CN118011362A - 一种激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达，涉及基于光电探测的激光雷达技术领域，包括：激光发射模组，包括激光发射光路及N个用于发出激光束的激光光源，该N个激光光源安置于激光发射光路焦平面并围绕激光发射光路光轴圆周分布；光信号接收模组包括光信号接收光路及N个光电探测单元，该N个光电探测单元安置于光信号接收光路焦平面并围绕光信号接收光路光轴圆周分布，该激光发射模组与该光信号接收模组设计为光轴重合的嵌套结构，N个该激光光源与N个该光电探测单元一一对应，共同形成N个平行光路收发对；该激光发射光路与该光信号接收光路共用光学扫描模组，通过光学扫描模组旋转扫描实现激光雷达视场覆盖。本发明用以实现空间高密度扫描。

Description

一种激光雷达

技术领域

本发明涉及基于光电探测的激光雷达技术领域，特别是涉及一种激光雷达。

背景技术

激光雷达由于其高精度、高分辨率等测量优势已被广泛应用于各个领域。特别是在自动驾驶汽车领域，无论是标定、测试还是实际场景应用，激光雷达作为核心传感器都是必不可少的。

激光雷达用于发射激光信号，对环境中的目标进行扫描，激光信号能够快速遍历预定视场范围内的所有点位，实现视场全覆盖，是本领域技术人员对激光雷达性能指标的基础需求。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种激光雷达，具有平行光路的同轴嵌套光路系统以实现空间高密度扫描。

更进一步的，实现扫描点位在扫描视场内倾斜环绕分布，扩展激光扫描的可覆盖点位，加快扫描过程中空间遍历的进程。

更进一步的，使得扫描模式侧重于优先进行垂直视场的覆盖，增大轨迹倾斜程度，增强扫描网格细密度，以通过延长扫描时长提升分辨率。

本发明公开了一种激光雷达，包括：

激光发射模组，包括激光发射光路以及N个用于发出激光束的激光光源，该N个激光光源安置于激光发射光路焦平面并围绕激光发射光路光轴圆周分布；

光信号接收模组，包括光信号接收光路以及N个光电探测单元，该N个光电探测单元安置于光信号接收光路焦平面并围绕光信号接收光路光轴圆周分布，该激光发射模组与该光信号接收模组设计为光轴重合的嵌套结构，N个激光光源与N个光电探测单元一一对应，共同形成N个平行光路收发对；

光学扫描模组，该激光发射光路与该光信号接收光路共用该光学扫描模组，通过该光学扫描模组旋转扫描实现激光雷达视场覆盖。

N个激光束围绕该激光发射光路光轴形成空间汇聚发射模式，基于该N个平行光路收发对、激光发射光路以及光信号接收光路形成N组方向不同大小相同的激光探测指向角。

该激光发射模组安置于该光信号接收模组的外围，满足：

tan(θ_t)=tan(θ_r)=R_t/f_t=R_r/f_r ，f_t>f_r ，R_t>R_r ；

或者，该光信号接收模组安置于该激光发射模组的外围，满足：

tan(θ_t)=tan(θ_r)=R_t/f_t=R_r/f_r ，f_t<f_r ，R_t<R_r ；

f_t为激光发射光路焦距，f_r为光信号接收光路焦距，R_t为N个激光光源所在圆周半径，R_r为N个光电探测单元所在圆周半径，θ_t为平行光路中激光发射光路的激光探测指向角，θ_r为平行光路中光信号接收光路的激光探测指向角。

该激光发射光路光轴与该光信号接收光路光轴重合，形成同一平行光路收发对的激光光源与光电探测单元相对激光发射光路光轴的相位相同。

该光学扫描模组包括透射扫描单元和反射扫描单元。

该透射扫描单元采用圆形楔镜，该反射扫描单元采用旋转反射镜。

该圆形楔镜旋转带动N个激光束各自进行周期性转动，产生N个闭合扫描轨迹，相邻闭合扫描轨迹实现空间相交或相切；该N个闭合扫描轨迹围绕该激光发射光路光轴排布。

该旋转反射镜旋转带动出射于该圆形楔镜的N个激光束在进行360°空间扫描的同时实现像旋扫描。

通过该光学扫描模组的旋转，形成N组激光收发探测扫描轨迹，该N组激光收发探测扫描轨迹围绕该激光发射光路光轴排布且该N组激光收发探测扫描轨迹的空间分布方式与该N个激光光源在激光发射光路焦平面上的角度分布方式相关。

该旋转反射镜为反射镜或者具有反射面的透光介质体。

该光学扫描模组还包括视场调整楔镜单元，设置于该旋转反射镜的激光出射端，用于整体调整该激光雷达的垂直视场。

该圆形楔镜包括多个并列排布的子楔镜。

多个子楔镜具有至少2种不同楔角。

本发明的激光雷达可实现扫描点位在扫描视场内倾斜环绕分布扩散，对预定视场的点位进行快速遍历覆盖。本发明的扫描模式侧重于大角度的像旋翻转扫描，可优先进行垂直视场的覆盖，增大了轨迹倾斜程度，增强扫描网格细密度，提升分辨率。

本发明具有收发同轴嵌套光路系统，以实现收发平行视场，配合多个激光束的角度差异，实现更大角度的像旋翻滚，以实现倾斜式的扫描，获得更多目标物细节。同时实现扫描图案均匀分布，提高扫描效率。扩大收光区域，改善光学系统性能。

附图说明

图1所示为本发明的激光雷达的结构示意图。

图2所示为本发明的激光发射模组的光路示意图。

图3、4所示为本发明的激光雷达的结构示意图。

图5所示为本发明的光学扫描模组的光路示意图。

图6、7所示为本发明的平行光路的光路示意图。

图8、9所示为激光光源以及光电探测单元排布示意图。

图10所示为N个激光光源的激光束经圆形楔镜的旋转而产生的闭合扫描轨迹的俯视图。

图11所示为闭合扫描轨迹A、C的侧视图。

图12所示为闭合扫描轨迹B、D的侧视图。

图13-20所示为在圆形楔镜旋转过程中，第一种旋转中4个激光束所组成的不规则四边形的相对位置关系图形。

图21、22所示为N个激光光源的激光束经圆形楔镜的旋转而产生的闭合扫描轨迹的俯视图。

图23、24所示为第二种旋转中4个激光束经过旋转反射镜带动产生像旋的示意图。

图25所示为基于旋转反射镜转动带动N个激光束的整体实现的轨迹路径。

图26、27所示为投射在环境中的扫描图案。

图28所示为圆形楔镜的结构示意图。

图29所示为本发明的扫描方法流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例描述本发明的技术方案的实现过程，不作为对本发明的限制。

本发明提供了一种激光雷达，具有平行光路的同轴嵌套光路系统以实现空间高密度扫描，提高扫描效率。本发明的激光雷达可实现扫描点位在扫描视场内倾斜环绕分布，对预定视场进行快速空间遍历覆盖。

本发明优先进行垂直视场的覆盖，增大轨迹倾斜程度，增强扫描网格细密度，提升分辨率。

如图1所示为本发明的激光雷达的结构示意图。本发明的激光雷达包括：

激光发射模组、光信号接收模组以及光学扫描模组。

激光发射模组包括N个激光光源11以及激光发射光路。激光光源11投射的激光束经由激光发射光路进行准直以及聚焦，激光发射光路用于对N个激光光源形成的N个激光束进行光路整形，形成所需的投射模式以配合后续的扫描图案的生成。

N个激光光源位于激光发射光路的激光发射光路焦平面上，且N个激光光源在激光发射光路焦平面上呈圆周分布，更进一步的可呈中心对称分布。

具体来说，N个激光光源围绕激光发射光路的光轴O进行圆周分布，优化方案中可均匀分布, 光轴O通过该N个激光光源围成的圆周的圆心。该N个激光光源相对该光轴O的距离相同。在一优化实施例中，该N个激光光源相对光轴O依次以相同角度差排布，如图8所示，4个激光光源（11-1、11-2、11-3、11-4）位于以光轴O为圆心的圆上，相邻的激光光源基于圆心相差90度。N个激光光源在圆周上非均匀的排布方式也在本发明的公开范围内，例如图9。

在一实施例中，激光发射光路至少包括第一光学透镜121以及第二光学透镜122。激光发射光路呈环状，设置在光信号接收光路外围。

如图2所示，该激光发射光路将4个激光束L进行聚焦投射，该4个激光束L围绕激光发射光路光轴O形成空间汇聚发射模式，使得4个激光束L均偏向光轴O方向进行中心聚焦，在一优化的实施例中，每个激光束L与光轴O的夹角（激光发射光路的激光探测指向角）大小相同，但方向各不相同，均匀的向中心聚焦。每个激光光源引导一个通道，每个激光束L的走向形成一个通道。

光信号接收模组包括N个光电探测单元21以及光信号接收光路，N个光电探测单元21位于光信号接收光路的光信号接收光路焦平面上，与N个激光光源相对应的，N个光电探测单元在光信号接收光路焦平面上呈圆周分布，更进一步的呈中心对称分布。具体来说，N个光电探测单元围绕光信号接收光路的光轴进行圆周分布，更为优化的呈均匀分布。该N个光电探测单元21相对该光轴的距离相同。在一优化实施例中，该N个光电探测单元21相对光轴O依次以相同角度差排布，如图8所示，4个光电探测单元21位于以光轴O为圆心的圆上，相邻光电探测单元21相对圆心相差90度。光电探测单元21接收激光光源投射的激光束的回波激光束，该N个激光光源与该N个光电探测单元一一对应。具有对应关系的激光光源与光电探测单元形成收发对，形成同一收发对的激光光源与光电探测单元相对激光发射光路光轴O的相位相同，如图8所示，形成同一收发对的激光光源与光电探测单元的投影的连线通过该光轴O。如图8中设置有4个激光光源和4个光电探测单元，4个激光光源位于同一电路板，4个光电探测单元位于另一电路板。激光光源11-1发射的激光束L_A，由光电探测单元21-1接收其回波激光束，激光光源11-1与光电探测单元21-1形成收发对，激光光源11-1与光电探测单元21-1向激光光源所在电路板的投影的连线通过光轴O，激光光源11-1与光电探测单元21-1相对光轴O的相位相同，以便于实现特定视场的信号收发。相邻收发对相对圆心相差90度。收发对的数量不以此为限，4至10对为优选。

激光光源和光电探测单元位于不同电路板上，电路板可以相互平行。

该激光发射光路光轴与该光信号接收光路光轴重合为同一轴O，该激光发射光路与该光信号接收光路形成同轴嵌套结构。

在一实施例中，该光信号接收光路至少包括：第三光学透镜221以及第四光学透镜222。

通过该光信号接收光路使得每个光电探测单元可以接收来自特定的空间视场角的回波激光束，实现激光雷达的整体视场收发闭环。

基于该N个平行光路收发对、激光发射光路以及光信号接收光路形成N组方向不同大小相同的激光探测指向角。

如图1、6所示，激光发射模组在外、光信号接收模组在内，激光发射光路焦距f_t（图6中O1O3）大于光信号接收光路焦距f_r（图6中O1O2），N个激光光源所在圆周半径R_t（图6中O1F）大于N个光电探测单元所在圆周半径R_r（图6中O1E），并满足：

tan(θ_t) = tan(θ_r) = R_t/f_t = R_r/f_r ，f_t>f_r，R_t>R_r ；θ_t为平行光路中激光发射光路的激光探测指向角，θ_r为平行光路中光信号接收光路的激光探测指向角。

在另一实施例中，激光发射模组、光信号接收模组的位置可以整体互换，光信号接收模组设置激光发射模组的外围，该光信号接收光路可以为环形，激光发射光路为圆形，发射在中间，接收在四周，即收发对内部模块的设置位置发生了对调。

配合图7所示，激光发射光路焦距f_t（图7中O1O2）小于光信号接收光路焦距f_r（图7中O1O3），N个激光光源所在圆周半径R_t（图7中O1E）小于N个光电探测单元所在圆周半径R_r（图7中O1F），满足：

tan(θ_t)=tan(θ_r)= R_t/f_t= R_r/f_r，f_t<f_r，R_t<R_r。

发射接收光路相互平行，同一收发对所对应的光束相互平行，O2E平行于O3F，O2E在O3F内侧，不同收发对的光束围绕光轴O分布。

该光学扫描模组包括N个扫描单元，N个扫描单元的扫描轴重合。具体来说，光学扫描模组包括透射扫描单元，和/或，反射扫描单元。在一实施例中，该透射扫描单元采用圆形楔镜，该反射扫描单元采用旋转反射镜。该激光发射光路与该光电信号接收光路共用该光学扫描模组。激光发射光路光轴、光信号接收光路光轴与光学扫描模组的扫描轴重合。

该圆形楔镜31的旋转轴可以为光轴O，圆形楔镜31可覆盖住N个激光光源（当光电探测单元在外围时，圆形楔镜31可覆盖住N个光电探测单元），也就是说，该圆形楔镜31的半径恰好大于激光光源到光轴O的距离，使得激光光源以及光电探测单元借助圆形楔镜31的边缘实现激光信号的收发。圆形楔镜31的截面为楔形，如图1所示，在垂直于光轴O的平面内为圆形。

光学扫描模组带动N个该激光束多次旋转，分别进行周期性扫描并叠加。激光发射光路光轴、光信号接收光路光轴与圆形楔镜的旋转轴重合。

该圆形楔镜31绕轴360度旋转，带动该激光光源投射的激光束进行周期性转动，该激光束经旋转反射镜32的反射，出射至环境中，形成对环境的扫描探测，同时也形成扫描图案。旋转反射镜32绕轴360度转动，从而实现激光束做360度空间扫描以及像旋扫描。

旋转反射镜32具有反射面321，该N个激光束经过该圆形楔镜31后，投射到该反射面321上。激光束L_A、L_C经反射面321发射后，形成出射光束L1_A、L1_C，回波光束分别为R1_A、R1_C，L1_A平行R1_A，L1_C平行R1_C，从而形成收发平行视场。基于每个激光束相对光轴具有夹角，使得对称的激光束（例如L_A、L_C）之间的角度空间较大，配合收发平行视场可以扩大收光区域，提高光学系统效率，提升测量准确度。同时，平行视场配合同轴嵌套结构，配合激光束的方向不同，可以拉开多个激光光源引领的多通道彼此之间的间距以及使得在发射面321一侧多通道彼此之间可以形成更大角度，成为本发明的扫描模式的核心基础。

在一优选实施例中，该圆形楔镜31与旋转反射镜32可以绕同一轴旋转，也可以是绕光轴O旋转。该圆形楔镜31的转速小于该旋转反射镜32的转速。

基于该圆形楔镜31的旋转形成周期性的闭合扫描轨迹。该闭合扫描轨迹可以投射在该反射面321上。

如图10所示为N个激光光源的激光束经圆形楔镜31的旋转而产生的闭合扫描轨迹的俯视图，如图11所示为闭合扫描轨迹A、C的侧视图，如图12所示为闭合扫描轨迹B、D的侧视图。

由于出射于激光发射光路的激光束的方向不同，而圆形楔镜31存在楔角，激光束相对圆形楔镜31的法线的夹角各不相同，则该圆形楔镜31对来自不同方向的激光束的投射方向不同，故而随着圆形楔镜31的转动，各个闭合扫描轨迹所在平面互不平行，均与光轴O存在夹角（当激光光源均匀分布时为相同夹角），且围绕光轴O分布（优选为均匀分布），与N个激光光源在激光发射光路焦平面上的分布方式相对应。每个该闭合扫描轨迹各自围绕一中心参考线形成，各个中心参考线互不平行。

闭合扫描轨迹A对应激光光源11-1的激光束L_A，闭合扫描轨迹B对应激光光源11-2的激光束L_B，闭合扫描轨迹C对应激光光源11-3的激光束L_C，闭合扫描轨迹D对应激光光源11-4的激光束L_D。

由于该楔角对光路的改变，该闭合扫描轨迹为近似椭圆，实践中具体为一鸡蛋形，该多个闭合扫描轨迹的排布方式与激光光源在激光发射光路焦平面上的角度分布方式相关，如图10所示。

具体来说，本发明的扫描方式实现了叠加的三种周期性旋转扫描，带来扫描点位扩散。

第一种旋转扫描

由于N个激光光源11相对光轴O圆周排布，且每个激光束L与光轴O的夹角相同，但方向各不相同，均匀的向中心聚焦，且均通过该圆形楔镜31，N个激光束L依照图10的闭合扫描轨迹进行扫描，以闭合扫描轨迹A为例，依次走过A1、A2、A3、A4、A1点，周而复始，其他路径同理。ABCD代表不同闭合扫描轨迹(也对应不同通道)，1234代表不同时刻。

在第一时刻，N个激光束分别在A1、B1、C1、D1点，在第二时刻，N个激光束分别在A2、B2、C2、D2点。其他时刻同理，该四个点形成相对位置关系图形。四个激光束从同一初始相位开始扫描。

如图13可知，在第一时刻，A1、B1、C1、D1组成N个激光束所在位置的俯视示意图，基于每个闭合扫描轨迹为鸡蛋形（一头偏尖一头偏钝），则图13中，A1距离光轴O最远。当扫描进行到第二时刻，如图15，相对第一时刻该圆形楔镜31已经转动90度，则A2、B2、C2、D2组成的四边形形状与图13相同，只是旋转了90度，D2距离光轴O最远。同理，在图17中，相对第一时刻该圆形楔镜31已经转动180度，A3、B3、C3、D3组成的四边形与图13相同，只是C3距离光轴O最远。在图19中，相对第一时刻该圆形楔镜31已经转动270度，A4、B4、C4、D4组成的四边形形状与图13相同，只是B4距离光轴O最远。当该圆形楔镜31相对第一时刻转动360度时，回到图13状态，如此循环自转周而复始。

图 14为位于第一、二时刻之间的一个时点，相对于图13，A距离光轴O的距离在回缩，D距离光轴O的距离在增加，并逐步过渡到图15。N个激光束分别位于点A1’、B1’、C1’、D1’。

图 16为位于第二、三时刻之间的一个时点，相对于图15，D距离光轴O的距离在回缩，C距离光轴O的距离在增加，并逐步过渡到图17。N个激光束分别位于点A2’、B2’、C2’、D2’。

图 18为位于第三、四时刻之间的一个时点，相对于图17，C距离光轴O的距离在回缩，B距离光轴O的距离在增加，并逐步过渡到图19。N个激光束分别位于点A3’、B3’、C3’、D3’。

图 20为位于第四、五时刻之间的一个时点，相对于图19，B距离光轴O的距离在回缩，A距离光轴O的距离在增加，并逐步过渡到图13。N个激光束分别位于点A4’、B4’、C4’、D4’。

如此循环往复。可见ABCD彼此的间距形成自转模式的同时，还在闭合扫描轨迹上进行周期变化。可见，N个激光束在垂直于光轴O的维度中，形成一个不规则四边形的相对位置关系，且随着圆形楔镜31的转动，不规则四边形在周期性的转动，形成自转伸缩式扫描，闭合扫描轨迹周期性的进行呼吸状伸缩。

相隔90度时所形成的不规则四边形的形状是一样的，但朝向不同。可见，N个激光束所形成的相对位置关系在自转周期上的相位分布方式与N个激光光源在激光焦平面上的角度分布方式对应。

可见，随着该圆形楔镜的旋转，该N个激光束在每一时刻分别形成一相对位置关系图形，该圆形楔镜每旋转一特定旋转角度所产生的该相对位置关系图形相同但方向不同，该特定旋转角度为该N个激光光源在激光焦平面上的角度分布间隔。

圆形楔镜31带动N个激光束进行周期性转动，以实现第一种旋转扫描，分散扫描点位。

如图5所示，为圆形楔镜31的旋转角度，/>为圆形楔镜3圆形楔镜31的楔角，/>为入射至圆形楔镜31上表面的光线的向量，/>为出射圆形楔镜31上表面的光线的向量。由于入射至圆形楔镜31下表面的光线是固定方向，故而此处忽略圆形楔镜31下表面所发生的折射。

（1）

（2）

（3）

k₁、k₂、k₃为第一种旋转的第一、二、三旋转常数。

通过公式（2）可知，激光束经过圆形楔镜31可以形成封闭曲线的轨迹，优选实施例下可以实现如图10所示闭合扫描轨迹。

每个该闭合扫描轨迹各自围绕一中心点形成（如图10中的A0、B0、C0、D0），则各个闭合扫描轨迹的中心参考线互不平行围绕光轴O呈发散状。

第二种旋转扫描。

该旋转反射镜32旋转带动出射于该圆形楔镜的N个该激光束在进行360°空间扫描的同时实现像旋扫描，以扩大单通道单圈扫描的垂直视场覆盖，扩展扫描点位分布。

如图23所示，以圆形楔镜31静止为例，以激光束L_A、L_C为例进行说明，L_B、L_D暂时隐去。激光束L_A、L_C的相对位置固定。

旋转反射镜32进行360°旋转,会依次经历第一、二、三、四位置，依次相差90度。第一、三位置相差180度，第二、四位置相差180度。

在第一位置时，激光束L_AL_C经反射面321反射形成出射激光束L1_A、L1_C，L1_A在L1_C上方，以图23中L1_A为最高位置，L1_C为最高位置。

在第三位置时，激光束L_AL_C经反射面321反射形成出射激光束L1_A、L1_C，L1_A在L1_C下方。

当旋转反射镜32旋转回到第一位置时，L1_A回到L1_C上方。

可见，在旋转反射镜32旋转一周过程中，对称的激光束发生了两次像旋，以增大扫描面积，分散扫描点。

同理，如图24所示，以激光束L_B、L_D为例进行说明，L_A、L_C暂时隐去，视角与图23相差90度。

在第二位置时，激光束L_BL_D经反射面321反射形成出射激光束L1_B、L1_D，L1_B在L1_D上方。

在第四位置时，激光束L_BL_D经反射面321反射形成出射激光束L1_B、L1_D，L1_B在L1_D下方。

当旋转反射镜32旋转回到第二位置时，L1_B回到L1_D上方。

且由于第一、二、三、四位置为依次旋转到达，则L_A、L_B、L_C、L_D为轮巡达到最高位置，再轮巡翻滚至最低位置，如此反复。

同时，同一时刻该多个激光束在像旋周期上的角度分布方式与对应激光光源在激光焦平面上的角度分布方式对应，依次相差90度。

另外,当圆形楔镜31发生旋转,则叠加该第一种旋转中的周期性伸缩至当前的轮巡像旋翻滚扫描中，即L_A、L_B、L_C、L_D的相对位置发生周期性呼吸状伸缩，同时L_A、L_B、L_C、L_D以特定的角度差依次达到最高位置和最低位置，形成像旋。

由于L_A、L_B、L_C、L_D相对光轴O具有夹角，且对应于圆形楔镜31的边缘，相对于L_A、L_B、L_C、L_D彼此平行的设置方式，可以扩大最高位置与最低位置之间的夹角，进而扩大单通道单圈扫描的垂直视场覆盖，增大单圈扫描轨迹的倾斜程度，即，仅以L_A为例，其在最终投射至环境中后，可以扩大单圈扫描线在垂直方向（光轴O方向）的覆盖区域，实现对垂直视场的优先扫描，同时，叠加第一种旋转以及第二种旋转，使得基于离轴像旋对分布于环境中的扫描点位进行多种维度的分散，随着扫描时间的延长，扫描周期的延续，可以触达更多点位，提高分辨率。

为/>经反射面321的反射后的光线的向量。/>为旋转反射镜的旋转角度。

为反射面321的法向量。

相旋可以通过p_z’数据的变化得到。

p_z’数据为：

当距离初始位置旋转180度时，取反，/>取反，/>保持不变。

则p_z’数据为：

则相对未旋转180度时p_z’数据，p_x以及p_y均为负数，视为发生相旋。

第三种旋转扫描。

经该圆形楔镜31与旋转反射镜32的转动，带动N个激光束的整体再进行空间360度扫描，则该闭合扫描轨迹进行周期性正弦机械波式扫描。

具体来说，通过平行光路收发对的排布、光路的聚焦以及圆形楔镜的旋转，已经可以实现第一种旋转的周期性扫描，继续通过旋转反射镜32的带动可以将三种旋转的扫描模式的整体叠加，使得三种扫描有机结合在一起。

如图25所示，为基于旋转反射镜32的转动带动N个激光束的整体实现的轨迹路径的展开图。

N个激光束的整体在上下虚线所划定的区间内正弦振荡，该曲线中的每个点均为该4个激光束的整体，从而实现在空间360度扫描（第三种旋转扫描）过程中遍历覆盖到更多位置，当该曲线的延续时间足够长，在空间中反复振荡遍历，通过叠加三种旋转的周期性扫描（即N个激光束相互间距的自转伸缩式放大缩小，相互位置的大角度像旋，N个激光束整体投射的振荡），可以尽快覆盖到预定视场空间中所有点位，尽快提升扫描分辨率。

光学扫描模组旋转带动N个激光光源投射的该激光束进行扫描，进而最终在空间中形成N组激光收发探测扫描轨迹，该N组激光收发探测扫描轨迹的空间分布方式与该N个激光光源在激光焦平面上的角度分布方式对应，借助该光学扫描模组该激光雷达形成收发平行视场。

如图26、27所示，为最终的投射在环境中的扫描图案，每个激光光源的激光束可对应生成一组激光收发探测扫描轨迹S(四个通道分别为S_A、S_B、S_C、S_D)，各组激光收发探测扫描轨迹围绕一中心轴均匀分布，该N组激光收发探测扫描轨迹的空间分布方式与该N个激光光源在激光焦平面上的角度分布方式对应。图26为4组激光收发探测扫描轨迹的立体图，图27为4组激光收发探测扫描轨迹的俯视图。4组激光收发探测扫描轨迹实现扫描线空间网格交叉。

从图26、27中可知，激光收发探测扫描轨迹之间存在空洞，为了进一步均匀分布，降低空洞的存在，本发明可以调整圆形楔镜31的楔角。

在图10中，四个闭合扫描轨迹彼此之间存在缝隙，通过调整圆形楔镜31的楔角，使得相邻闭合扫描轨迹相切（图21）或相交（图22），即可使得激光收发探测扫描轨迹分布均匀，减少空洞。激光束L与光轴O的夹角在18-25度之间时，优选该楔角在3-14度之间。

该反射面321相对该焦平面具有夹角，如图1所述，该夹角/>为锐角，优选在40-50度之间。

该旋转反射镜32可以仅为一个反射镜，如图1所示。在一优化实施例中，该旋转反射镜32可为一具有反射面321的透光介质体，如图3所示。在另一优化实施例中，该旋转反射镜32可为一具有反射面321的透光介质体且在激光出射端具有视场调整楔镜单元322，具体可为一楔面，如图4所示，该楔面322用于整体调整垂直视场的范围，例如整体上扬或者整体下压。

另外，该圆形楔镜31以及旋转反射镜32的转速不同，该圆形楔镜的转速小于该旋转反射镜的转速，以使得扫描点位获得更大差异。

为旋转反射镜的角速度与圆形楔镜的角速度之差。

通过该转速设置，可以使得在扫描轨迹优先进行垂直方向的覆盖的前提下，相邻扫描圈彼此小幅错开，即再进行扫描网格的细分，提升分辨率。

在一实施例中，该圆形楔镜31包括多个并列排布的子楔镜。

在另一实施例中，多个子楔镜具有至少2种不同楔角，如图28所示，该圆形楔镜31在光轴一侧的子楔镜具有楔角Ɵ1，光轴另一侧的子楔镜具有楔角Ɵ2。使得在圆形楔镜31旋转过程中，针对同一通道，同一圈转动对应两种不同楔角，光学偏折的角度不同，则进一步增加了对扫描过程中扫描点位的震荡程度，快速实现预定视场对所有点位的遍历。该多个子楔镜也可具有三种楔角，例如，该圆形楔镜31具有三个并列排布的子楔镜，每个子楔镜具有一种楔角，使得同一通道在同一圈转动中对应三种不同楔角。

本发明还公开了一种配合上述激光雷达的扫描方法，如图29所示。

S1，设置激光发射模组以投射N个激光束，该N个激光束呈圆周分布，该N个激光束的出射方向不同；

激光发射模组包括激光发射光路和N个激光光源。

S2，设置光信号接收模组以接收N个回波激光束，该N个回波激光束呈圆周分布，该激光发射模组与该光电信号接收模组设计为光轴重合的嵌套结构，共同形成N个平行光路收发对；

该光信号接收模组包括光信号接收光路以及N个光电探测单元，该N个激光光源与该N个光电探测单元一一对应，形成N个收发对。

S3，设置光学扫描模组，包括N个扫描单元，N个扫描单元的扫描轴重合，通过该光学扫描模组旋转扫描为该激光束以及回波激光束建立光学通路实现激光雷达视场覆盖。

所述的激光雷达扫描方法进一步包括：该光学扫描模组包括旋转反射镜和圆形楔镜，该圆形楔镜旋转带动N个激光束进行周期性转动，产生N个闭合扫描轨迹，相邻闭合扫描轨迹实现空间相交或相切。

N个激光束所形成的相对位置关系在自转周期上的相位分布方式与N个激光光源在激光发射光路焦平面上的角度分布方式对应；

N个激光束在像旋周期上的角度分布方式与N个激光光源在激光发射光路焦平面上的角度分布方式对应。

所述的激光雷达扫描方法，通过该旋转反射镜以及该圆形楔镜的旋转形成N组激光收发探测扫描轨迹，该N组激光收发探测扫描轨迹的空间分布方式与该N个激光光源在激光发射光路焦平面上的角度分布方式对应。

所述的激光雷达扫描方法进一步包括：该光学扫描模组包括旋转反射镜，该旋转反射镜旋转带动出射于该圆形楔镜的N个激光束进行360°空间扫描，扩大单通道单圈扫描的垂直视场覆盖，扩展扫描点位分布。

该圆形楔镜旋转带动N个该激光束进行周期性转动，以实现在第一种旋转的自转伸缩式扫描，以分散扫描点位。

该旋转反射镜旋转带动出射于该圆形楔镜的N个该激光束进行360°空间扫描的同时实现像旋扫描，以实现在第二种旋转的轮巡像旋翻滚扫描，扩大单通道单圈扫描的垂直视场覆盖，以及实现基于离轴像旋扩展扫描点位分布。

该旋转反射镜旋转实现第三种旋转的周期性振荡式扫描。

本发明的激光雷达可实现扫描点位在扫描视场内倾斜环绕分布扩散，对预定视场的点位进行快速遍历覆盖。本发明的扫描模式侧重于大角度的像旋翻转扫描，可优先进行垂直视场的覆盖，增大了轨迹倾斜程度，增强扫描网格细密度，提升分辨率。

本发明具有收发同轴嵌套光路系统，以实现收发平行视场，配合多个激光束的角度差异，实现更大角度的像旋翻滚，以实现倾斜式的扫描，获得更多目标物细节。同时实现扫描图案均匀分布，提高扫描效率。扩大收光区域，改善光学系统性能。

上述实施例仅用于描述本发明的技术方案，不视为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：

激光发射模组，包括激光发射光路以及N个用于发出激光束的激光光源，该N个激光光源安置于激光发射光路焦平面并围绕激光发射光路光轴圆周分布；

光信号接收模组，包括光信号接收光路以及N个光电探测单元，该N个光电探测单元安置于光信号接收光路焦平面并围绕光信号接收光路光轴圆周分布，该激光发射模组与该光信号接收模组为光轴重合的嵌套结构，N个激光光源与N个光电探测单元一一对应，共同形成N个平行光路收发对；

光学扫描模组，该激光发射光路与该光信号接收光路共用该光学扫描模组，通过该光学扫描模组旋转扫描实现激光雷达视场覆盖。

2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，N个激光束围绕该激光发射光路光轴形成空间汇聚发射模式，基于该N个平行光路收发对、激光发射光路以及光信号接收光路形成N组方向不同大小相同的激光探测指向角。

3.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，该激光发射模组安置于该光信号接收模组的外围，满足：

tan(θ_t)=tan(θ_r)=R_t/f_t=R_r/f_r ，f_t>f_r ，R_t>R_r ；

或者，该光信号接收模组安置于该激光发射模组的外围，满足：

tan(θ_t)=tan(θ_r)=R_t/f_t=R_r/f_r ，f_t<f_r ，R_t<R_r ；

f_t为激光发射光路焦距，f_r为光信号接收光路焦距，R_t为N个激光光源所在圆周半径，R_r为N个光电探测单元所在圆周半径，θ_t为平行光路中激光发射光路的激光探测指向角，θ_r为平行光路中光信号接收光路的激光探测指向角。

4.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，该激光发射光路光轴与该光信号接收光路光轴重合，形成同一平行光路收发对的激光光源与光电探测单元相对激光发射光路光轴的相位相同。

5.如权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，该光学扫描模组包括透射扫描单元和反射扫描单元。

6.权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，该透射扫描单元采用圆形楔镜，该圆形楔镜旋转带动N个激光束各自进行周期性转动，产生N个闭合扫描轨迹，相邻闭合扫描轨迹实现空间相交或相切；该N个闭合扫描轨迹围绕激光发射光路光轴排布。

7.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，该反射扫描单元采用旋转反射镜，该旋转反射镜旋转带动出射于该圆形楔镜的N个激光束在进行360°空间扫描的同时实现像旋扫描。

8.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，通过该光学扫描模组的旋转，形成N组激光收发探测扫描轨迹，该N组激光收发探测扫描轨迹围绕激光发射光路光轴排布且该N组激光收发探测扫描轨迹的空间分布方式与该N个激光光源在激光发射光路焦平面上的角度分布方式相关。

9.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，该旋转反射镜为反射镜或者具有反射面的透光介质体。

10.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，该光学扫描模组还包括视场调整楔镜单元，设置于该旋转反射镜的激光出射端，用于整体调整该激光雷达的垂直视场。

11.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，该圆形楔镜包括多个并列排布的子楔镜。

12.如权利要求11所述的激光雷达，其特征在于，多个子楔镜具有至少2种不同楔角。