，就会形成如图1B所示那样的扫描横线。

为了便于说明，提出一种多路激光在垂直视场中均匀分布的比较例。在该比较例中，激光雷达的垂直视场角度为30度，五个激光器发射的五路激光是均匀分布的，每一个激光器发射的激光对应6度的垂直视场角度。也就是说，在该比较例中，由于激光都是均匀分布的，因而在整个垂直视场中各区域的激光密度相同，由此在垂直视场上的点云密度是相同的。也就是说扫描横线的分布是均匀的(参照图1B)，角分辨率在各个区域是不变的。

与上述比较例相比，在本实施例中，激光雷达的垂直视场角度为30度，但是五个激光器发射的五路激光不是均匀分布的。具体地，首先将三个激光器11在整个垂直视场角度中均匀分布，使得三个激光器11发射的三路激光均匀分布在30度垂直视场角度范围内，其中每一个激光器11发射的激光对应10度的垂直视场角度。设在每一张点云图像中每路激光对应的扫描横线的数量为M1，则这三路激光在整个垂直视场内的角分辨率即为10/M1度。另外，将两个激光器11布置在靠近上述三个激光器11的中央激光器11的两侧且靠近该中央激光器11，使得后布置的激光器11与上述中央激光器11发射的激光的光轴之间的夹角很小(例如为2度)。这样，在中央激光器11发射的激光为基准激光的情况下，在预定范围内存在包含这路基准激光和紧挨这路基准激光的两路激光共三条激光的扫描横线，由此激光雷达的垂直视场的中心区域的10度范围内的角分辨率为(10/M1)/3度。在本实施例中，中央激光器11和靠近其布置的两个激光器11可以视为本申请的中间激光器，其余两个激光器11可以视为两侧激光器。这样，通过使靠近中央激光器11的激光器11发射的激光的光轴与中央激光器11发射的激光的光轴之间的夹角较小，而两侧激光器11发射的激光的光轴与中央激光器11发射的激光的光轴之间的夹角较大，增加了与激光雷达的垂直视场的预定区域(例如中心区域)对应的激光数量以增大该预定区域的激光数量密度，能够使得在该区域中具有更多的激光扫描横线，最终如图1C所示激光雷达的垂直视场的预定区域(中心区域)内的点云密度变大。

以下说明增大激光雷达的水平视场的预定区域(例如中心区域)的点云密度的方案。

在本实施例中，为了增大水平视场的预定区域(例如中心区域)的点云密度，需要使多面扫描转镜23的电机非匀速运转。在本实施例中，如图1A所示，多面扫描转镜23为具有四个镜面的多面镜，按照之前说明的计算水平视场角度的公式，每一个镜面可以形成最大180度的水平视场角度，这对应多面扫描转镜23的电机旋转90度的机械角度。

为了便于说明，对应每一个镜面，设期望水平视场的点云密度最大的区域为中心区域且该中心区域的视场角度为30度，该中心区域两侧点云密度次密的区域的视场角度分别为30度，而最靠外侧的点云密度最稀疏的区域的视场角度分别为45度，那么可以通过控制多面扫描转镜23，使多面扫描转23在其每个镜面扫描多路激光的过程中，当进行扫描的镜面位于与中心区域对应的第一转动区域时多面扫描转镜的转速最小。而且当进行扫描的镜面位于其它区域时转速适当改变。具体地，多面扫描转镜23的每个镜面沿转动方向能够依次转动到第一工位、第二工位、第三工位、第四工位、第五工位以及第六工位。在本实施例中，第三工位与第四工位之间的转动区域为第一转动区域。当镜面自第一工位转动至第二工位的过程中，多面扫描转镜的转速为V1；当镜面自第二工位转动至第三工位的过程中，多面扫描转镜的转速为V2，V2<V1；当镜面自第三工位转动至第四工位的过程中，多面扫描转镜的转速为V3，V3<V2；当镜面自第四工位转动至第五工位的过程中，多面扫描转镜的转速为V2；当镜面自第五工位转动至第六工位的过程中，多面扫描转镜的转速为V1。进一步地，第一工位为电机位于0度的位置，第二工位为电机位于22.5度的位置，第三工位为电机位于37.5度的位置，第四工位为电机位于52.5度的位置，第五工位为电机位于67.5度的位置，第六工位为电机位于90度的位置。也可以说，可以通过控制多面扫描转镜23的电机可以使得多面扫描转镜23处于三种不同的工作状态，在不同的工作状态多面扫描转镜23的转速不同。具体地，在电机以对应第一工作状态的转速V1从0度转到22.5度的机械角度之后，转速迅速减小到V2且电机以对应第二工作状态的转速V2转到37.5度的机械角度之后，转速迅速减小到V3且电机以对应第三工作状态的转速V3转到52.5度之后，转速迅速增大到V2且电机以对应第二工作状态的转速V2转到67.5度之后，转速迅速增大到V1且电机以对应第一工作状态的转速V1从67.5度转到90度的机械角度，由此完成了多面扫描转镜23的一个镜面的扫描过程。通过采用这样的方案，在多面扫描转镜23的一个镜面的扫描过程中，由于电机从37.5度到52.5度这15度转动最慢，点云图像与转速最慢对应的区域内的采集点越密集，因而对应水平视场的视场角度为30度的中心区域的点云密度最大，同理该对应该中心区域的两侧各30度的区域的点云密度次之，最外侧的各45度的区域的点云密度最稀疏。这样，在本实施例中，与图1C所示的垂直视场的点云密度的图叠加，得到了图1D所示的激光雷达的点云密度的效果图。

通过采用上述方案，在不增大激光雷达的尺寸、成本和功耗且激光雷达的帧率不减小的条件下，能够实现本申请的兼顾测量距离、视场角度和预定区域的点云密度的方案。

以下结合说明书附图说明根据本申请的第二实施例的激光雷达。

(根据本申请的第二实施例的激光雷达)

如图2A所述，根据本申请的第二实施例的激光雷达与根据本申请的第一实施例的激光雷达两者实现本申请的目的的原理相同，以下主要说明两者之间在结构上的不同之处。

在本实施例中，如图2A所示，发射组件1包括多个激光器11和发射光透镜12，多个激光器11包括布置在中间的多个中间激光器111和布置在这些中间激光器111两侧的较远位置的两侧激光器112。对于这些中间激光器111，通过发射光透镜12使得它们发射的多路激光会聚。通过发射光透镜12折射后的中间激光器111的激光，相邻的两路激光的光轴彼此之间的夹角具有较小的角度。相比之下，两侧激光器112的激光的光轴与任意中间激光器111的激光的光轴之间的夹角具有较大的角度。

以下说明通过中间激光器111发射的激光来增大激光雷达的水平视场的中心区域的点云密度的方案。在如图2A所示的激光雷达中，中间激光器111的激光对应垂直方向的视场角度为10度的中心区域，两侧激光器112的两路激光对应垂直方向的视场角度为10度的两侧区域。进一步地，在本实施例中，如图2A所示，一路激光穿过反光镜21之后经过一维振镜22和旋转多面扫描转镜23进行二维扫描，能够得到一条扫描横线。为了便于说明，设多面扫描转镜23的电机按照6000转/分钟(即100转/每秒)，按照扫描帧率10Hz计算，那么每一路激光在一帧点云图像内包含(100/10)×4＝40条扫描横线。对于两侧激光器112，按照10度的视场角计算，每两条扫描横线之间的夹角为10/40＝0.25度，即角分辨率0.25度。对于中间激光器111，中间激光器111的三路激光每一路的角分辨率也是0.25度，在这三路激光叠加之后，角分辨率就可以提升到0.25/3＝0.083度。以此类推，如果中间激光器111采用八个激光器发射激光，垂直方向的中心区域的角分辨率可以提升到0.25/8＝0.03125度，由此通过使更多的激光在对应垂直视场的中心区域进行扫描，能够从图2B左侧的横线图得到图2B右侧的横线图，进而结合使水平视场的中心区域的点云密度变大的方案得到如图2C所示的点云密度变大的最终效果图。在图2C所示的效果图中，水平视场和垂直视场重叠的中心区域S5的分辨率能够达到0.1度×0.03125度(前者是水平视场的角分辨率，后者是垂直视场的角分辨率，下同)，边缘最稀疏的区域S1、S3、S7、S9的角分辨率为0.25度×0.25度,中心区域S5的左右两侧的次密区域S4、S6的角分辨率为0.25度×0.03125度，中心区域S5的上下两侧的次密区域S2、S8的角分辨率为0.1度×0.25度。另外，需要说明的是，上述垂直视场中心区域的点云密度变大的效果通过在中间激光器111的所谓“插花”式扫描实现，但是为了保证中间激光器111的扫描横线不产生重叠，在本实施例中，相邻的中间激光器111从发射组件发射的激光的夹角为0.28度。

另外，在本实施例中，如图2A所示，探测组件3的探测器32为多点激光探测器，探测器32的数量可以与激光器11的数量对应。

通过采用上述技术方案，在本实施例中，能够实现与第一实施例同样的效果。

以下结合说明书附图说明根据本申请的第三实施例的激光雷达。

(根据本申请的第三实施例的激光雷达)

如图3所述，根据本申请的第三实施例的激光雷达与根据本申请的第一实施例的激光雷达两者实现本申请的目的的原理相同，以下主要说明两者之间在结构上的不同之处。

在本实施例中，如图3所示，发射组件1包括单独一个激光器11和与该激光器11配合的分光器13。该激光器11发射的激光通过分光器13进行分光处理，分光后的各路激光以发散的方式传输到发射光透镜12进行汇聚，可以根据与之前实施例同样的原理对各路激光进行布局。分光器13所使用的分光技术可以采用光纤分离技术，也可以使用衍射光学透镜或阵列的光学分光技术。

通过采用上述技术方案，在本实施例中，能够实现与第一实施例同样的效果。

以下结合说明书附图说明根据本申请的第四实施例的激光雷达。

(根据本申请的第四实施例的激光雷达)

如图4所述，根据本申请的第四实施例的激光雷达与根据本申请的第一实施例的激光雷达两者实现本申请的目的的原理相同，以下主要说明两者之间在结构上的不同之处。

在本实施例中，为了使得激光雷达的结构更加紧凑，如图4所示，提出了一种基于上下布局的结构方案。如图4所示，多面扫描转镜23采用有斜度的梯面镜，在安装到位时可以放置在一维振镜22的侧上方，其它组件及功能保持不变。

通过采用上述技术方案，在本实施例中，能够实现与第一实施例同样的效果。

以上内容对本申请的具体实施方式的示例性实施例及相关的变型例进行了阐述，以下进行补充说明。

i.可以理解，在以上各实施例的方案不存在矛盾的情况下，可以将各实施例的方案不同的特征结合在一起来构建新的技术方案，可以同样实现本申请的目的。

ii.可以理解，在以上的具体实施例中，为了在本申请中，发射组件1发射的多路激光的光轴均位于同一平面内。多路激光从发射组件1朝向光学组件2的反光镜21传输的过程中实现会聚。

另外，无论多路激光从发射组件1朝向光学组件2的发光镜传输的过程中的形式如何，多路激光的光轴可选地均位于同一平面内。在进一步可选的方案中，在多路激光所在的平面内多路激光相对于基准线对称分布，靠外侧的激光的光轴与基准线的夹角大于靠内侧的激光的光轴与基准线的夹角。可以理解，如果发射组件1发射的激光为奇数的情况下，基准线与最中央的那路激光的光轴重合；如果发射组件1发射的激光为偶数的情况下，基准线可以为中央的两路激光的光轴之间的中线。典型地，当以垂直视场的中心区域为预定区域时，可以通过使相对于基准线靠内侧的相邻的激光的光轴之间的夹角较小，而使相对于基准线靠外侧的相邻的激光的光轴之间的夹角较大来使得多路激光在视场范围的中心区域的数量密度较大。例如，在第一实施例中，三个中央激光器11发出的激光的光轴两两之间的夹角为2度，而两侧激光器11与中央激光器11。实际上，不管是否采用上述多路激光的布局，只要实现多路激光在视场范围的预定区域中的数量密度较大，就能够实现增大预定区域的点云密度的效果，与该预定区域对应的各路激光之间的夹角可以根据需要进行调整并且各路激光与基准线之间的夹角也可以根据需要进行调整，而且应当避免在同一点云图像中不同的激光扫描的横线不重叠。

iii.可以理解，激光器11可以采用发射800nm至2000nm的红外激光的激光器11，可以是半导体式的激光器，也可以试光纤式的激光器。激光器11的功率可以在1W至10000W之间。

进一步地，反光镜21中间需要形成通孔来供多路激光的通过，该通孔的尺寸和形状可以根据需要进行调节。可以理解，反光镜21对于接收返回光需要尽量地全反射。

进一步地，一维振镜22可以按照正弦波方式驱动，也可以按照三角波方式驱动。如果按照正弦波方式驱动，来回行程都可以利用来生成点云图像，但需要做点云均匀性规划。如果按照三角波方式匀速驱动的话，可以在速度较慢区间内生成点云图像，速度较快区间内生成点云图像(只用来快速回位)，此时一维振镜22的转动频率即对应激光雷达的扫描帧率。

进一步地，多点探测器32可以采用硅光电倍增管的激光探测器或者雪崩光电二极管的激光探测器，这些探测器可以拼接成线，也可以采用1×N的线阵探测器。探测器32的个数及位置关系和激光的分布可以一一对应。

iv.通过采用本申请的方案，能够实现具有如下参数的激光雷达，帧率在1Hz至50Hz及以上，测距为300m，视场角度范围在140度(水平视场角度)×30度(垂直视场角度)，中心视场的角分辨率可以做到0.1度×0.03125度。在确保最高50Hz的扫描帧率情况下，大幅度提升了测量距离和中心视场的区域的角分辨率(点云密度)。

v.还提供了一种本申请的激光雷达的控制方法，激光雷达的控制模块能够根据激光雷达的水平视场的不同区域所需的点云密度确定生成控制信号，来控制转速可变的多面扫描转镜23转动。具体地，控制模块的可以生成对应的控制信号，将该控制信号发送到多面扫描转镜23的执行模块，多面扫描转镜23的执行模块接收控制信号，由此执行模块根据控制信号使得多面扫描转镜23转动。如果使激光雷达的水平视场的中心区域的点云密度最大，则该多面扫描转镜23在每个镜面扫描的过程中转速先减小后增大，并在在对应中心区域的时候转速最小。

vi.还提供了包括上述激光雷达的终端设备，该终端设备的一种可选的方案为车辆，尤其是指自动驾驶车辆。激光雷达可以安装在自动驾驶车辆的车顶前部。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所公开实施例的其它变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (15)

1.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括：

发射组件，其用于发射多路激光，所述多路激光的光轴位于同一平面内，在所述平面内所述多路激光相对于基准线对称分布，相对所述基准线靠外侧分布的激光的光轴与所述基准线的夹角大于靠内侧的激光的光轴与所述基准线的夹角；

光学组件，其包括反光镜、第一光学器件和第二光学器件，所述多路激光穿过所述反光镜中的通孔顺次入射到所述第一光学器件和所述第二光学器件，所述第一光学器件用于对所述多路激光进行垂直方向扫描，所述第二光学器件为能够非匀速转动的多面扫描转镜，用于对所述多路激光进行水平方向扫描，所述第二光学器件还用于接收所述多路激光被目标物反射的返回光并通过所述第一光学器件射入探测组件；以及

所述探测组件，其用于探测所述返回光。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，

所述发射组件包括多个激光器，每个所述激光器能够发射一路所述激光，所述多个激光器发射所述多路激光；或者

所述发射组件包括一个激光器以及分光系统，所述一个激光器发射的激光经过所述分光系统分成所述多路激光。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，当所述发射组件包括多个激光器时，所述发射组件包括中间激光器和两侧激光器，所述两侧激光器位于所述中间激光器的两侧，多个所述中间激光器发射的激光通过垂直方向扫描得到第一垂直视场角度，每一个所述两侧激光器发射的激光通过垂直方向扫描分别得到第二垂直视场角度，所述第一垂直视场角度和所述第二垂直视场角度两者的角度大小相同。

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述第一垂直视场角度和所述第二垂直视场角度的大小均为10度。

5.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述中间激光器的数量为3个，相邻的所述中间激光器发射的激光之间的夹角为2度，所述两侧激光器的数量为2个。

6.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述中间激光器的数量为8个，相邻的所述中间激光器发射的激光之间的夹角为0.28度，所述两侧激光器的数量为2个。

7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述中间激光器的垂直视场的角分辨率为0.03125度，所述两侧激光器的垂直视场的角分辨率为0.25度。

8.根据权利要求1-7任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述多面扫描转在其每个镜面扫描所述多路激光的过程中，当进行扫描的所述镜面位于第一转动区域时，所述多面扫描转镜的转速最小，其中，所述第一转动区域扫描得到所述激光雷达的水平视场的中心区域。

9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述多面扫描转镜在其每个镜面扫描所述多路激光的过程中转速先减小后增大。

10.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述多面扫描转镜的每个镜面沿转动方向依次转动到第一工位、第二工位、第三工位、第四工位、第五工位以及第六工位，其中，所述第三工位与所述第四工位之间的转动区域为所述第一转动区域，

当所述镜面自所述第一工位转动至所述第二工位的过程中，所述多面扫描转镜的转速为V1；

当所述镜面自所述第二工位转动至所述第三工位的过程中，所述多面扫描转镜的转速为V2，V2<V1；

当所述镜面自所述第三工位转动至所述第四工位的过程中，所述多面扫描转镜的转速为V3，V3<V2；

当所述镜面自所述第四工位转动至所述第五工位的过程中，所述多面扫描转镜的转速为V2；

当所述镜面自所述第五工位转动至所述第六工位的过程中，所述多面扫描转镜的转速为V1。

11.根据权利要求10所述的激光雷达，其特征在于，在每一个所述镜面的扫描开始到扫描结束的过程中所述多面扫描转镜的电机旋转90度的机械角度，所述第一工位为所述电机位于0度的位置，第二工位为所述电机位于22.5度的位置，所述第三工位为所述电机位于37.5度的位置，所述第四工位为所述电机位于52.5度的位置，所述第五工位为所述电机位于67.5度的位置，所述第六工位为所述电机位于90度的位置。

12.根据权利要求1至7中任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述第一光学器件为多面扫描转镜或者一维振镜。

13.根据权利要求1至7中任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述第二光学器件采用有斜度的梯面镜，所述第二光学器件位于所述第一光学器件的侧上方。

14.一种终端设备，其特征在于，所述终端设备包括权利要求1至13中任一项所述的激光雷达。

15.根据权利要求14所述的终端设备，其特征在于，所述终端设备为车辆。