CN117665836A - 激光雷达、电子设备及车辆 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种激光雷达、电子设备及车辆，激光雷达包括：激光发射组件、激光接收组件以及二维扫描器，激光发射组件用于发出至少两个在激光发射组件的垂直视场内具有夹角的激光束，二维扫描器用于将自激光发射组件发出的激光束反射至目标物，并用于将自目标物反射回的激光束反射至激光接收组件，二维扫描器满足关系式：1/2β≤2α3/2β，且2α≠β,其中，α为二维扫描器在慢轴方向上的单次转动角度，β为相邻两个激光束之间的夹角。如此设置，可以提高二维扫描器在慢轴方向上的扫描密度，以提高慢轴方向上的垂直角分辨率，从而可以探测远距离的小目标。

Description

激光雷达、电子设备及车辆
技术领域
本申请实施例涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种激光雷达、电子设备及车辆。
背景技术
激光雷达是以发射激光束探测待测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其中，激光雷达的激光发射系统以预定功率向待测目标发射激光，激光在遇到待测目标后发生漫反射，并被激光雷达的激光接收系统接收。
目前，可以通过角分辨率和探测距离来衡量激光雷达的性能，另外，根据角分辨率和探测距离可以算出激光雷达能够测量的最小目标。例如，相关技术中的激光雷达的角分辨率为0.2°，对于150m内的物体，激光雷达的检测效果可以满足检测要求。
然而，对于远距离、小目标的探测场景而言，相关技术中的激光雷达无法满足使用需求。
发明内容
本申请实施例提供一种激光雷达、电子设备及车辆，该激光雷达应用于远距离、小目标的探测场景时，能够满足使用需求。
本申请第一方面提供一种激光雷达，该激光雷达至少包括：激光发射组件、激光接收组件以及二维扫描器。所述激光发射组件用于发出至少两个在所述激光发射组件的垂直视场内具有夹角的激光束。所述二维扫描器用于将自所述激光发射组件发出的激光束反射至目标物，并用于将自所述目标物反射回的激光束反射至所述激光接收组件。所述二维扫描器满足关系式：1/2β≤2α≤3/2β，且所述2α≠β，其中，所述α为所述二维扫描器在慢轴方向上的单次转动角度，所述β为相邻两个所述激光束之间的夹角。所述在慢轴方向上的单次转动角度指的是在所述二维扫描器沿快轴方向扫描的单位周期内，所述二维扫描器在慢轴方向上扫描一次转动的角度。其中，快轴方向指的是所述二维扫描器的水平视场方向，慢轴方向指的是所述二维扫描器的垂直视场方向。
在激光雷达的扫描过程中，激光发射组件会一直发出至少两个在激光发射组件的垂直视场内具有夹角的激光束，用于探测目标物。其中，任意两个激光束在激光发射组件的垂直视场内的夹角不等于0°。另外，二维扫描器会沿快轴方向和慢轴方向扫描，以使得激光发射组件发出的激光束反射至目标物，并将自目标物反射回的激光束反射至激光接收组件，以得到目标物的相关信息。二维扫描器在沿快轴方向扫描的单位周期内，二维扫描器会在慢轴方向上扫描一次，且二维扫描器在慢轴方向上扫描一次并在慢轴方向上转动的角度为α。由于二维扫描器满足关系式：1/2β≤2α≤3/2β，且2α≠β，可以改变二维扫描器在慢轴方向上扫描后的激光束与上一单位周期中的相邻的激光束之间的夹角，能够提高二维扫描器在慢轴方向上的扫描密度，以此提高激光雷达在慢轴方向上的垂直角分辨率，从而可以提高激光雷达的分辨率。因此，由于角分辨率提高了，激光雷达可以探测远距离的小目标，能够满足使用需求。
在一种可能的实施方式中，所述α为1/4β，如此设置，使得任意相邻两个点云之间的角度间隔相同。
在一种可能的实施方式中，所述二维扫描器满足关系式：S1≥30mm2，其中，S1为二维扫描器的有效接收面积，如此设置，能够进一步地提高二维扫描器所接收到的能量，有助于提高激光雷达探测远距离的小目标的探测能力。
在一种可能的实施方式中，所述激光接收组件与所述二维扫描器满足关系式：0.5≤S2/S1≤2，其中，S2为所述激光接收组件的有效接收面积，S1为所述二维扫描器的有效接收面积。如此设置，有助于提高激光接收组件所接收到的能量，以提高激光雷达的探测距离。
在一种可能的实施方式中，所述二维扫描器为2D振镜或微机电系统振镜。
在一种可能的实施方式中，还包括：第一分光镜，所述第一分光镜位于所述激光发射组件和所述二维扫描器之间的光路上，并且所述第一分光镜还位于所述激光接收组件和所述二维扫描器之间的光路上。所述第一分光镜上具有分光膜，或者，所述第一分光镜上具有分光孔。第一分光镜可以实现激光发射组件发射的激光束和激光接收组件接收的激光束的分离和交合，从而发射光路和接收光路共光轴设置。其中，发射光路指的是激光发射组件内的光路，接收光路指的是激光接收组件内的光路。
在一种可能的实施方式中，所述激光发射组件包括激光器组以及发射镜组。所述激光器组用于发出至少两个所述激光束。所述发射镜组用于将自所述激光器组发出的激光束反射至所述二维扫描器。
在一种可能的实施方式中，所述激光器组包括沿所述激光器组的垂直视场方向并排设置的多个激光器，所述多个激光器中的每个激光器均用于发出至少一束所述激光束。如此设置，在慢轴方向上，存在至少两个并排且间隔设置的激光束，以满足探测需求。
在一种可能的实施方式中，所述激光器组包括一个激光器以及分光单元，所述一个激光器用于发出一束激光束，所述分光单元用于将所述一个激光器发出的一束激光束分成多束激光束。如此设置，一方面可以满足探测需求，另一方面可以降低激光发射组件的成本。
在一种可能的实施方式中，所述激光器为边缘发射器或垂直腔表面发射激光器。
在一种可能的实施方式中，所述分光单元包括以下器件中的任意一种：第二分光镜或衍射光学元件。
在一种可能的实施方式中，所述激光器组的发光面位于所述发光镜组的焦平面上，如此设置，可对激光器组发射出的激光束进行准直。
在一种可能的实施方式中，所述发射镜组包括以下镜片中的任意一种或多种：球面透镜、非球面透镜或柱面镜。
在一种可能的实施方式中，所述激光接收组件包括接收镜组和探测器。所述接收镜组用于将自所述二维扫描器反射的激光束反射至所述探测器。
在一种可能的实施方式中，所述探测器为硅光电倍增管、雪崩光电二极管或单光子雪崩二极管。
在一种可能的实施方式中，所述接收镜组包括以下镜片中的任意一种或多种：球面透镜、非球面透镜或柱面镜。
在一种可能的实施方式中，所述激光发射组件的光轴和所述激光接收组件的光轴平行。如此设置，可以减小误差，使得二维扫描器可以接收到更多的能量，有助于提高激光雷达的探测距离。
在一种可能的实施方式中，所述激光发射组件和所述激光接收组件满足关系式：-2°≤β≤2°，其中，β为所述激光发射组件的光轴和所述激光接收组件的光轴在所述二维扫描器上的夹角。如此设置，有助于降低激光雷达的制造难度。
在一种可能的实施方式中，还包括：位于所述二维扫描器和目标物之间的视窗，所述视窗为平板结构或曲板结构。视窗使得激光发射组件发射的激光束能够与目标物接触，另外，还能够让经目标物反射回的激光束与二维扫描器接触。
在一种可能的实施方式中，所述视窗满足关系式：0≤γ≤45°，其中，γ为所述视窗的倾斜角度。如此设置，可以改变回波光束中的杂散光束的传播途径，以免杂散光束被激光接收组件所接收，从而在其点云上形成噪点。其中，回波光束指的是经目标物反射至二维扫描器的光束。
在一种可能的实施方式中，还包括：至少一个光束折转镜。所述至少一个光束折转镜用于折转激光光路。所述激光光路包括以下光路中的至少一种：所述激光发射组件内的光路或所述激光接收组件内的光路。光束折转镜可以折转激光光路，从而可以减小激光光路在某一个方向上的尺寸，以提高激光雷达内部的紧凑性。
在一种可能的实施方式中，所述至少一个光束折转镜的数量满足关系式：1≤M≤15，其中，M为所述至少一个光束折转镜的总数量，如此设置，有助于降低激光雷达的成本。
本申请第二方面提供一种电子设备，其至少包括本体以及上述所述激光雷达，所述激光雷达安装在所述本体上。
本申请第三方面提供一种车辆，其至少包括车辆主体以及如上述所述的激光雷达，所述激光雷达安装在所述车辆主体上。
附图说明
图1为本申请实施例提供的激光雷达应用车辆的场景示意图；
图2为本申请实施例提供的一种激光雷达的立体结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种激光发射组件发出激光束的示意图；
图5为本申请实施例提供的一种激光发射组件发出激光束的第一立体结构示意图；
图6为图4所示实施例的激光发射组件在快轴方向上的发散角分布图；
图7为图4所示实施例的激光发射组件在慢轴方向上的发散角分布图；
图8为与图4所示实施例配合的一种激光接收组件在慢轴方向上的接收效果图；
图9为激光束经二维扫描器反射时转动的角度的示意图；
图10为两个激光束反射前和反射后的夹角示意图；
图11为本申请实施例提供的一种激光发射组件发出激光束的第二立体结构示意图；
图12为本申请实施例提供的一种激光发射组件发出激光束的第三立体结构示意图；
图13为本申请实施例提供的一种激光发射组件发出激光束的第四立体结构示意图；
图14A为本申请实施例提供的二维扫描器单次转动角度为1/2β时对四个激光束的扫描示意图；
图14B为图14A中3个点云图合并后的扫描示意图；
图15A为本申请实施例提供的二维扫描器单次转动角度为0.12°时对四个激光束的扫描示意图；
图15B为图15A中3个点云图合并后的扫描示意图；
图16为本申请实施例提供的一种激光器组的结构示意图；
图17为本申请实施例提供的另一种激光器组的结构示意图；
图18为本申请实施例提供的一种激光器接收组件结构示意图；
图19为本申请实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图。
附图标记说明：
1000、激光雷达；
100、激光发射组件；110、激光器组；111、激光器；112、分光单元；120、发射镜组；
200、激光接收组件；210、接收镜组；220、探测器；
300、二维扫描器；400、第一分光镜；500、视窗；600、光束折转镜；700、壳体；
2000、车辆；2100、车辆主体。
具体实施方式
本申请的实施方式部分使用的术语仅用于对本申请的具体实施例进行解释，而非旨在限定本申请。
为便于理解，首先对本申请实施例所涉及的相关技术术语进行解释和说明。
快轴方向，指的是二维扫描器的水平视场方向，也可以指激光雷达的探测前方的水平视场方向(例如，如图2中的X方向)。
慢轴方向，指的是二维扫描器的垂直视场方向，慢轴方向与快轴方向垂直(例如，如图2中的Z方向)，也可以指的是激光雷达的探测前方的垂直视场方向。
目标物，指的是激光雷达探测的物体，可以包括但不局限于激光雷达周围的行人、车辆以及建筑物等目标。
点云，指的是激光雷达的接收点数据信号，每个点数据都包含了三维坐标信息。
测距能力，指的是激光雷达的最远测量距离。
角分辨率，指的是激光雷达的点云与点云之间的间隔角度，分为垂直角分辨率和水平角分辨率。其中，水平角分辨率和垂直角分辨率分别表示水平面上点的夹角以及垂直面上点的夹角。
焦平面(The focal plane)又称前焦面或物方焦面，光学术语，即且垂直于系统主光轴的平面称第一焦平面。
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械、微机电系统振镜等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。
激光雷达1000是一种目标探测技术。激光雷达1000通过激光器111发出激光光束，激光光束遇到目标物体后发生漫反射，通过探测器220接收反射回的光束，并根据发射的光束和反射回的光束确定目标物体的距离、方位、高度、速度、姿态、形状等特征量。
激光雷达1000的应用领域非常广泛。除了运用在军事领域之外，目前还被广泛应用于生活领域，包括但不限于：车辆、智能驾驶车辆、智能驾驶飞机、3D打印、虚拟现实(Virtua lReality，VR)、增强现实(Augmented Reality，AR)、机器人等领域。当本申请实施例的激光雷达1000应用于无人机、智能家具设备或智能制造设备等电子设备时，激光雷达1000可以安装在电子设备的本体上。当本申请实施例提供的激光雷达1000应用于车辆时，激光雷达1000可以作为智能驾驶系统的辅助部件，用于探测周围的车辆、行人和障碍物等。
本申请实施例中具体以激光雷达1000应用于车辆为例进行详细说明，其中，车辆2000可以电动车/电动汽车(Electric Vehicle，简称EV)或者电动送餐车，或者还可以为电动送快递车，或者还可以为纯电动汽车(Pure Electric Vehicle/Battery ElectricVehicle，简称：PEV/BEV)、混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle，简称：HEV)、增程式电动汽车(Range Extended Electric Vehicle，简称REEV)、插电式混合动力汽车(Plug-inHybrid Electric Vehicle，简称：PHEV)、新能源汽车(New Energy Vehicle)。
图1为本申请实施例提供的一种激光雷达应用车辆的场景示意图。参考图1，车辆2000包括车辆主体2100以及至少一个激光雷达1000。例如，图1中，车辆主体2100上设置有三个激光雷达1000。激光雷达1000可以安装在车辆主体2100的车顶、车灯、前挡风玻璃、保险杠等部位上，在本申请实施例中不作具体限制。例如，图1中，车辆主体2100的前保险杠上设有两个激光雷达1000，车辆主体2100的后保险杠上设有一个激光雷达1000。需要说明的是，激光雷达1000的数量包括但不限于3个。
通过在车辆2000上设置激光雷达1000，激光雷达1000可通过快速且重复地发射激光束来扫描车辆2000的周围环境，以获取反映周围环境中的一个或多个对象的形貌、位置和运动的点云数据。具体的，激光雷达1000向周围环境发射激光束，并接收激光束被周围环境中的各对象反射回的回波光束，通过计算激光束的发射时间点和回波光束的返回时间点之间的时间延迟，来确定各对象的位置信息。另外，激光雷达1000还可以确定描述激光束的空间取向的角度信息，将各对象的位置信息和激光束的角度信息相结合，生成包括所扫描的周围环境的各对象的三维地图，利用该三维地图可指导车辆2000的无人驾驶。
目前，可以通过角分辨率、测距能力等性能指标衡量激光雷达1000是否满足探测需求。其中，角分辨率的大小决定了激光雷达1000扫描一次所能够得到的点云的总数量以及该激光雷达1000所能检测的最小障碍物大小。例如，相关技术中的激光雷达1000的角分辨率为0.2°，那么当探测距离为150m的时候，在150米处2个激光束之间的距离为150m*tan0.2°≈0.524m。当探测距离大于150m后，激光雷达1000只能检测到高于0.524m的目标物了，对于小于0.524m的目标物，无法准确检测。因此，相关技术中的激光雷达1000应用于远距离、小目标的探测场景时，无法满足使用需求。其中，在一些实施场景中，本申请实施例中远距离可以指探测距离大于150m，小目标可以指小于0.524m的目标物。
有鉴于此，本申请实施例提供一种激光雷达1000，该激光雷达1000的激光发射组件100可以发出至少两个在激光发射组件100的垂直视场内具有夹角的激光束，激光雷达1000的二维扫描器300在沿快轴方向扫描的单位周期内，二维扫描器300在慢轴方向上的单次转动角度满足关系式：1/2β≤2α≤3/2β，且2α≠β，如此设置，可以提高激光雷达1000在慢轴方向上的扫描密度，从而可以提高激光雷达1000的角分辨率，进而激光雷达1000可以应用于远距离、小目标的探测场景时，能够满足使用需求。
图2为本申请实施例提供的一种激光雷达的立体结构示意图，图3为本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。
参考图2和图3，本申请实施例的激光雷达1000可以包括激光发射组件100、激光接收组件200、二维扫描器300、第一分光镜400、视窗500和壳体700。激光发射组件100、激光接收组件200、二维扫描器300和第一分光镜400位于壳体700内。视窗500嵌设在壳体700的侧壁上。激光发射组件100和激光接收组件200沿图2中X方向间隔设置。二维扫描器300靠近视窗500并与第一分光镜400沿图2中X方向间隔设置。第一分光镜400位于激光发射组件100和二维扫描器300之间的发射光路上，并且第一分光镜400还位于激光接收组件200和二维扫描器300之间的接收光路上。第一分光镜400可以实现激光发射组件100发射的激光束和激光接收组件200接收的激光束的分离和交合，从而发射光路与接收光路共光轴设置。视窗500用于保护设置在激光雷达1000内部的激光发射组件100、激光接收组件200、二维扫描器300等部件，另外，还可以确保激光发射组件100发射的激光束能够与目标物接触，并能够让经目标物反射回的激光束与二维扫描器300接触。
参考图2和图3，激光发射组件100发出的激光束经过第一分光镜400与二维扫描器300接触，随后通过二维扫描器300反射并穿过视窗500，最后激光束与目标物接触并发生漫反射。与目标物接触的部分激光束会反射，反射回来的激光束穿过视窗500并被二维扫描器300反射至激光接收组件200，从而激光雷达1000可以得到目标物的相关信息。其中，目标物的相关信息包括距离、方位、高度、速度、姿态、形状等特征量。
激光发射组件100用于发出至少两个在激光发射组件100的垂直视场内具有夹角的激光束，例如图4为本申请实施例提供的一种激光发射组件发出激光束的示意图。参考图4所示，激光发射组件100在激光发射组件100的垂直视场内发出有6个激光束，分别为激光束L1、激光束L2、激光束L3、激光束L4、激光束L5、激光束L6。另外，任意两个相邻的激光束之间的夹角为β，例如激光束L1和激光束L2之间的夹角为β、激光束L3和激光束L4之间的夹角为β。而夹角β可以通过相邻两条激光束的指向角相减得到，即β＝|wi-wi+1|，其中，wi表示第i个激光束的指向角，wi+1表示第i+1个激光束的指向角。指向角指的是激光束与垂直于激光发射组件100的窗面的水平基准线之间的夹角，例如，激光束L1的指向角w1为-0.14°，激光束L2的指向角w2为0.14°，从而激光束L1和激光束L2之间的夹角β＝|-0.14°-0.14°|＝0.28°。另外，通过指向角可以确定激光束在激光发射组件100的垂直视场内的位置，例如，激光束L6的指向角为-0.7°。
需要说明的是，由于激光束为点光束，激光束会发散，因为激光束具有一个发散角，发散角包括在慢轴方向上的垂直发散角和快轴方向上的水平发散角。因此，激光束在视场内的位置可以通过wi+θi确定，θi指的是第i个激光束的发散角。图5为本申请实施例提供的一种激光发射组件发出激光束的第一立体结构示意图。参考图5，激光发射组件100发出的激光束L2在快轴方向上具有发散角θ2时，激光束L2发散出激光束L2’。另外，两条相邻的激光束之间夹角也随之变为：|(wi+θi)-(wi+1+θi+1)|，从而两条相邻的激光束之间的夹角可以相同或不相同。图6为图4所示实施例的激光发射组件在快轴方向上的发散角分布图，图7为图4所示实施例的激光发射组件在慢轴方向上的发散角分布图。例如，参考图6和图7，由于6个激光束在快轴方向上的水平发散角相同以及6个激光束在慢轴方向上的垂直发散角基本相同，因而相邻两条激光束之间的夹角可以通过激光束的指向角确定，从而相邻两条的激光束之间的夹角可以相同，即为β＝|wi-wi+1|。
可以理解的是，激光发射组件100在激光发射组件100的垂直视场内发出多少个激光束，那么激光接收组件200在激光接收组件200的垂直视场内也会接收到多少个激光束。图8为与图4所示实施例配合的一种激光接收组件在慢轴方向上的接收效果图。例如，当激光发射组件100发出6个激光束：0.14°±0.04°、0.42°±0.04°、0.7°±0.04°、-0.14°±0.04°、-0.42°±0.04°、-0.7°±0.04°，激光接收组件200的接收效果如图8所示，在慢轴方向上形成6个光斑。
图9为激光束经二维扫描器反射时转动的角度的示意图，图10为两个激光束反射前和反射后的夹角示意图，图11为本申请实施例提供的一种激光发射组件发出激光束的第二立体结构示意图，图12为本申请实施例提供的一种激光发射组件发出激光束的第三立体结构示意图，图13为本申请实施例提供的一种激光发射组件发出激光束的第四立体结构示意图，图14B为本申请实施例提供的二维扫描器的一种扫描示意图，图15B为本申请实施例提供的二维扫描器的另一种扫描示意图。
在本申请实施例中，二维扫描器300满足关系式：1/2β≤2α≤3/2β，且2α≠β。其中，α为二维扫描器在慢轴方向上的单次转动角度，β为相邻两个激光束之间的夹角。其中，在慢轴方向上的单次转动角度指的是在二维扫描器300沿快轴方向扫描的单位周期内，二维扫描器300在慢轴方向上扫描一次转动的角度。当在慢轴方向上的单次转动角度满足上述的关系式时，可以改变二维扫描器300在慢轴方向上扫描后的激光束与上一单位周期中的相邻的激光束之间的夹角，从而可以提高二维扫描器300在慢轴方向上的扫描密度，进而可以提高垂直角分辨率。需要说明的是，无论二维扫描器300扫描多少个单位周期，在同一个单位周期内，相邻两个激光束在之间的夹角不会发生变化。另外，二维扫描器300慢轴方向上扫描后的激光束与上一单位周期中的相邻的激光束之间的夹角越小，那么角分辨率也越高(即激光束之间夹角数值越小越能够识别到更小的物体，进而角分辨率高)。
下面对上述公式的原理进行详细说明。
首先先说明二维扫描器300的单次转动角度α与激光束的单次转动角度之间的关系，以及相邻激光束之间的角度关系。
由于二维扫描器300在慢轴方向上转动α后，经二维扫描器300反射的激光束所转动的角度为2α。参考图9，当二维扫描器300未在慢轴方向(Z)上转动时，激光束L1经二维扫描器300反射为激光束L11，激光束L1和激光束L11关于法线F0对称。当二维扫描器300在慢轴方向(Z)上转动α后，二维扫描器300的位置变为300’，同时法线F0也会转动角度α，此时激光束L1经二维扫描器300反射为激光束L11’，而激光束L11与L11’之间的夹角为2α，因此，当二维扫描器300在慢轴方向上转动角度α后，经二维扫描器300反射的激光束会转动2α，即二维扫描器300以单次转动角度扫描一次(转动α)，反射的激光束会转动2α。
参考图10，激光束L1经二维扫描器300反射为激光束L11，激光束L2经二维扫描器300反射为激光束L22，激光束L1和激光束L2之间夹角为β，激光束L11和激光束L22之间夹角也为β。因此，对于上述内容中的图2的激光束L1和激光束L2而言，激光束L1和激光束L2反射前的夹角为β，激光束L1和激光束L2反射的激光束L11和L22之间的夹角也为β。因此，通过图9和图10可知，可以通过控制二维扫描器300在慢轴方向上的单次转动角度来改变反射后的激光束所转过的角度，进而可以改变角分辨率。
一般来说，二维扫描器300会不断的对前方物体进行扫描，在一个周期内，完成一次扫描。上文说明了二维扫描器300在慢轴扫描一次时的情况，实际上二维扫描器300会进行多个周期的扫描，然后获取多个周期扫描到的点云图，从而进一步实现目标识别。其中周期和周期之间可以是连续的，也可以是间隔的，这里不作限定。
下面进一步说明多个周期下，二维扫描器300的完整扫描过程。
在每个周期中，二维扫描器300均会分别在快轴方向和慢轴方向进行扫描。下面具体说明一个周期内，即单位周期内，二维扫描器300在快轴方向和慢轴方向的扫描过程。
二维扫描器300在单位周期内，在快轴方向，继续参考上述内容中的图11，二维扫描器300会从激光束L22位置扫描到激光束L22x位置，再从激光束L22x位置回到激光束L22位置(可以理解为一次摇头运动)，在上述快轴扫描完成后，在慢轴方向，二维扫描器300会从激光束L22位置扫描到激光束L22z位置(可以理解为一次点头运动)。至此，完成了一个周期内的扫描。因此，激光束L22位置到激光束L22z位置之间的角度就是2倍单次转动角度(即2α)。在下一个周期内，在快轴方向上，二维扫描器300可以从激光束L22z位置开始沿着X轴扫描一个回合回到激光束L22z位置，在快轴扫描完成后，在慢轴方向，二维扫描器300会从激光束L22z位置扫描2α角度(图中未示出)，再完成一次点头，当二维扫描器300在慢轴方向上扫描全部完成后，二维扫描器300抬头回到未点头时的位置(例如初始位置)，然后再进行下一个循环周期的扫描。
进一步参考图11，t1为二维扫描器300从L22位置扫描到L22x位置所用时间，t2为二维扫描器300从L22x位置回到L22位置所用时间，单位周期等于时间t1与t2之和。在单位周期内，二维扫描器300在快轴方向(例如图11中X方向)上的扫描过程为：首先从L22位置沿顺时针方向扫到L22x位置，随后再从L22x位置沿逆时针方向扫动到L22位置。当然，在单位周期内，二维扫描器300在快轴方向上的扫描过程也可以为：首先从L22x位置沿逆时针方向扫动到L22位置，随后再从L22位置沿顺时针方向扫动到L22x位置。
下面说明在几种不同的二维扫描器300的单次转动角度下，激光雷达1000的角分辨率的情况。
参考图11，当二维扫描器300的单次转动角度α＝1/4β时，经二维扫描器300反射的激光束L22转动2α后移动至激光束L22z的位置，经二维扫描器300反射的激光束L11转动2α后移动至激光束L11z的位置，此时激光束L22z与激光束L11之间的夹角为 为角分辨率，由于2α＝1/2β，因而/>因此，当二维扫描器300的单次转动角度为1/4β时，在慢轴方向扫描后，激光束与上一个扫描周期中的相邻的激光束之间的夹角(如图11中的激光束L22z与激光束L11之间的夹角/>)变为上一扫描周期中的相邻两个激光束之间的夹角(如图11中的激光束L11和激光束L22之间的夹角β)的一半，从而可以提高角分辨率。
参考图12，当二维扫描器300的单次转动角度α＝3/4β时，经二维扫描器300反射的激光束L22转动2α后移动至激光束L22z的位置，此时激光束L22z与激光束L11之间的夹角为由于α＝3/4β，因而/>因此，当二维扫描器300的单次转动角度为3/4β时，在慢轴方向扫描后，激光束与上一个扫描周期中的相邻的激光束之间的夹角(如图12中的激光束L22z与激光束L11之间的夹角/>)变为上一扫描周期中的相邻两个激光束之间的夹角(如图12中的激光束L11和激光束L22之间的夹角β)的一半，使得激光雷达1000发射出去的激光束更为密集，从而可以提高角分辨率。
需要说明的是，参考图13，当二维扫描器300的单次转动角度α＝1/2β时，经二维扫描器300反射的激光束L22转动2α后移动至激光束L22z的位置，并且激光束L22z与激光束L11重合，经二维扫描器300反射的激光束L11转动2α后移动至激光束L11z的位置，并且激光束L11z与激光束L33重合，由于激光束L11与激光束L22之间的夹角为β，以及，激光束L11与激光束L33之间的夹角为β，而2α＝β，因此，当二维扫描器300的单次转动角度α＝1/2β时，相邻两个扫描周期中的激光束重合，相邻两个激光束之间的夹角始终为β，角分辨率没有发生变化，因此，二维扫描器300的单次转动角度α≠1/2β，即2α≠β。
下面以3个周期下扫描得到的点云图，进一步说明在几种不同的二维扫描器300的单次转动角度下，激光雷达1000的角分辨率的情况。
当二维扫描器300的单次转动角度α＝1/2β时，二维扫描器300的扫描示意图如图14A所示，二维扫描器300对4个激光束进行扫描，1号点云为二维扫描器300在慢轴方向上某一周期扫描得到的点云图，这里设为第一周期(可以为任一周期)；2号点云为二维扫描器300在慢轴方向上在第一周期后的第二周期扫描(单次转动角度α＝1/2β)得到的点云图，3号点云为二维扫描器300在慢轴方向上在第二周期后的第三周期扫描(单次转动角度α＝1/2β)得到的点云图。
将三个单位周期内的点云进行合并，可以得到图14B所示，通过图14B可知，1号点云、2号点云和3号点云的点云图重合，因此，当2α＝β时，二维扫描器300多次扫描得到的点云图重合，相邻两个点云之间的夹角不变，从而角分辨率没有发生变化，因此，本申请实施例中，为了提高角分辨率时，二维扫描器300的单次转动角度α≠1/2β，即2α≠β。
而本申请实施例中，当二维扫描器300的单次转动角度满足关系式：1/2β≤2α≤3/2β，且2α≠β时，例如：相邻两个激光束的夹角为0.28°，单次转动角度α为0.12°，则2α＝0.24°时，二维扫描器300的扫描示意图如图15A所示。参考图15A，1号点云为二维扫描器300在慢轴方向上第一周期扫描得到的的点云图，与图14A中的1号点云一样，但是，图15A中，2号点云为二维扫描器300在慢轴方向上第二周期扫描(单次转动角度α＝0.12°时)得到的点云图，可以看出，2号点云在慢轴方向上与1号点云不重合，3号点云为二维扫描器300在慢轴方向上第三周期扫描(单次转动角度α＝0.12°时)得到的点云图，可以看出，在慢轴方向上，3号点云与2号点云、1号点云均不重合，将图15A中的三个点云图进行合并，可以得到图15B所示的点云图，从图15B可以看出，2号点云图插入1号点云中，3号点云插入2号点云图中，最终形成插花式的点云图，可以得到高角分辨率点云，以此提高角分辨率，其中图15B中，角分辨率值可以达到0.04°(两个最邻近的点云之间的角分辨率)，与图14A中角分辨率值为0.28°相比，本申请实施例中，提高扫描密度，提高了角分辨率，以实现远距离、小目标的扫描。
可以看出，上述实施例通过2α＝1/2β和2α＝3/2β为两种极端情况下的取值的实施例，基于上述原理可知，只要能够使多个相邻周期扫描出来的点云图形成15B的插花形式即可，因此，只要当二维扫描器300的单次转动角度满足关系式：1/2β≤2α≤3/2β，且2α≠β，即可以提高二维扫描器300的扫描密度，可以提高激光雷达1000在慢轴方向上的角分辨率，以满足远距离、小目标的应用场景。
在一些可能的实现方式中，二维扫描器300可以为2D振镜或微机电系统振镜。
在一些可能的实现方式中，二维扫描器300还可以满足关系式：S1≥30mm2。其中，S1为二维扫描器300的有效接收面积，有效接收面积指的是二维扫描器300接收激光束的面积。有效接收面积越大，那么二维扫描器300能够接收到的激光束也越多，从而激光接收组件200也可以接收到更多的能量。因此，在提高角分辨率的基础上，通过提高二维扫描器300的有效接收面积，可以进一步地提高激光雷达1000的探测距离，以此提高激光雷达1000探测远距离的小目标的探测能力。
在一些可能的实现方式中，二维扫描器300与激光接收组件200还可以满足关系式：0.5≤S2/S1≤2，其中，S2为激光接收组件200的有效接收面积，S1为二维扫描器300的有效接收面积。如此设置，可以提高激光接收组件200所接收到的能量，有助于进一步地提高激光雷达1000探测远距离的小目标的探测能力。
在一些可能的实现方式中，激光发射组件100的光轴可以与激光接收组件200的光轴平行，如此设置，可以减小误差，使得二维扫描器300可以接收到更多的能量，有助于提高激光雷达1000的探测距离。然而，由于激光发射组件100和激光接收组件200的制造误差或装配误差等误差，在一些示例中，激光发射组件100的光轴和激光接收组件200的光轴可以满足关系式：-2°≤β≤2°。其中，β为激光发射组件100的光轴和激光接收组件200的光轴在二维扫描器300上的夹角。
图16为本申请实施例提供的一种激光器组的结构示意图，图17为本申请实施例提供的另一种激光器组的结构示意图。
激光发射组件100为了发出至少两个在激光发射组件100的垂直视场范围具有夹角的激光束，在一些可能的实现方式中，参考图16，激光发射组件100可以包括激光器组110以及发射镜组120。其中，激光器组110可以发出至少两个在激光器组110的垂直视场内具有夹角的激光束。发射镜组120用于将激光器组110发出的激光束反射至二维扫描器300。
继续参考图16，激光器组110A可以包括四个在激光器组110A的垂直视场内间隔设置的激光器111，每个激光器111用于发出至少一个激光束，从而实现激光器组110A发出至少两个在垂直视场内具有夹角的激光束。其中，激光器111的数量除了图中的4个外，还可以是2、3、5、6等数量。另外，每个激光器111可以发出的激光束的数量可以全部相同或不相同，例如图中每个激光器111发出一个激光束。
当然，除了采用多个激光器111构成的激光器组110A外，参考图17，激光器组110B可以包括一个激光器111以及分光单元112。其中，一个激光器111用于发出至少一个激光束，例如在本申请实施例中，一个激光器111发出一个激光束。分光单元112位于激光器111和发射镜组120之间。分光单元112用于将一个激光器111发出的一个激光束分成多个激光束，从而实现激光器组110B发出至少两个在激光器组110B的垂直视场内具有夹角的激光束。
分光单元112可以包括以下器件中的任意一种：第二分光镜或衍射光学元件。当分光单元112采用第二分光镜时，一方面可以将激光器111发射出的一个激光束变成多个激光束，另一方面可以降低分光单元112的成本。
激光器111可以采用边缘发射器(Edge Emitting Laser，简称EEL)，或者，激光器111可以采用垂直腔表面发射激光器111(vertical—cavitysurface—emittinglaser，简称vcsel)。另外，当激光器组110包括多个激光器111时，所有激光器111的类型一致，或者，多个激光器111包括至少两种类型的激光器111，例如，部分激光器111为边缘发射器，部分激光器111为垂直腔表面发射激光器111。
在本申请实施例中，激光器组110的发光面还可以位于发光镜组的焦平面上，如此设置，可对激光器组110发射出的激光束进行准直。
在本申请实施例中，发射镜组120包括以下镜片中的任意一种或多种：球面透镜、非球面透镜或柱面镜。例如，发射镜组120可以包括球面镜和非球面镜，或者，发射镜组120可以包括非球面镜和柱面镜，或者，发射镜组120的所有镜片均为球面镜。
图18为本申请实施例提供的一种激光器接收组件结构示意图。
在一些可能的实现方式中，参考图18，激光接收组件200可以包括接收镜组210和探测器220。其中，接收镜组210用于将自二维扫描器300反射的激光束反射至探测器220。需要说明的是，探测器220的数量除了图中的一个外，探测器220的数量还可以是多个，使得激光雷达1000可以构成一发且多收的雷达架构。
探测器220可以为雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)、PIN型光电二极管(PIN Photodiode，PIN PD)、单光子雪崩二极管(Single Photo Avalanche photodiode，SPAD)或多像素光子计数器(Multi-pixel photo counter，MPPC)等。另外，探测器220的具体类型，可以根据探测需求而定，在此不作具体限制，其中，探测需求至少包括以下指标中的一种或多种：探测灵敏度、探测距离或响应速度。
接收镜组210可以包括以下镜片中的任意一种或多种：球面透镜、非球面透镜或柱面镜。例如，当接收镜组210中的镜片数量为多个时，接收镜组210的所有镜片均为球面透镜，或者，接收镜组210内包括球面透镜和非球面透镜两种镜片。
在本申请实施例中，第一分光镜400上可以具有分光膜或分光孔，从而实现接收光路和发射光路可以共光轴设置。
在本申请实施例中，参考图13，视窗500可以为平板结构或曲板结构。另外，视窗500除了嵌设在壳体700的侧壁外，在一些实例中，壳体700开设有激光束穿过的通孔，视窗500位于壳体700内并覆盖该通孔。另外，视窗500的材料可以是能够透光的玻璃或塑料，例如，视窗500的材料为聚碳酸酯。
在本申请实施例中，视窗500还可以满足关系式：0≤γ≤45°，其中，γ为视窗500的倾斜角度。如此设置，可以改变回波光束中的杂散光束的传播途径，以免杂散光束被激光接收组件200所接收，从而在其点云上形成噪点。其中，回波光束指的是经目标物反射至二维扫描器300的光束，回波光束包括激光束和杂散光束。另外，视窗500的倾斜角度指的是视窗500相对于二维扫描器300倾斜的角度，另外，视窗500可以向内或向外倾斜，这里不作限制。
图19为本申请实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图。
在本申请实施例中，参考图19，激光雷达1000还可以包括：至少一个光束折转镜600。激光发射组件100和第一分光镜400之间的光路上设置有一个光束折转镜600。光束折转镜600使得激光发射组件100内的光路发生折转，从而可以减小激光发射组件100在某一个方向上的尺寸，有助于提高激光雷达1000内部的紧凑性。
当然，光束折转镜600除了用于折转激光发射组件100内的光路外，还可以用于折转激光接收组件200内的光路。另外，激光发射组件100和激光接收组件200中的至少一个存在有光束折转镜600，例如图中在激光发射组件100中存在一个光束折转镜600。另外，当激光发射组件100和激光接收组件200都存在光束折转镜600时激光发射组件100中的光束折转镜600的数量可以与激光接收组件200中的光束折转镜600的数量可以相同或不相同。
需要说明的是，光束折转镜600的数量为至少一个，这里不作具体限制，例如，光束折转镜600的数量为1、2、3、4等数量。
在本申请实施例中，光束折转镜600的数量还可以满足关系式：1≤M≤15。其中，M为光束折转镜600的总数量。如此设置，一方面可以满足折转需求，另一方面可以降低光束折转镜600的成本。
需要说明的是，本申请实施例涉及的数值和数值范围为近似值，可能会存在一定范围的误差，这部分误差本领域技术人员可以认为忽略不计。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
在本申请实施例或者暗示所指的装置或者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实施例的限制。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。
本申请实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、组件、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本文中的术语“多个”是指两个或两个以上。本文中术语“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；在公式中，字符“/”，表示前后关联对象是一种“相除”的关系。
可以理解的是，在本申请的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。
可以理解的是，在本申请的实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请的实施例的实施过程构成任何限定。

Claims (22)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：激光发射组件、激光接收组件以及二维扫描器；
所述激光发射组件用于发出至少两个在所述激光发射组件的垂直视场内具有夹角的激光束；
所述二维扫描器用于将自所述激光发射组件发出的激光束反射至目标物，并用于将自所述目标物反射回的激光束反射至所述激光接收组件；
所述二维扫描器满足关系式：1/2β≤2α≤3/2β，且所述2α≠β,其中，所述α为所述二维扫描器在慢轴方向上的单次转动角度，所述β为相邻两个所述激光束之间的夹角；
所述在慢轴方向上的单次转动角度指的是在所述二维扫描器沿快轴方向扫描的单位周期内，所述二维扫描器在慢轴方向上扫描一次转动的角度；
其中，快轴方向指的是所述二维扫描器的水平视场方向，慢轴方向指的是所述二维扫描器的垂直视场方向。
2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述α为1/4β。
3.根据权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，所述二维扫描器满足关系式：S1≥30mm2，其中，S1为二维扫描器的有效接收面积。
4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述激光接收组件与所述二维扫描器满足关系式：0.5≤S2/S1≤2，其中，S2为所述激光接收组件的有效接收面积，S1为所述二维扫描器的有效接收面积。
5.根据权利要求1-4任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述二维扫描器为2D振镜或微机电系统振镜。
6.根据权利要求1-5任一项所述的激光雷达，其特征在于，还包括：第一分光镜，所述第一分光镜位于所述激光发射组件和所述二维扫描器之间的光路上，并且所述第一分光镜还位于所述激光接收组件和所述二维扫描器之间的光路上；
所述第一分光镜上具有有分光膜，或者，所述第一分光镜上具有分光孔。
7.根据权利要求1-6任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射组件包括激光器组以及发射镜组；
所述激光器组用于发出至少两个所述激光束；
所述发射镜组用于将自所述激光器组发出的激光束反射至所述二维扫描器。
8.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述激光器组包括沿所述激光器组的垂直视场方向并排设置的多个激光器，所述多个激光器中的每个激光器均用于发出至少一束激光束；或者，所述激光器组包括一个激光器以及分光单元，所述一个激光器用于发出一束激光束，所述分光单元用于将所述一个激光器发出的一束激光束分成多束激光束。
9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述激光器为边缘发射器或垂直腔表面发射激光器。
10.根据权利要求8或9所述的激光雷达，其特征在于，所述分光单元包括以下器件中的任意一种：第二分光镜或衍射光学元件。
11.根据权利要求7-10任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光器组的发光面位于所述发光镜组的焦平面上。
12.根据权利要求7-10任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述发射镜组包括以下镜片中的任意一种或多种：球面透镜、非球面透镜或柱面镜。
13.根据权利要求1-12任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光接收组件包括接收镜组和探测器；
所述接收镜组用于将自所述二维扫描器反射的激光束反射至所述探测器。
14.根据权利要求13所述的激光雷达，其特征在于，所述探测器为硅光电倍增管、雪崩光电二极管或单光子雪崩二极管。
15.根据权利要求13或14所述的激光雷达，其特征在于，所述接收镜组包括以下镜片中的任意一种或多种：球面透镜、非球面透镜或柱面镜。
16.根据权利要求1-15任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射组件的光轴和所述激光接收组件的光轴平行。
17.根据权利要求1-16任一项所述的激光雷达，其特征在于，还包括：位于所述二维扫描器和目标物之间的视窗，所述视窗为平板结构或曲板结构。
18.根据权利要求17所述的激光雷达，其特征在于，所述视窗满足关系式：0≤γ≤45°，其中，γ为所述视窗的倾斜角度。
19.根据权利要求1-18任一项所述的激光雷达，其特征在于，还包括：至少一个光束折转镜；
所述至少一个光束折转镜用于折转激光光路，其中，所述激光光路包括以下光路中的至少一种：所述激光发射组件内的光路或所述激光接收组件内的光路。
20.根据权利要求19所述的激光雷达，其特征在于，所述至少一个光束折转镜的数量满足关系式：1≤M≤15，其中，M为所述至少一个光束折转镜的总数量。
21.一种电子设备，其特征在于，包括本体以及如权利要求1-20任一项所述的激光雷达，所述激光雷达安装在所述本体上。
22.一种车辆，其特征在于，包括车辆主体以及如权利要求1-20任一项所述的激光雷达，所述激光雷达安装在所述车辆主体上。
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