CN117949926A - 一种激光雷达系统及其感兴趣区域分辨率提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达系统及其感兴趣区域分辨率提升方法，所述激光雷达系统包括主控模块、激光发射单元、反射镜、发射光学系统、光束偏转装置、窗口片、探测目标、接收光学系统、光电探测器和信号处理单元。本发明提供了一种激光雷达系统及其感兴趣区域分辨率提升方法，在保证激光雷达具有高线数的同时，又可以提高中心视场区域分辨率，同时还可以降低激光雷达的垂直高度。

Description

一种激光雷达系统及其感兴趣区域分辨率提升方法

技术领域

本发明涉及一种激光雷达系统及其感兴趣区域分辨率提升方法。

背景技术

激光雷达LiDAR(Light Detection And Ranging)是激光探测和测距系统的简称，通过发射并接收激光光束探测目标的三维结构、空间位置、表面反射率、运动状态等信息。激光雷达包含主控模块，光源驱动模块，激光源、收发光学系统、光束偏转装置，视窗片等，通常利用光的飞行时间法(Time Of Flight, TOF)进行测距。TOF激光雷达通过发射和接收激光脉冲，获得空间目标的距离、反射强度、速度等信息，形成具有一定属性的三维空间点云。激光雷达点云具有一定大小的视场角（Field of View，FOV），包括垂直（V-FOV）和水平（H-FOV）两个方向，例如：120°*25°。传统车载激光雷达在整个FOV范围内，点的分布是均匀的，或者大致均匀的。然而，垂直视场的中心区域，往往是智能驾驶感知最感兴趣的区域，上下边缘区域对于智能驾驶的感知，作用不如中心区域重要。

车载激光雷达输出的是稀疏点云，为了提高感知的准确度和精度，通常需要提高激光雷达线数，增加感兴趣区域（Range of Interesting，ROI）的分辨率。激光雷达线数指的是在垂直方向上排列的水平扫描的线的数目，在数值上等于视场角大小除以垂直方向上的分辨率（线数=VFOV/垂直角分辨率）。传统的激光雷达通过改变激光发射器的发射频率间隔，控制扫描结构的旋转或者振动速率来实现ROI区域的分辨率提高。这样的系统方案，通常会给光机电系统的控制带来很多的限制，增加设计难度，需要解决激光发射器和机电单元控制的精确同步问题。并且，随着车载激光雷达使用寿命的增加，控制精度会越来越低，影响激光雷达的可靠性。另外，传统的转镜扫描或者微机电振镜（MEMS）扫描方案，要实现高线数的设计，要么是在垂直方向增加激光器个数，要么是增加新的光学振镜，两种方法对会增加激光雷达的体积，给装车布置带来难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，本发明提供了一种激光雷达系统及其感兴趣区域分辨率提升方法，在保证激光雷达具有高线数的同时，又可以提高中心视场区域分辨率，同时还可以降低激光雷达的垂直高度。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

本发明一方面提供一种激光雷达系统，它包括主控模块、激光发射单元、反射镜、发射光学系统、光束偏转装置、窗口片、探测目标、接收光学系统、光电探测器和信号处理单元；

所述主控模块用于进行激光雷达系统的全局控制；

所述激光发射单元用于发射激光脉冲；

所述反射镜用于对激光发射单元发射的激光光束进行偏转；

所述发射光学系统用于对经过反射镜发射的激光光束进行准直、偏转、隔离；

所述光束偏转装置用于对偏转激光光束进行一定视场范围内的扫描；

所述窗口片用于对发射的指定波长的激光光束进行增透，并且对其他波长的激光光束进行阻挡；

所述探测目标为探测视场角范围内的可探测物体；

所述接收光学系统用于将从探测目标反射回来的激光脉冲输出至光电探测器；

所述光电探测器用于接收反射回来的激光脉冲信号；

所述信号处理单元用于对光电探测器接收的激光脉冲信号进行处理，通过主控模块的计时电路获取激光脉冲的飞行时间，同时获取回波信号强度，形成单点探测数据发送至主控模块。

进一步，所述主控模块包括处理器、诊断模块、通信模块和计时模块；

所述处理器用于进行激光发射接收控制、进行光束偏转装置控制和通信控制；

所述诊断模块用于系统安全性诊断；

所述通信模块用于处理器和上位机进行通信；

所述计时模块用于对激光飞行时间进行计时。

进一步，所述激光发射单元包括激光驱动电路、功率器件、激光器阵列和散热模组；

所述激光驱动电路用于接收主控模块的激光发射命令，生成激光脉冲发射信号发送至功率器件，所述功率器件根据接收到的激光脉冲发射信号驱动激光器阵列发射出特定脉冲形状的激光，所述散热模组用于对整个激光发射单元进行散热。

进一步，所述激光器阵列由多个半导体激光器组成。

进一步，所述半导体激光器的排列形式包括单排排列形式、双排排列形式和多排排列形式，所述双排排列形式包括双排交叉排列形式和双排平行排列形式，所述多排排列形式包括多排交叉排列形式。

进一步，所述激光发射单元还包括微透镜准直模块，所述微透镜准直模块用于对激光器阵列发射出的激光进行准直。

进一步，所述反射镜为自由曲面反射镜或平面反射镜。

进一步，所述自由曲面反射镜为连续自由曲面镜或非连续自由曲面镜。

本发明另一方面提供一种激光雷达系统的感兴趣区域分辨率提升方法，它包括：

设置激光发射单元发射的两个相邻激光脉冲的时间间隔；

将两组激光器阵列进行上下排列，上下两组激光器阵列分别包括n个半导体激光器，n＞1；

使用上下两个自由曲面反射镜对称放置，位于上方的自由曲面反射镜的反射面朝向位于上方的激光器阵列设置，位于下方的自由曲面反射镜的反射面位于下方的激光器阵列设置；

上下两组激光器阵列发射的激光光束经自由曲面反射镜反射后，再由光束偏转装置进行偏转。

进一步，所述两个相邻激光脉冲的时间间隔为：

；

其中，表示最大脉冲间隔；/>表示水平视场中心的最小脉冲间隔；θ表示脉冲发射方向与水平视场中心之间的夹角；HFOV表示水平视场角的大小。

采用了上述技术方案，本发明可以根据设计需要提升激光雷达ROI区域的垂直方向点云的分辨率，通过控制激光脉冲的发射频率，提升ROI区域水平方向的点云的分辨率，在实现ROI区域分辨提升的同时，做到光学发射模块和光学扫描模块的解耦，在保证激光雷达具有高线数的同时，又可以提高中心视场区域分辨率，同时还可以降低激光雷达的垂直高度，进而减小激光雷达的体积。

相比于传统的激光雷达，本发明的激光雷达系统在发射光学系统前加了一套特殊反射镜，反射镜可根据实际需要选在曲面镜或者平面镜。相比于传统激光雷达，本发明在半导体激光器器件上，增加了微透镜，用于激光的准直，其优点是可以提高曲面反射镜反射后光线的平行度。

附图说明

图1为本发明的激光雷达系统的原理框图；

图2为本发明的主控模块的原理框图；

图3为本发明的激光发射单元的原理框图；

图4为本发明的微透镜准直模块的安装示意图；

图5为本发明的自由曲面反射镜的安装示意图；

图6为本发明的平面反射镜的安装示意图；

图7为本发明的激光雷达系统在垂直方向提升分辨率时激光发射单元和反射镜的安装示意图；

图8为本发明的非连续自由曲面镜的连续拼接示意图；

图9为本发明的非连续自由曲面镜的阶梯状拼接示意图；

图10为本发明的非连续自由曲面镜的锯齿状拼接示意图；

图11为本发明的半导体激光器的双排交叉排列形式的示意图；

图12为本发明的半导体激光器的双排平行排列形式的示意图；

图13为本发明的半导体激光器的多排交叉排列形式的示意图；

图14为本发明的半导体激光器的发光时间的示意图；

图15为本发明的半导体激光器的发光间隔的示意图；

图16为本发明的激光雷达系统的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种激光雷达系统，它包括主控模块、激光发射单元、反射镜、发射光学系统、光束偏转装置、窗口片、探测目标、接收光学系统、光电探测器和信号处理单元，本实施例的探测目标为探测视场角范围内的可探测物体。

如图2所示，本实施例的主控模块用于进行激光雷达系统的全局控制，用于激光发射接收控制、光束偏转控制、通信控制、故障诊断、电路计时等。主控模块包括处理器、诊断模块、通信模块和计时模块，处理器用于进行激光发射接收控制、进行光束偏转装置控制和通信控制；诊断模块用于系统安全性诊断；通信模块用于处理器和上位机进行通信；计时模块用于对激光飞行时间进行计时。

如图3所示，本实施例的激光发射单元用于发射激光脉冲，激光发射单元包括激光驱动电路、功率器件、激光器阵列和散热模组，激光驱动电路用于接收主控模块的激光发射命令，生成激光脉冲发射信号发送至GaN功率器件，GaN功率器件根据接收到的激光脉冲发射信号驱动激光器阵列发射出特定脉冲形状的激光。在激光发射单元工作过程中，会产生大量的热量，散热模组用于对整个激光发射单元进行散热。

其中，激光器阵列由多个半导体激光器组成，半导体激光器可以是EEL（边缘发射激光器），也可以是VCSEL（垂直腔面发射激光器）。半导体激光器的排列形式包括单排排列形式、双排排列形式和多排排列形式，双排排列形式包括双排交叉排列形式和双排平行排列形式，多排排列形式包括多排交叉排列形式。为了达到特定的扫描效果，提高扫描效率，半导体激光器除了可以单排配置外，在某些情况下，还可以是双排配置和多排配置。配置模式包括但不限于：如图11所示，双排交叉配置。如图12所示，双排平行配置。如图13所示，多排交叉配置。

另外，激光发射单元还包括微透镜准直模块，微透镜准直模块用于对激光器阵列发射出的激光进行准直。如图4所示，每个半导体激光器2上都带有微透镜准直模块1，用于激光的准直。

如图1所示，本实施例的反射镜用于对激光发射单元发射的激光光束进行偏转；激光经过反射镜反射后，经过发射光学系统到达光束偏转装置。如图5、6所示，本实施例的反射镜为自由曲面反射镜3或平面反射镜5，反射镜的作用是让每个半导体激光器发出的光线，都平行的出射。激光器阵列4水平放置（本实施例以水平反向为例，但不限于水平方向），半导体发射的激光脉冲经自由曲面镜反射后也是水平出射。如图5、6所示，位于左侧的两个相邻半导体激光器发射的激光光束，水平出射后，出射光线的竖直方向的距离小于右侧两个相邻半导体激光器发射的激光光束，水平出射后的出射光线的间距。并且是越往右侧，出射光线的间距越小。间距的变化幅度由自由曲面镜和激光器出射光线的角度决定。如果半导体曲面镜选用平面反射镜，出射光线的间距是固定的，间距d和相邻激光器的间距是一致的。图中示例展示的是激光器均匀分布，激光器不均匀分布也可以。半导体激光器的准直激光脉冲，经过反射镜反射后，光路发生转变，光路在经过扫描装置的偏转，便可以实现真个FOV视场的扫描。

其中，本实施例的自由曲面反射镜为连续自由曲面镜或非连续自由曲面镜。如图8、9、10所示，非连续自由曲面镜6可以是拼接镜面。如图8所示，拼接可以是连续拼接的。如图9所示，也可以是阶梯状拼接的。如图10所示，还可以是锯齿状拼接的。拼接的形式本发明不做限制，最终的效果是实现出射光的平行出射。

如图1所示，本实施例的发射光学系统用于对经过反射镜的激光光束进行准直、偏转、隔离，可以采用激光准直透镜、透镜、反射镜、光阑等。

如图1所示，本实施例的光束偏转装置用于对偏转激光光束，实现一定视场范围内的扫描，比如120°*25°，本实施例的光束偏转装置可以是旋转镜、三面旋转镜、四面旋转镜、或者多面旋转镜，也可以是振镜或者微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)振镜。

如图1所示，本实施例的窗口片是激光对外发射的窗口，用于对发射的指定波长的激光光束进行增透，并且对其他波长的激光光束进行阻挡。通常作镀膜处理，窗口片还具有加热功能、具有耐腐蚀、耐日光老化、耐碎石冲击的能力。

如图1所示，本实施例的接收光学系统用于将从探测目标反射回来的激光脉冲输出至光电探测器，接收光学系统可以由反射镜、透镜、光阑、滤光片组成。

如图1所示，本实施例的光电探测器用于接收反射回来的激光脉冲信号。

如图1所示，本实施例的信号处理单元用于对光电探测器接收的激光脉冲信号进行处理，通过主控模块的计时电路获取激光脉冲的飞行时间，同时获取回波信号强度等信息，形成单点探测数据发送至主控模块，再由主控模块处理后发送至上位机。

本实施例的激光雷达系统的工作原理为：

如图16所示，激光雷达系统启动后，主控模块检查各模块是否正常工作。各模块处在正常工作模式下，主控模块控制激光发射单元发射激光脉冲，并触发计时电路开始计时，激光脉冲经反射镜、发射光学系统、光束偏转装置、窗口片发射出去。发射出去的激光脉冲经探测目标反射后，再经窗口片和接收光学系统达到光电探测器。光电探测器将接收的激光脉冲转换成数字信号，经信号好处理电路处理后获取精确的飞行时间和反射强度信息。主控模块将获取到到的单点数据进行组帧，组成目标空间的三维点云，通过通信模块发送至上位机。在整个过程中，主控模块控制光束偏转装置，实现对目标视场范围的扫描（FOV）。雷达系统获取的点云信息包括目标的距离、角度、反射特性等信息。

实施例二

本实施例提供一种激光雷达系统的感兴趣区域分辨率提升方法，它包括：

设置激光发射单元发射的两个相邻激光脉冲的时间间隔，如图14所示，为了实现水平方向的均匀扫描，在进行水平扫描时，半导体激光器的发光间隔是均匀的，N+1表示一次水平扫描需要的脉冲发射次数，δt表示两次发光之间的时间间隔，t₀表示某次水平扫描的第一次发光时刻。为了实现感兴趣区域分辨率提升效果，水平方向的点云可以通过控制发光间隔来实现分辨率的提升。如图15所示，越是靠近水平中心区域，时间间隔越小。举例说明：假设时间间隔按正弦规律变化，在水平扫描时，两个相邻激光脉冲的时间间隔可表示为：

；

其中，表示最大脉冲间隔；/>表示水平视场中心的最小脉冲间隔；θ表示脉冲发射方向与水平视场中心之间的夹角，θ的取值范围由水平视场角大小决定；HFOV表示水平视场角的大小，如果HFOV=120°，θ的取值范围则是[-60°，60°]。

如图7所示，将两组激光器阵列4进行上下排列，上下两组激光器阵列4分别包括n个半导体激光器，n＞1；

使用上下两个自由曲面反射镜3对称放置，位于上方的自由曲面反射镜3的反射面朝向位于上方的激光器阵列4设置，位于下方的自由曲面反射镜3的反射面位于下方的激光器阵列4设置；

上下两组激光器阵列4发射的激光光束经自由曲面反射镜反射后，再由光束偏转装置进行偏转。

本实施例以垂直方向为例，但不限于垂直方向。为了提升激光雷达垂直方向分辨率，使用两个自由曲面镜激光发射系统，按照图7进行放置。举例说明：要实现128线的扫描，并且在视场中心区域垂直方向点云密度大于边缘区域的点云密度。可以将128个半导体激光器分两组进行上下排列，上面一列64个激光器，下面一列64个激光器，使用两个自由曲面镜对置放置，对自由曲面镜进行合理的曲率设计，便可以实现，128路光线经光束偏转装置进行偏转后，便可实现具有ROI（Range of Interesting）增强功能的激光雷达扫描效果。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光雷达系统，其特征在于：它包括主控模块、激光发射单元、反射镜、发射光学系统、光束偏转装置、窗口片、探测目标、接收光学系统、光电探测器和信号处理单元；

所述主控模块用于进行激光雷达系统的全局控制；

所述激光发射单元用于发射激光脉冲；

所述反射镜用于对激光发射单元发射的激光光束进行偏转；

所述发射光学系统用于对经过反射镜发射的激光光束进行准直、偏转、隔离；

所述光束偏转装置用于对偏转激光光束进行一定视场范围内的扫描；

所述窗口片用于对发射的指定波长的激光光束进行增透，并且对其他波长的激光光束进行阻挡；

所述探测目标为探测视场角范围内的可探测物体；

所述接收光学系统用于将从探测目标反射回来的激光脉冲输出至光电探测器；

所述光电探测器用于接收反射回来的激光脉冲信号；

所述信号处理单元用于对光电探测器接收的激光脉冲信号进行处理，通过主控模块的计时电路获取激光脉冲的飞行时间，同时获取回波信号强度，形成单点探测数据发送至主控模块。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于：所述主控模块包括处理器、诊断模块、通信模块和计时模块；

所述处理器用于进行激光发射接收控制、进行光束偏转装置控制和通信控制；

所述诊断模块用于系统安全性诊断；

所述通信模块用于处理器和上位机进行通信；

所述计时模块用于对激光飞行时间进行计时。

3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于：所述激光发射单元包括激光驱动电路、功率器件、激光器阵列和散热模组；

所述激光驱动电路用于接收主控模块的激光发射命令，生成激光脉冲发射信号发送至功率器件，所述功率器件根据接收到的激光脉冲发射信号驱动激光器阵列发射出特定脉冲形状的激光，所述散热模组用于对整个激光发射单元进行散热。

4.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于：所述激光器阵列由多个半导体激光器组成。

5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于：所述半导体激光器的排列形式包括单排排列形式、双排排列形式和多排排列形式，所述双排排列形式包括双排交叉排列形式和双排平行排列形式，所述多排排列形式包括多排交叉排列形式。

6.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于：所述激光发射单元还包括微透镜准直模块，所述微透镜准直模块用于对激光器阵列发射出的激光进行准直。

7.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于：所述反射镜为自由曲面反射镜或平面反射镜。

8.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于：所述自由曲面反射镜为连续自由曲面镜或非连续自由曲面镜。

9.一种如权利要求1～8中任一项所述的激光雷达系统的感兴趣区域分辨率提升方法，其特征在于，它包括：

设置激光发射单元发射的两个相邻激光脉冲的时间间隔；

将两组激光器阵列进行上下排列，上下两组激光器阵列分别包括n个半导体激光器，n＞1；

使用上下两个自由曲面反射镜对称放置，位于上方的自由曲面反射镜的反射面朝向位于上方的激光器阵列设置，位于下方的自由曲面反射镜的反射面位于下方的激光器阵列设置；

上下两组激光器阵列发射的激光光束经自由曲面反射镜反射后，再由光束偏转装置进行偏转。

10.根据权利要求9所述的激光雷达系统的感兴趣区域分辨率提升方法，其特征在于：所述两个相邻激光脉冲的时间间隔为：

；

其中，表示最大脉冲间隔；/>表示水平视场中心的最小脉冲间隔；θ表示脉冲发射方向与水平视场中心之间的夹角；HFOV表示水平视场角的大小。