CN117741679A - 激光雷达和测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达，包括：发射单元，包括多个激光器和驱动电路，驱动电路配置成可驱动激光器以发出探测激光束，用以探测目标物；接收单元，包括多个探测器和模拟前端组件，探测器配置为可接收探测激光束被目标物反射的回波并转换为电信号，模拟前端组件与探测器耦接，并适于读取并放大探测器输出的电信号；处理单元，耦接到接收单元，并配置成可接收模拟前端组件处理后的电信号以计算目标物的距离和/或反射率；驱动电路集成于芯片，多个激光器和对应的所述驱动电路设置于同一块PCB板上，模拟前端组件集成于芯片，多个探测器和对应的模拟前端组件设置于同一块PCB板上。

Description

激光雷达和测距方法

本案是基于2020年8月28日提交的专利申请号为202010885895.7、发明名称为“激光雷达和测距方法”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本公开涉及光电探测领域，更具体的，涉及激光雷达和利用该激光雷达进行测距的方法。

背景技术

激光雷达是一种常用的测距传感器，具有探测距离远、分辨率高、受环境干扰小等特点，广泛应用于智能机器人、无人机、无人驾驶等领域。激光雷达的工作原理是利用探测激光束往返于激光雷达和目标之间所用的飞行时间(TOF)来评估距离的大小。

传统的机械雷达，发射光通过2次反射镜的折转，通过发射透镜组出射，入射到外界目标物上并被反射，回波通过接收透镜组，经过2次反射镜的折转后被探测器接收，之后经过后续的数字信号处理，通过计算飞行时间TOF，得出外界目标物与雷达的距离信息。

此外，传统的激光雷达是收发分置的光学系统，为了测试远距离的目标，激光发射光束与探测器的视场是在远距离(比如200m)对准的，如图1A所示，在距离激光雷达较近的某段距离范围内，激光发射光束与探测器的视场是完全没有交叠的，因此在这段距离范围，激光雷达的探测器不能接收到目标障碍物上反射的信号光，或者接收到的信号光极弱，这就是近距离盲区。近距离盲区或激光雷达近距离信号弱的原因是收发分置的非共光路结构，即，激光发射光路和信号接收光路不是完全重合的共光路结构，继续参考图1A，发射透镜和接收透镜之间是有水平方向的平移。

关于近距离盲区的产生，可以有2种解释:

第一种解释：参考图1A，近距离盲区是发射的激光光束在近距离处与接收视场完全不交叠的区域。这意味着激光雷达的探测器在这个区域“看不到”发射的激光光束，也就是说，探测器接收不到从这个区域的目标上反射回来的信号光,进而就无从生成这个区域的障碍物的点云图。

第二种解释：参考图1B，若近距离盲区内有一目标，从该近距离目标反射回来的信号光通过接收透镜所成的像点不在接收透镜的焦平面上，而是在焦平面之后。另外，因为近距离目标在接收透镜光轴的上方，所以它通过接收透镜所成的像点一定在接收透镜光轴的下方。综合这两方面的考虑，近距离目标反射光聚焦点与探测器的相对位置，如图1B所示意。在激光雷达的近距离盲区范围内，激光雷达探测器完全接收不到目标的反射信号。

传统的激光雷达存在较大的近距离盲区(比如＞5m)，盲区内(0-5m)的目标物无法被激光雷达探测到，进而对使用激光雷达的产品造成安全隐患。

并且，在传统的雷达中，发射端的激光器和激光器的驱动电路设置在不同的电路板上，甚至安装在不同的组件上，彼此间连接的走线较长，信号损耗较高。接收端的探测器和探测器所需要的模拟前端电路同样设置在不同的电路板上，甚至安装在不同的组件上，也存在类似的损耗问题，对于激光雷达这种高精度测距的系统而言，这些被损耗的信号也至关重要。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术存在的至少一个问题，本发明提供了一种激光雷达，包括：发射单元，包括多个激光器和驱动电路，所述驱动电路配置成可驱动所述激光器以发出探测激光束，用以探测目标物，其中所述发射单元还包括补盲单元，所述补盲单元配置成使得在激光雷达近距离范围内的目标物可接收到探测激光束，且反射的回波可被探测器接收；接收单元，包括多个探测器，所述探测器配置为可接收所述探测激光束被目标物反射的回波并转换为电信号；和处理单元，耦接到所述接收单元，并配置成可接收所述电信号，以计算所述目标物的距离和/或反射率。

本发明还提供一种激光测距方法，包括：

通过包括多个激光器和驱动电路的发射单元发出探测激光束；

通过补盲单元改变所述探测激光束的方向以使得近距离范围内的目标物可以接收到所述探测激光束、且反射的回波可被探测器接收；

通过多个探测器接收来自所述目标物的回波，将所述回波转换为电信号，

通过模拟前端组件读取所述探测器输出的电信号；和

根据所述电信号计算所述目标物的距离和/或反射率。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1A及图1B示出了近距离盲区产生的可能原因的示意图；

图1C示出了根据本发明一个实施例的激光雷达；

图1D示出了根据本发明一个实施例的激光雷达的应用场景；

图2示出了现有的激光雷达中激光器与驱动电路的设置方式；

图3A示出了根据本发明实施例发射单元；

图3B示出了本发明实施例的探测单元；

图4A示出了根据本发明一个实施例的激光雷达的俯视图；

图4B示出了根据图4A实施例的激光雷达的内部结构；

图4C示出了根据图4A实施例的激光雷达的俯视图；

图4D示出了根据图4A实施例的激光雷达的光路示意图；

图4E示出了采用图4A实施例以及现有激光雷达的盲区对比示意图；

图4F示出了根据图4A实施例的激光雷达的光路各参数关系示意图；

图5示出了根据本发明另一个实施例的补盲单元；

图6示出了根据本发明一个实施例的补盲光源；

图7示出了根据本发明一个实施例的激光雷达；

图8示出了上仓板和下仓板的示意图；

图9示出了从顶部观察的上仓板的示意图；

图10示出了光机转子的底视图；

图11示出了光机转子的立体视图；

图12、图12A和图13示出了发射透镜组和接收透镜组通过弹片组件被固定在激光雷达上的示意图；

图14示出了激光雷达的发射单元中安装有激光器和驱动电路的PCB电路板的安装示意图；

图15A和15B示出了激光雷达的接收单元中安装有探测器和模拟前端电路的PCB电路板的安装示意图；

图16A及图16B分别示出了激光雷达的发射端PCB电路板背面以及接收端PCB电路板背面的示意图；

图17示出了根据本发明实施例的一种测距方法；和

图18示出了根据本发明另一个实施例的一种测距方法。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。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所述特征。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。

在本发明的描述中，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"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或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发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1C示出了根据本发明一个实施例的激光雷达100，激光雷达可以被用于多种领域，比如无人驾驶、V2X、扫地机器人、物流小车等，图1D示出了根据本发明一个实施例的激光雷达的应用场景，下面参考附图详细描述。

如图1C所示，激光雷达100包括发射单元110、接收单元120和处理单元130。其中发射单元110包括多个激光器111和驱动电路112(如图3A所示)。所述驱动电路用于驱动所述激光器以发出探测激光束L1，用以探测目标物。所述激光器可以是边缘发射激光器(ee l)，也可以是垂直腔面发射激光器(vcse l)，甚至是ee l及vcse l的混合。具体的发光方式上，激光器可以是按照一定的顺序轮巡一一发光(降低串扰)，也可以部分激光器同时发光，还可以所有激光器同时发光。激光器在工作时例如需要建立高压，并且可以通过开关电路来控制激光器的通断，驱动电路可以用于为激光器建立其正常工作所需要的高压以及通断控制，从而控制激光器的发光时间和时长，以配合实现激光雷达产品探测距离的需求，以及兼顾人眼安全的指标。本发明不涉及驱动电路的具体结构，因此对驱动电路的结构不做过多描述。

接收单元120包括一个或多个探测器121和模拟前端组件122(如图3B所示)，所述探测器配置为可接收所述探测激光束L1被目标物反射的回波L1’并转换为电信号，所述模拟前端组件122与所述探测器121耦接，并适于读取并放大所述探测器输出的电信号。

根据本发明的一个实施例，所述探测器可以包括雪崩二极管APD。雪崩二极管APD输出的信号为模拟信号，另外通常较为微弱，因此模拟前端组件122可包括模数转换器ADC以及可选的信号放大电路，用于将雪崩二极管APD输出的模拟信号转换为数字信号，且放大，以便于后续的数字信号处理。根据本发明的一个实施例，所述探测器也可以包括大量的单光子雪崩二极管(SPADs)，每个单光子雪崩二极管都可以对入射的光子作出响应。对于单光子雪崩二极管，其输出的信号即为数字信号，相对应的，模拟前端组件122可包括时间数字转换器TDC。本发明中，探测器也可以包括其他类型的光电二极管或者探测器(诸如SiPM)，模拟前端组件与具体的探测器相对应即可，对探测器输出的信号进行读取并放大。

处理单元130耦接到所述接收单元120，并且可选地耦接到所述发射单元110，并配置成可接收所述电信号以计算所述目标物的距离和/或反射率。处理单元130根据探测脉冲的飞行时间，就可以计算出目标物的距离，根据回波的强度，就可以计算出目标物的反射率，此处不再赘述。

图2示出了本申请的发明人认为的现有的激光雷达中激光器与驱动电路的设置方式，如图2所示，多个激光器(以及电路板)设置在激光器支架上，驱动电路设置在发射电路支架上。激光器支架与发射电路支架相互分离，激光器与驱动电路之间通过软排线电连接，从而驱动激光器发光。在图2的设置方式中，发射端的激光器和激光器的驱动电路设置在不同的电路板上，二者之间走线较长，因此信号损耗较高。对于接收端的探测器和探测器所需要的模拟前端电路也存在类似的问题。

如图3A和3B所示，激光器111与驱动电路112设置于同一块PCB电路板上，探测器121与模拟前端组件122被设置于同一块PCB电路板上，相对于图2的现有技术方案，仅仅是直接从图上对比，亦可看到本申请的方案大大避免了走线较长的问题，对于高性能要求的激光雷达产品，即使是微弱的SNR的提升，都能对整体雷达探测效果有作用，何况是这么高的改善。另外，通过减小走线长度，能够优化或者减轻激光雷达的电串扰，有利于提高目标物的测距精度。

另外，采用芯片方案后，也可以减少现有激光雷达的板级电路中所需用的插接件，装配上也会比较方便。

图3A示出了根据本发明实施例发射单元10，其中驱动电路112与激光器111集成在同一块PCB电路板上。如图3A所示，驱动电路112集成为芯片的形式，多个激光器111连同与其相对应的驱动电路112设置在相同的PCB电路板上。根据本发明的一个实施例，所述驱动电路112与激光器111可以是一一对应的关系。可替换的，所述驱动电路112与激光器111是一对多的关系。例如如图3A所示，所述驱动电路112可以为多通道的芯片，比如可以连接并驱动4个激光器111。对于32线的激光雷达，可以使用4块驱动电路112的芯片。另外，优选的，激光器111工作所需要的GaN开关以及电容也可以设置在相同的PCB电路板上。所述GaN开关优选为双通道的GaN开关，即一个GaN开关对应连接2个激光器。当然也可以使用单通道的GaN开关。这些都在本发明的保护范围内。另外，设置有激光器111和驱动电路112的PCB电路板优选通过软盘线与激光雷达的上仓板相连接。

另外，本发明的实施例中，激光雷达的所有激光器连同相对应的驱动电路可以设置在一块PCB电路板上。可替换的，对于高线束的激光雷达，例如64线、128线的激光雷达，可以将所有的激光器连同驱动电路设置在一块PCB电路板上，同时考虑到装配更加简便、电阻隔性要求及雷达垂直分辨率的性能指标，此时也可以将激光器设置在多块电路板上，但确保每个激光器和与该激光器对应的驱动电路设置于同一块PCB板上，这样能够避免走线过长的问题。当然对于高线束的激光雷达，随着激光器封装尺寸的不断减小，将激光器连同驱动电路全部设置在同一块电路板上也是可行的，同样在本发明的保护范围内。

所述驱动电路112的芯片可以按照激光雷达工作的需求而进行配置。以16线激光雷达为例，例如在激光雷达转速为10HZ时候，每间隔0.1°就驱动16线激光器轮巡依次发光。在驱动激光器的过程中需要进行快速充放电，且现有技术中的板级电路中存在很多寄生电容对电路的工作以及速度造成影响，通过本发明的方案能够有效克服或者减轻这些技术问题。

图3B示出了本发明实施例的探测单元120，其中探测器121与模拟前端组件122集成在同一块PCB电路板上。如图3B所示，模拟前端组件122集成为芯片的形式，多个探测器121和与相对应的模拟前端组件122设置于同一块PCB电路板上。优选的，所述模拟前端组件122是多通道的芯片，例如如图3B所示，可以为16通道的芯片，每个芯片可连接16个探测器121，对探测器121输出的电信号进行读取和放大。对于32线的激光雷达，设置两块模拟前端组件122的芯片即可。所述探测器121可以是雪崩二极管，也可以是Si PM，还可以是SPADs。如图3B所示，所述模拟前端组件优选通过软盘线与激光雷达的上仓板相连接。

另外，本发明的实施例中，激光雷达的所有探测器121连同相对应的模拟前端组件122可以设置在一块PCB电路板上。可替换的，也可以将探测器设置在多块电路板上，但确保每个探测器和与该探测器对应的模拟前端组件122设置于同一块PCB板上，这样能够避免走线过长的问题。此处不再赘述。

激光雷达发射出的探测激光束经过目标物的漫反射后，部分回波返回到激光雷达，被激光雷达的探测器接收，并转换为电信号。当目标物距离激光雷达超过一定的距离范围(例如≥5米以内)时，发射视场与接收视场存在至少部分重合，因此被目标物反射回来的回波能够被激光雷达的接收透镜组汇聚到探测器上，进而该障碍物信息可以生成于激光雷达的点云图像上。而当目标物距离激光雷达较近(例如5米以内)时，此时发射视场与接收视场完全不存在重合，因此从激光雷达的角度看，则是点云图中并无法呈现该目标物的任何信息，也可以说激光雷达无法探测到目标物，关于近距离盲区产生的可能原因，请参考图1A及图1B相关介绍，此处不再赘述。对于现有的旁轴光路系统的激光雷达而言，通常都会具有一定的探测盲区，探测盲区内的目标物无法被激光雷达探测到，探测盲区的范围大小也是衡量一款激光雷达性能的重要指标。

本申请的发明人构思出，可以通过在激光雷达的发射端增加设置补盲单元，来大大缩小雷达的盲区。具体而言，补盲单元可以设置在激光器的光路下游，激光器发出的探测光束经过补盲单元的处理之后，可以被近距离范围内的目标物接收到，并且被该近距离范围内的目标物反射的回波可被探测器接收，进而被后续的信号处理单元处理，最终该障碍物的信息呈现于激光雷达扫描得到点云图中。换言之，补盲单元可以将发射光的一部分以特定角度向探测器的接收视场偏斜，因此通过补盲单元发射的光束，距离雷达很近的区域范围内就开始与探测器的接收视场产生交叠，从而减小近距离盲区范围。本申请通过采用补盲单元，大大降低了雷达的盲区范围，甚至完全消除了盲区，极大提升了雷达的性能。为了便于本领域技术人员更好地理解和实现本申请，下面参考具体的附图4A-4E详细描述补盲单元的各种实施例。在具体的实施中，近距离范围可以为0-3m，也可以为0.1m-2m，还可以为0.3m-2.5m，本领域技术人员在实际实施本申请时，可以根据激光雷达的探测距离需求、雷达的尺寸、雷达的透镜组的参数等信息适应性调整。补盲单元偏转角度与近距离盲区范围减小的关系参考图4F所示。图4F中光束偏转角为θ(θ为经补盲单元偏折的光束与接收光束的夹角)，补盲单元偏转的补盲光束从雷达出射的位置到接收透镜中心距离为d，接收透镜的直径为D，近距离信号增强的区域，距离接收透镜顶点最远为L，最近为L′，如图4F所示，那么它们之间满足下面的关系：

L＝L-D/tan0

因此通过上述关系式，根据需要增强的最近距离L′，确定补盲单元的安装位置、偏转角等参数。

图4A示出了根据本发明一个实施例的激光雷达100的俯视图。如图4A所示，激光雷达100的发射单元110包括激光器111、第一反射镜113(也可以称为第一反射部)和发射透镜组115。其中激光器111发射出探测激光束，探测激光束照射到所述第一反射镜113上，被朝着发射透镜组115反射，并且经发射透镜组115调制处理(例如准直)后从激光雷达100的光罩穿过且出射到周围的环境中。所述发射单元110还包括用作补盲单元的第二反射镜114(第二反射部)，第一反射镜113与第二反射镜114相对非平行设置即第一反射镜113与第二反射镜形成一个不等于零的夹角。相对于所述第一反射镜113，所述第二反射镜114将所述探测激光束朝着所述接收单元的接收光轴方向偏折更多，从而使得盲区内的至少部分目标物可以接收到所述探测激光束、且反射的回波可被探测器接收。

在图4A中，激光雷达工作过程中，从激光器111出射的探测激光束并不是严格的准直光，而是发散角比较大的发散光，因此会有一些光达到第二反射镜114上，由于这些光可以照到近距离的目标物上，因此虽然这部分光的强度相对较弱，但由于目标物的距离较小，因此回波强度也足以被探测器接收到，探测器输出的电信号可供后续的信号处理和计算。

第一反射镜113和第二反射镜114可以相邻设置，二者非平行地设置在所述激光器111的光路下游，以接收从激光器111发出的探测激光束。所述发射透镜组115设置在所述第一反射镜113和第二反射镜114的光路下游，探测激光束经所述第一反射镜和第二反射镜反射后直接入射到所述发射透镜组115，经所述发射透镜组115调制后出射。根据本发明的一个实施例，第一反射镜113与第二反射镜114二者可以是一体成型的，即属于同一个反射镜的不同部分(相互成一定角度)。可替换的，第一反射镜113与第二反射镜114二者也可以是相分离的反射镜，例如通过胶水或者机械固件固定在反射镜支架上，本申请对第一反射镜113与第二反射镜114的具体制成以及安装方式不做限定。

所述第一反射镜113可以用作主反射镜(主要是用于非盲区内其他障碍物的探测)，第二反射镜114可以用于补盲，优选地与第一反射镜113的反射面所成的角度大于180°，小于360°，优选地例如可以为190度，以增强近距离补盲功能。可以理解的是，第一反射镜113和第二反射镜114的反射面所成的夹角与整个激光雷达的光机转子的大小有关，夹角的设置既要考虑补盲，又要考虑被补盲反射镜反射后的光束可被偏折出射到雷达之外。另外，由于探测激光束经所述第一反射镜和第二反射镜反射后直接入射到所述发射透镜组115，这种一次折返的光路设计可以充分利用激光雷达的空间，在有限的空间中拉大雷达的焦距。本实施例中，第一反射镜113的宽度可以大于第二反射镜114，第二反射镜可以将光源的一部分光反射到距离激光雷达较近的目标物上，从而达到补盲的效果。

为了更便于增设补盲单元后的效果，图4D示出了增加了第二反射镜114之后激光雷达的光路示意图，图4E示出了增加了第二反射镜114之后激光雷达的盲区改善示意图，。参考图4D及图4E所示，激光器111出射的大部分激光入射到第一反射镜113上，经第一反射镜113反射，然后经反射透镜组115出射到激光雷达外部，形成探测激光束L1；激光器111出射的少部分激光(例如可以是发散角较大的偏边缘的一部分光)入射到第二反射镜114上，经第二反射镜114反射，然后经反射透镜组115出射到激光雷达外部，形成补盲激光束L2。相对于探测激光束L1，补盲激光束L2更加靠近接收透镜组125的接收光轴(参见图4A)。可以理解的是，补盲单元的作用就是将发射激光光束的一部分，从发射光束分出来，让其改变方向(也可以包括对发射光束的发散角的改变)，从距雷达很近的位置就开始与探测器的视场开始产生交叠。这样探测器就能接收到近距离目标反射的信号光，达到减小激光雷达近距离盲区的目的。参考图4E可见，采用补盲反射镜后，盲区大大减少，甚至可以减少至0。

继续参考图4A所示，接收单元120还可包括接收透镜组125以及设置在所述探测器121的光路上游的滤光片123和反射镜124。所述探测器121设置在所述接收透镜组125的焦平面上。其中反射镜124和滤光片123依次设置在接收透镜组125和探测器121之间。来自目标物的回波通过接收透镜组125被汇聚，然后通过反射镜124改变其方向，通过滤波片123后入射到探测器121上，并由探测器121转换为电信号。通过在探测器121的表面设置滤光片123，适于过滤入射至所述探测器的探测回波，选择预设波长范围的探测回波入射至所述探测器，可以降低噪声光的影响。同时，考虑不同光束入射角波长蓝移的问题,可以在平衡信噪比的大小的前提下，适当增加滤光片带宽。

图4B示出了根据图4A实施例的激光雷达的内部结构，图4C示出了激光雷达的俯视图。如图4B和图4C所示，所述发射单元110包括两片反射镜，分别为第一反射镜113和第二反射镜114，二者非平行地布置。另外，第一反射镜113的宽度大于第二反射镜114的宽度，第一反射镜113用于正常的激光雷达探测，第二反射镜114用于近距离补盲，即把光源111发出的探测激光束的一部分反射到距离激光雷达较近的障碍物上，从而达到补盲的效果。

另外，根据本发明的一个实施例，如图4C所示，在激光雷达的所述接收单元120中还包括挡光板126，该挡光板126位于所述反射镜124与探测器121之间，用于遮挡从所述反射镜124反射的部分回波，可以减少激光雷达点云中的鬼线。

图5示出了根据本发明另一个实施例的补盲单元。如图5所示，补盲单元包括位于发射透镜组115外部的第一补盲反射镜116和第二补盲反射镜117，第一补盲反射镜116和第二补盲反射镜117可以平行设置，也可以非平行设置，只要经过第一补盲反射镜116和第二补盲反射镜117折转后的探测光束可以相对未被折转的光束更靠近接收光轴，使得预设阈值范围内(例如≤5m)的障碍物可以接收到探测光束，且被这些障碍物反射回的回波可以被探测器接收，以最终让该障碍物的信息可以出现于雷达的点云中即可。第一补盲反射镜116接收从发射透镜组115出射的探测激光束，并将其朝着第二补盲反射镜117反射，第二补盲反射镜将探测激光束反射后出射至外部，形成补盲激光束L2，其中相对于自所述发射透镜组出射的探测激光束，补盲激光束L2进一步靠近接收透镜组125的光轴，从而增强补盲效果。

图4A-4D、以及图5分别示出了补盲单元的两个实施例。本领域技术人员容易构思，也可以将这两个实施例同时结合起来，从而将探测激光束进一步朝着接收透镜组125的接收光轴方向偏折，以进一步增强补盲效果。

另外，如图6所示，根据本发明的一个实施例，为了增强补盲的效果，补盲单元可以包括补盲光源(比如3-8个，具体个数根据需要选取，本申请以3个示例)，所述补盲光源设置于偏离所述发射透镜组的焦平面的位置。

如图6所示，激光器111与探测器121通常是一一对应的，激光器111设置在发射透镜组115的焦平面上，因此激光器111发射出的激光束经过反射、准直后，可以以平行光从激光雷达出射，当照射到最大探测距离(比如200m)处的目标物并且回波返回到激光雷达时，会被与该激光器111所对应的探测器121所接收。通常在距离激光雷达较近的区域内存在盲区，为了减少盲区，本实施例增加了补盲光源111’，其设置成偏离发射透镜组115的焦平面位置。因此，补盲光源111’发射出的激光被目标物反射后，回波在光电探测器上形成的光斑比较大(如图6中所示虚线所圈出)，能够覆盖多个探测器121(图6中显示覆盖了四个探测器121)。当目标物较远时，在探测器121上的光能量非常低，可能无法被探测器121所感测，或者将被当做噪声滤除，只有当近距离的目标物反射回来的回波，方足以被光电探测器接收到，因此可以用以对近距离补盲。

优选的，所述激光器包括边发射型激光器，所述探测器包括雪崩光电二极管APD，多个边发射型激光器优选并非同时发光，而是按照一定的顺序依次发光，可以降低各个探测通道之间的串扰，提高信噪比。所述激光器发射的探测激光脉冲可以采用双脉冲编码，例如通过双脉冲的时间间隔和/或幅值来进行编码，降低串扰。激光器的发光强度可以是固定的，即每次探测均以相同的功率进行发射。可替换的，激光器的发光强度可以动态调节，例如可以根据激光雷达的环境光的强度来动态调节。例如当激光雷达的环境光强度高于阈值时，提高激光器的发光强度或者功率；当环境光强度低于阈值时，降低激光器的发光强度或者功率。另外，也可以根据上一通道探测得到的目标物反射率来调整激光器的发光强度。例如当目标物反射率高时，可以适当降低激光器的发光强度或者功率；当目标物反射率低时，可以适当提供激光器的发光强度或者功率。

图7示出了根据本发明一个实施例的激光雷达，如图7所示，激光雷达还包括上仓板101、下仓板102以及转轴103，转轴103位于所述上仓板101和下仓板102之间。所述发射单元110和接收单元120构成的光机转子固定在所述上仓板上，并且由电机通过所述转轴驱动旋转。图7的实施例中，光机转子和上仓板101固定在一起，共同地由转轴103驱动旋转，旋转的频率例如为10Hz或20Hz，在旋转过程中每隔预设角度(例如0.1度或0.2度)进行一次探测，发射单元110的激光器进行轮巡发射，完成一个周期的发射，同时接收单元120接收回波并进行相应的信号处理，完成探测。

另外，在图7的实施例中，转轴103并未贯穿激光雷达的整体高度，而是仅占用激光雷达的少部分高度，因此可以将上仓板上方的空间全部用于激光雷达的光机转子，有助于空间的布置和利用。另外由于采用了非贯穿轴的方案，将转轴及轴承加大，可增强轴系寿命及可靠性。为了驱动所述转轴，激光雷达还可包括电机(未示出)，所述电机可以设置在下仓板102上。所述电机的接线端可以首先集成到一个软盘线，避免有焊接。

图8示出了上仓板101和下仓板102的示意图，图9示出了从顶部观察的上仓板101的示意图。如图8所示，激光雷达100还包括通信上板104和通信下板，其中所述通信下板与所述下仓板102集成在一起。所述通信上板104和通信下板之间可建立双向的无线通信链路。以双向通信链路为例进行说明。激光雷达的光机转子进行目标物探测后形成的探测信号可以通过下行的通信链路，从通信上板104传输到通信下板，进而传到下仓板，经过下仓板的如添加坐标系等操作后，进而生成激光雷达的点云；如若需要控制某些激光器发光或者调整某些激光器的发光强度或者选通某些探测器，对应的待发送到光机转子的控制信号可以通过上行的通信链路，从通信下板传输到通信上板104。所述通信上板设置腾空于转轴上，例如通过多个垫板将通信上板支撑在上仓板上方，使得通信上板与转轴间隔一定距离。通信上板104并且与上仓板101耦接。另外如图9所示，所述通信上板104例如为长条状。

图10示出了所述光机转子的仰视图，图11示出了所述光机转子翻转后的透视图。如图10和图11所示，所述光机转子的底部设置有与所述通信上板104相对应的空腔1011，用于容纳所述通信上板104。通过这样的方式，通信上板104被嵌入到光机转子中，因此通信上板104基本不会增加激光雷达的整体高度，有助于将激光雷达的高度保持在一个较小的水平，从而可以匹配各个客户的需求。

当探测器包括雪崩光电二极管APD时，所述接收单元还可包括放大电路和模数转换器ADC，所述放大电路与所述雪崩光电二极管耦接以放大所述电信号，所述模数转换器ADC与所述放大电路耦接，并对经放大的电信号进行模数转换。另外的或者可替换的，所述探测器包括S i PM或者单光子雪崩二极管SPAD，所述接收单元还包括时间数字转换器，所述时间数字转换器与所述探测器耦接。

现有的激光雷达中，发射透镜组和接收透镜组通常通过胶水固定。用胶水固定的操作过程较为繁琐，例如涉及到胶水的选择，胶水的固化温度，固化所需时长，固化造成的应力，以及固化后的耐温情况等。根据本发明的一个实施例，代替采用胶水来固定发射透镜组和接收透镜组，所述发射透镜组和接收透镜组可通过弹片组件与光机转子固定在所述激光雷达上。如图12、图12A和图13所示，发射透镜组115和接收透镜组125优选通过弹片组件107被固定在激光雷达上，从而实现更可靠的连接。所述弹片组件107可设置在激光雷达的框架或者壳体上，通过弹片组件的弹力或者通过利用螺钉紧固件，弹片组件107将发射透镜组115和接收透镜组125压紧就位。通过弹片组件来代替胶水后，能够大大提升激光雷达的可靠性。

图14示出了激光雷达的发射单元110中安装有激光器和驱动电路的PCB电路板的示意图。当固定该PCB电路板时，优选采用压板和螺丝的方式，而不采用胶水的方式进行固定。

图15A和图15B示出了激光雷达的接收单元120中安装有探测器121和模拟前端电路122的PCB电路板的安装示意图。当安装该PCB电路板时，优选采用螺丝的方式。图15A中示出了接收单元120的该电路板，如图所示，其上例如具有四个通孔。接收单元120还包括安装件(如图15B所示)，该安装件上同样具有通孔，位置例如与PCB电路板上的通孔相对应。螺钉穿过该安装件上的通孔以及电路板上的通孔，从而固定该电路板。另外，在装配该电路板时，图中左右方向、上下方向、以及垂直纸面方向上，均需要留有一定的裕量，以便于安装。例如所述电路板上的通孔以及安装件上的通孔，孔径均大于所述螺钉的直径，从而可以沿着图中左右方向和上下方向调节所述电路板，也就是调节所述探测器121的位置。这在激光雷达校准时是极为有利的，因为往往需要微调探测器121的位置，使其能够接收到相对应的激光器发出的探测激光束产生的回波。在图15A和图15B中垂直纸面的方向上，可在PCB电路板的底部通过加装垫片的方式来进行定位。

图16A和16B示出了发射单元的电路板以及接收单元的电路板的电连接方式。如图16A所示，发射单元具有连接线，该连接线一端连接到发射单元的电路板上，另一端具有一接头，可连接到激光雷达的上仓板101(如图7和图8所示)。类似的，如图16B所示，接收单元具有连接线，该连接线的一端连接到接收单元的电路板上，另一端具有接头，可连接到激光雷达的上仓板101(如图7和图8所示)。优选的，所述接收单元的连接线全部采用硬板线或者软板线，避免采用硬板线和软板线的混合方式。混合板线费用很高，因此可以大量节约成本。

如图17所示，本发明还涉及一种测距方法200，包括以下步骤。

在步骤S201，通过包括多个激光器和驱动电路的发射单元发出探测激光束，以探测目标物，其中所述驱动电路集成于芯片，多个激光器和所述驱动电路设置于同一块PCB板上。

在步骤S202，通过多个探测器接收来自所述目标物的回波，将所述回波转换为电信号。

在步骤S203，通过模拟前端组件读取所述探测器输出的电信号,其中，所述模拟前端组件集成于芯片，多个探测器和对应的模拟前端组件设置于同一块PCB板上。

在步骤S204，根据所述电信号计算所述目标物的距离和/或反射率。

根据本发明的一个实施例，所述激光测距方法200还包括：

通过设置在所述激光器的光路下游的补盲单元将所述探测激光束入射到近距离范围内的目标物上；

通过所述探测器接收来自所述近距离范围内的目标物的回波。

根据本发明的一个实施例，所述驱动电路，适于驱动所述多个激光器依次轮巡发光；

所述模拟前端组件，适于根据雷达的探测需求，放大不同探测器输出的电信号。

例如，激光器的驱动芯片是4通道的驱动芯片，对应地依次驱动4个激光器。每个模拟前端电路的芯片是16通道的芯片，不断在16个通道间切换，从而依次读取并放大每个探测器输出的电信号。

如图18所示，本发明还涉及一种测距方法300，包括以下步骤。

在步骤S301：通过包括多个激光器和驱动电路的发射单元发出探测激光束；

在步骤S302：通过补盲单元改变所述探测激光束的方向以使得近距离范围内的目标物可以接收到所述探测激光束、且反射的回波可被探测器接收；

在步骤S303：通过多个探测器接收来自所述目标物的回波，将所述回波转换为电信号；

在步骤S304：通过模拟前端组件读取所述探测器输出的电信号；和

在步骤S305：根据所述电信号计算所述目标物的距离和/或反射率。

根据本发明的一个实施例，所述驱动电路集成于芯片，多个激光器和与该多个激光器对应的所述驱动电路设置于同一块PCB板上；所述模拟前端组件集成于芯片，多个探测器和与该多个探测器对应的模拟前端组件设置于同一块PCB板上。

根据本发明的一个实施例，所述驱动电路适于驱动所述多个激光器依次轮巡发光；

所述模拟前端组件适于根据雷达的探测需求，放大不同探测器输出的电信号。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种激光雷达，包括：

发射单元，包括多个激光器和驱动电路，所述驱动电路配置成可驱动所述激光器以发出探测激光束，用以探测目标物；

接收单元，包括多个探测器和模拟前端组件，所述探测器配置为可接收所述探测激光束被目标物反射的回波并转换为电信号，所述模拟前端组件与所述探测器耦接，并适于读取并放大所述探测器输出的电信号；和

处理单元，耦接到所述接收单元，并配置成可接收模拟前端组件处理后的所述电信号，以计算所述目标物的距离和/或反射率；

其中，所述驱动电路集成于芯片，多个激光器和与该多个激光器对应的所述驱动电路设置于同一块PCB板上；所述模拟前端组件集成于芯片，多个探测器和与该多个探测器对应的模拟前端组件设置于同一块PCB板上。

2.如权利要求1所述的激光雷达，其中所述发射单元还包括补盲单元，所述补盲单元配置成使得近距离范围内的目标物可以接收到探测激光束，且反射的回波可被探测器接收。

3.如权利要求2所述的激光雷达，其中所述发射单元包括第一反射部，所述补盲单元包括第二反射部，所述第一反射部和第二反射部相对非平行设置。

4.如权利要求3所述的激光雷达，相对于所述第一反射部，所述第二反射部将所述探测激光束朝着所述接收单元的光轴方向偏折更多。

5.如权利要求4所述的激光雷达，其中所述第一反射部和第二反射部是分离的反射镜；或者，所述第一反射部和第二反射部是同一反射镜的不同部分。

6.如权利要求3-5中任一项所述的激光雷达，其中所述第一反射部和第二反射部的反射面所成的角度大于180°并且小于360°。

7.如权利要求2所述的激光雷达，其中所述发射单元包括第一反射部及发射透镜组，所述补盲单元包括第一补盲反射镜和第二补盲反射镜；

所述第一补盲反射镜，适于从发射透镜组接收探测激光束，之后将该探测激光束反射至所述第二补盲反射镜；

第二补盲反射镜，适于将所述探测激光束再反射后，从激光雷达出射至外部；其中，出射至外部的探测激光束相对于自所述发射透镜组出射的探测激光束，更靠近所述接收单元的光轴。

8.如权利要求2所述的激光雷达，其中所述发射单元还包括发射透镜组，所述补盲单元包括补盲光源；

所述发射透镜组，设置在所述激光器的光路下游；

所述补盲光源，设置于偏离所述发射透镜组的焦平面位置。

9.如权利要求1-8中任一项所述的激光雷达，还包括上仓板、下仓板以及位于所述上仓板和下仓板之间的转轴；

所述发射单元和接收单元构成的光机转子固定在所述上仓板上，并且由电机通过所述转轴驱动旋转。

10.如权利要求9所述的激光雷达，还包括通信上板和通信下板，所述通信上板和通信下板之间可建立双向的无线通信链路，其中所述通信下板与所述下仓板集成于一体；

所述通信上板设置腾空于转轴上，且与上仓板耦接；

所述光机转子的底部，设置有与所述通信上板相匹配的容纳腔，用于容纳所述通信上板。

11.如权利要求1-10中任一项所述的激光雷达，其中所述接收单元还包括设置在所述探测器的光路上游的滤光片，适于选择预设波长范围的探测回波入射至所述探测器。

12.如权利要求1-10中任一项所述的激光雷达，其中所述探测器包括雪崩光电二极管；

所述处理单元还包括模数转换器，所述模数转换器与所述雪崩光电二极管耦接，并对所述电信号进行模数转换。

13.如权利要求1-10中任一项所述的激光雷达，其中所述探测器包括SiPM或者SPAD(s)，所述处理单元还包括时间数字转换器，所述时间数字转换器与所述探测器耦接。

14.如权利要求1-10中任一项所述的激光雷达，其中所述激光器包括边缘发射激光器或垂直腔面发射激光器。

15.如权利要求1-10中任一项所述的激光雷达，还包括接收透镜组，所述探测器设置在所述接收透镜组的焦平面上，所述接收透镜组配置成将所述回波汇聚到所述探测器上。

16.如权利要求15所述的激光雷达，其中所述发射透镜组和接收透镜组通过弹片组件与光机转子固定。

17.一种激光测距方法，包括：

通过包括多个激光器和驱动电路的发射单元发出探测激光束，以探测目标物，其中所述驱动电路集成于芯片，多个激光器和与该多个激光器对应的所述驱动电路设置于同一块PCB板上；

通过多个探测器接收来自所述目标物的回波，将所述回波转换为电信号；

通过模拟前端组件读取所述探测器输出的电信号,其中，所述模拟前端组件集成于芯片，多个探测器和与该多个探测器对应的模拟前端组件设置于同一块PCB板上；和

根据所述电信号计算所述目标物的距离和/或反射率。

18.如权利要求17所述的激光测距方法，还包括：

通过补盲单元将所述探测激光束入射到近距离范围内的目标物上；

通过所述探测器接收来自所述近距离范围内的目标物的回波。

19.如权利要求17或18所述的激光测距方法，其中所述驱动电路，适于配合雷达的转速，驱动所述多个激光器依次轮巡发光；

所述模拟前端组件，适于根据雷达的探测需求，放大不同探测器输出的电信号。