CN207366739U - 一种固态面阵激光雷达装置 - Google Patents

Abstract

一种固态面阵激光雷达装置，包括：发射模块和与发射模块保持固定位置关系的接收模块，所述发射模块包括阵列激光器，所述阵列激光器包括多个陈列排布的单个激光光源，所述单个激光光源按照设定顺序和间隔发射激光，所述接收模块包括面阵光电传感器，所述面阵光电传感器包括陈列排布的像素，所述面阵光电传感器控制部分或全部像素接收对应单个激光光源发出的激光。本申请公开的一种固态面阵激光雷达装置，不具有任何机械转动部件，提高激光雷达的稳定性，适用于量产。

Description

一种固态面阵激光雷达装置

技术领域

本申请涉及激光雷达测量技术领域，尤其涉及一种固态面阵激光雷达装置。

背景技术

光学扫描测距装置是一种使用准直光束，通过飞行时间（Time of Flight，简称为TOF）、三角测量法等方法进行非接触式扫描测距的设备。目前，通常的光学扫描测距装置包括：光发射模块、光学镜头、接收并处理信号的芯片。光发射模块发出光束，光学镜头位于光发射模块的光路上，经过准直的光束发射到被测物体表面，遇到障碍物后光束被反射到接收芯片上，接收芯片通过测量发射到接收之间的时间、相位差、已知光速，即可求出被测物体到装置的距离。这类装置将用于测距的光发射模块、光学透镜、光接收模块等部件安装在一可连续旋转的平台上实现准直光束的扫描，通过电机旋转可以得到一周360度的环境距离信号，旋转部件和固定部件之间通过导电滑环供电并传输数据；或者也可以固定安装在运动的上位机上，随上位机的前进、后退或转向探测其对应测距区域的障碍物，上述两种模式目前广泛应用于机器人环境扫描、规划路径、避障导航、安防检测等。

现有的光学扫描测距装置采用机械旋转或者机械反射镜等部件，不利于扫描测距装置的量产。本申请公开了一种固态面阵激光雷达，不具有任何机械转动部件，提高激光雷达的稳定性，适用于量产。

发明内容

本申请的目的在于提出一种固态面阵激光雷达装置，通过发射模块和接收模块的固定位置的设置，解决了传统的激光雷达具有机械旋转和编码器的结构，结构复杂，空间占用大，装配工序繁多的问题；通过单个激光光源按照设定顺序和间隔发射激光的设置，以及所述面阵光电传感器控制部分或全部像素接收对应单个激光光源发出的激光的结构，扩展了激光雷达装置的探测区域，实现了远距离大面阵激光测距，提供了可以长时长距覆盖大范围的稳定性更好、准确性更好、效率更高的环境探测装置。

为达此目的，本申请采用以下技术方案：一种固态面阵激光雷达，包括：发射模块和与发射模块保持固定位置关系的接收模块，所述发射模块包括阵列激光器，所述阵列激光器包括多个陈列排布的单个激光光源，所述单个激光光源按照设定顺序和间隔发射激光，所述接收模块包括面阵光电传感器，所述面阵光电传感器包括陈列排布的像素，所述面阵光电传感器控制部分或全部像素接收对应单个激光光源发出的激光。

优选地，还包括与发射模块和接收模块相连接的主控制模块，所述主控制模块包括多个与单个激光光源一一对应的引脚。

优选地，所述阵列激光器以至少一个单个激光光源为发射单位，所述发射单位按照设定的发射顺序和发射间隔进行发射，所述面阵光电传感器以至少一个像素为接收区域，所述接收区域按照设定的接收顺序和接收间隔逐次接收。

优选地，多个单个激光光源呈直线排列，所述阵列激光器以单个激光光源为发射单位；所述面阵光电传感器的像素呈矩阵排列，所述面阵光电传感器以每一行或每一列像素为接收区域，所述接收区域与单个激光光源所成直线垂直。

优选地，多个单个激光光源呈水平直线排列，所述面阵光电传感器以每一竖列为接收区域，所述单个激光光源的发射间隔大于等于接收区域接收到读取的间隔。

优选地，在所述阵列激光器的激光发射方向上还设置有发射镜头，在所述面阵光电传感器的接收方向上还设置有接收镜头。

优选地，所述面阵光电传感器具有1*262个单个激光光源，覆盖50°*25°范围；所述面阵光电传感器具有262*144个像素，每个像素覆盖0.17°*0.17°视场角。

优选地，所述面阵光电传感器的一个或多个像素工作时，未进入工作状态的部分像素作为缓存器对正在工作像素的电信号进行缓存。

一种固态激光雷达装置的探测方法，发射模块中的阵列激光器分时工作，接收模块中的面阵光电传感器分时工作；

步骤一，主控制模块发送信号至发射模块，发射模块中的阵列激光器中的其中一个单个激光光源工作，发出探测光；

步骤二，与步骤一同时，主控制模块发送信号至接收模块，所述面阵光电传感器中与所述步骤一中工作的单个激光光源所对应的列进行工作；

步骤三，该面阵光电传感器工作的所述列接收由被测物体反射回的探测光，将光转换为电信号信息；

步骤四，信号处理模块读取面阵光电传感器工作的列所接收到的电信号信息，信号处理模块对比发射模块发出的探测光与接收模块中的所述列所接收到的反射回的时间差，基于脉冲飞行时间法计算距离值；

步骤五，重复步骤一至步骤四，其中，每重复一次步骤一，主控制模块控制阵列激光器中不同的单个激光光源工作；直到反射模块中的阵列激光器中的所有单个激光光源都工作过至少一次，完成固态激光雷达装置的一帧点云距离数据探测。

优选地，步骤一中工作的单个激光光源的发射视场角度与步骤二中面阵光电传感器工作的列的接收视场角度至少具有重合部分。

优选地，在步骤三中，将所述电信号信息储存在缓存单元中，接收模块的面阵光电传感器中不工作的列像素充当为缓存单元。

优选地，所述光电传感器在接收由被测物体反射回的探测光时，进行4次探测采样，基于该4次探测采样数据，通过计算接收到的探测光的脉冲质心所对应的时刻，标定为接收模块接收到由被测物体反射回的探测光的时刻。

优选地，面阵光电传感器中时序上前后工作的两列是相邻的两列，或者是不相邻的两列。

优选地，阵列激光器中时序上前后工作的两个单个激光光源是相邻的两个，或者是不相邻的两个。

有益效果：通过发射模块和接收模块的固定位置的设置，取代了传统的机械旋转和编码器的结构，结构简单，空间占用小，大大简化了装配的工序。多个单个激光光源按照设定顺序和间隔发射激光的设置，增大了发射模块的发射范围，解决了单个激光光源之间相互串扰的问题，同时提高了阵列激光器的功率合理利用，减小了散热的压力。所述面阵光电传感器控制部分或全部像素接收对应单个激光光源发出的激光的结构，通过完全固态的结构设置，以及对接收模块的视场角的扩大，扩展了激光雷达装置的探测区域，实现了远距离大面阵激光测距，提供了可以长时长距覆盖大范围的稳定性更好、准确性更好、效率更高的环境探测装置。

附图说明

图1为固态面阵激光雷达结构示意框图。

图2为固态面阵激光雷达工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本申请的技术方案。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等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的实施例。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、系统、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。

本申请提供了一种固态面阵激光雷达，包括：发射模块和与发射模块保持固定位置关系的接收模块，所述发射模块包括阵列激光器，所述阵列激光器包括多个陈列排布的单个激光光源，单个激光光源按照设定顺序和间隔发射激光，所述接收模块包括面阵光电传感器，所述面阵光电传感器包括陈列排布的像素，所述面阵光电传感器控制部分像素接收对应单个激光光源发出的激光。

通过发射模块和接收模块的固定位置的设置，取代了传统的机械旋转和编码器的结构，结构简单，空间占用小，大大简化了装配的工序；多个单个激光光源按照设定顺序和间隔发射激光的设置，增大了发射模块的发射范围，解决了单个激光光源之间相互串扰的问题，同时提高了阵列激光器的功率合理利用，减小了散热的压力；所述面阵光电传感器控制部分或全部像素接收对应单个激光光源发出的激光的结构，通过完全固态的结构设置，以及对接收模块的视场角的扩大，扩展了激光雷达装置的探测区域，实现了远距离大面阵激光测距，提供了可以长时长距覆盖大范围的稳定性更好、准确性更好、效率更高的环境探测装置。

为了取得更大的符合需求的视场角，同时测试过程减少CPU的占用，所述阵列激光器以至少一个单个激光光源为发射单位，所述发射单位按照设定的发射顺序和发射间隔逐次发射。

所述发射单位可以是单个的激光光源，阵列激光器中的多个单个激光光源的发射顺序可以是自左向右或者自右向左、自上而下或自下而上、逐行或逐列进行；或者，单个激光光源的发射顺序可以是等距间隔的激光光源的逐次发射，也可以是不等距间隔的激光光源的逐次发射，甚至还可以是上述几种发射顺序的任意组合。以一个单个激光光源为发射单位的设置，降低了阵列激光器的功率要求，达到了小功率远程发射的目的，同时解决了多个光源同时发射在接收模块工作过程中产生串扰的问题。

所述发射单位还可以是两个或多个单个激光光源，优选的所述两个或多个单个激光光源具有设定的间隔，所述两个或多个单个激光光源单次发射的数量可以根据射程的远近进行调节，上述的发射单位是具有设定的间隔的两个或多个单个激光光源的设置，既解决了发射模块的功率负荷较大的问题，同时也兼顾了更远射程的问题，通过对单个激光光源的调节，使得固态面阵激光雷达雷达具有不同的测程，且保持每一个测程内都测量准确。

所述面阵光电传感器以至少一个像素为接收区域，所述接收区域按照设定的接收顺序和接收间隔逐次接收。在具体的实施中，所述固态面阵激光雷达为了得到较快的测试速率和较广的测试范围，所述接收区域为与单个激光光源相对应的一行或一列，为了进一步快速准确的确定测试结果所对应的障碍物的方位，所述接收区域与单个激光光源所成直线垂直。

阵列激光器中的以多个单个激光光源呈水平直线排列，所述面阵光电传感器以每一竖列为接收区域为例，所述阵列激光器包括1*262个单个激光光源，所述面阵光电传感器包括144 *262个的可输出对应射入激光的电流信号的像素，具体测量时，所述阵列激光器的262个单个激光光源对应所述面阵光电传感器的262列像素，所述阵列激光器的262个呈水平直线的单个激光光源自左向右依次发射。对应的，所述面阵光电传感器的同一列的像素接收对应的单个激光光源所发出的激光被所探测区域反射后返回的电信号，所述主控制模块通过对所述电信号的计算输出对应的测距结果。优选的，所述单个激光光源的发射间隔大于等于接收区域从接收光信号到被读取电信号的间隔，以保证面阵光电传感器信号输入输出正常运行。

当然，在具体适用时，也可以是一个单个激光光源对应两列或多列像素，以获得更为准确的障碍物信息，为了获得更远的探测距离，还可以是两个单个激光光源对应一列、两列或多列像素。单个激光光源和像素的数量包括但不局限于1*262和144*262。

当多个单个激光光源呈竖直直线排列时，则面阵光电传感器以每一行、每两行或每多行为接收区域，具体工作情况参照上述以多个单个激光光源呈水平直线排列的实施例，不再赘述。

当所述阵列激光器包括N行*M列个单个激光光源时，所述面阵光电传感器包括H行*W列个的可输出对应射入激光的电流信号的像素，其中，N、M、H和W为均为大于1的正整数。每一行的单个激光光源对应面阵光电传感器的不同维度，以提高所述固态激光测量装置在竖直方向上的测量角度和测量准确度。其余同上述多个单个激光光源呈水平直线排列结构和/或多个单个激光光源呈竖直直线排列结构，不再赘述。

进一步的，所述面阵光电传感器具有1*262个单个激光光源，覆盖50°*25°范围，平均水平方向每0.19°一个发射电源，每个单个激光光源的水平发散角为0.17°；阵列激光器通过控制电路单独控制每一个单个激光光源的发射时序。阵列激光器的脉宽是 5ns（FWHM），所述阵列激光器的激光频率优选为905nm 波段。

所述面阵光电传感器具有262*144个像素，每个像素覆盖0.17°*0.17°视场角。所述面阵光电传感器优选为CCD该 CCD 的采样速率为 250MHz，即 4ns 进行一次采样。

优选的，所述面阵光电传感器的分工作区域的性能，使得工作区域在接收光信号时，非工作区域像素处于闲置状态，为了增加工作区域像素的光电信号转换的效率，并提高整个面阵光电传感器的利用率，所述面阵光电传感器的一个或多个像素工作时，未进入工作状态的部分像素作为缓存器对正在工作像素的电信号进行缓存。

单个激光光源以5ns 的发射脉冲进行发射，所述面阵光电传感器在接收过程会产生一定程度的时间维度上的展宽，在解算过程会被 CCD 进行 4 次采样采集到，通过计算脉冲的质心得到更准确的距离。

因为阵列激光器包括多个单个激光光源，无论是与单个激光光源连接的控制电路还是为单个激光光源提供的电源，都将会是庞大的结构，为了进一步的简化结构并提高电路的利用率，多个单个激光光源共用部分电路元件。所述固态面阵激光雷达还包括与发射模块和接收模块相连接的主控制模块，所述主控制模块包括多个与单个激光光源一一对应的引脚，多个所述发射电源包括至少一组控制电路，每一组所述控制电路包括多个并联的控制子电路和分别与控制子电路相串联的限流电阻和储能电容，所述控制子电路包括相串联的MOSFET驱动和MOSFET，每一个MOSFET与对应发射电源相串联。多个控制子电路共用一个限流电阻和储能电容，在保持发射电源工作效能不变的情况下，减少了电器元件的配置，简化了电路，保持了阵列激光器的稳定运行。

因为MOSFET驱动和MOSFET均需要较大的电压，为了合理分配电源，减少电源数量和空间占用，每一组所述控制电路还包括与组内每一个MOSFET驱动相串联的驱动电源，以及与组内每一个MOSFET相串联的MOSFET电源。

为了提高单个激光光源的光线准直性，在所述阵列激光器的激光发射方向上还设置有发射镜头，为了提高入射光线的会聚和准直，在所述面阵光电传感器的接收方向上还设置有接收镜头。

综上所述，通过发射模块和接收模块的固定位置的设置，取代了传统的机械旋转和编码器的结构，结构简单，空间占用小，大大简化了装配的工序；至少部分单个激光光源按照设定顺序和间隔发射激光的设置，增大了发射模块的发射范围，解决了单个激光光源之间相互串扰的问题，同时提高了单个激光光源的功率合理利用，减小了散热的压力；所述面阵光电传感器控制部分或全部像素接收对应单个激光光源发出的激光的设置，通过完全固态的结构设置，以及对接收模块的视场角的扩大，扩展了激光雷达装置的探测区域，实现了远距离大面阵激光测距，提供了可以长时长距覆盖大范围的稳定性更好、准确性更好、效率更高的环境探测装置。

本申请还公开了一种固态面阵激光雷达装置的工作方法。

具体工作过程中，发射模块中的阵列激光器分时工作。由主控制模块发送信号至发射模块中的驱动电路，分时工作时的每一次的测量只进行发射模块其中一个单个激光光源的开启，在阵列激光器所有的单个激光光源都进行开启探测后，固态面阵激光雷达完成一帧数据的完整探测。在其中的一个实施例中，在1*262的阵列激光器中，阵列激光器中的每个激光光源分时单独工作，每次只开启其中一个单个激光光源，之后进行下一个光源的开启并进行距离探测。每一个单个激光光源都进行一次开启过程之后，完成262次探测过程，将经过信号处理模块计算过的262个距离信息合成一幅点云距离数据，完成固态面阵激光雷达的一帧数据的探测过程。其中，时序上前后两个光源的工作开启可以是阵列激光器中相邻的两个单个激光光源，也可以不是相邻的两个单个激光光源。

接收模块中，为262*144的面阵光电传感器，采用行或者列的分时工作。在其中的一个实施例中，该面阵光电传感器以列为单元分时工作，且与对应的阵列激光器工作时序相对应。例如，当阵列激光器的其中第1个单个激光光源工作时，主控制模块控制接收模块中的面阵光电传感器相对应的第1列光电传感器单元工作。

固态面阵激光雷达的其中一个优选实施例的具体工作过程如下：

探测开始，主控制模块发送信号至发射模块和接收模块。具体而言，主控制模块发送信号至发射模块中的驱动电路，驱动电路驱动接收模块中的阵列激光器中的其中一个单个激光光源开启，发出探测光，在优选的实施例中，发出905nm的红外探测光。该红外探测光在环境中传播，遇到被测物体被反射。同时，主控制模块发送信号至接收模块，接收模块中与上述开启的单个激光光源所对应的列进行工作，接收被障碍物反射回的探测光，其余列的像素单元不进行光电传感的工作。

上述中，接收模块中的面阵光电传感器的每一列的接收视场角度与发射模块中的不同的单个激光光源的发射视场角度分别一一对应。例如，发射模块中的阵列激光器中的第R个单个激光光源的发射视场角，与接收模块中的面阵光电传感器中第R列的接收视场角相对应，即上述发射视场角度与接收视场角度至少具有重合的部分。在工作过程中发射模块中的阵列激光器分时工作，对应地，接收模块中的面阵光电传感器以列为单位分时工作，从而实现固态面阵激光雷达一帧的探测。

分时工作的方式，一方面有效避免了水平方向上的多路径干扰。另一额外的方面，分时工作的方式，能够集中利用系统的能量，为单个激光提供足够能量，实现更远距离的扫描探测。

接收模块接收到被障碍物反射回的探测光之后，将信息储存在接收模块中的缓存单元中。在其中的一实施例中，接收模块中面阵光电传感器中不工作的列像素充当为缓存单元的作用，从而有利于提高像素的利用率，在设计更高像素的面阵光电传感器时，像素利用率更高。

信号处理模块读取接收模块的缓存数据。接收模块中每一列光电传感器单元在接收到由被测物体反射回的探测光后，信号处理模块都进行对接收模块中缓存数据的读取。在其中的一实施例中，信号处理模块与数字转换模块（ADC，Analog to DigitalConverter）相连接，ADC模块将接收模块中的缓存数据由模拟信号转换成数字信号，信号处理模块读取由ADC模块转换的数字信号。

基于脉冲飞行时间法，信号处理模块对比发射模块发出的探测光与接收模块中的其中一列所接收到的由障碍物反射回的时间差，得到所述列所探测得到的距离值。发射模块中的阵列激光器与对应的接收模块面阵光电传感器每一列分时工作，每完成一次分时的探测，都进行上述距离数据的计算。在信号处理模块计算距离值的过程中，由于通常接收模块中的面阵光电传感器的响应具有一定的延时时间，例如在5纳秒左右，信号处理模块需要对该延时时间5纳秒进行修正。

由于发射模块中每个激光光源发出的脉冲具有一定的宽度，例如脉宽是5ns，并且262个激光光源的5ns脉宽的形状不同，在实际的工作过程中，脉冲宽度会有一定程度上的展宽，例如脉冲宽度展宽为20ns。为了提高距离探测的准确度，面阵光电传感器在接收由被测物体反射回的探测光时，进行4次探测采样，基于该4次探测采样数据，通过计算接收到的探测光的脉冲质心所对应的时刻，标定为接收模块接收到由被测物体反射回的探测光的时刻。

经过上述过程，得到面阵光电传感器某一列所对应的探测区域的距离数据。

在完成面阵光电传感器某一列的距离探测之后，主控制模块开始面阵光电传感器另一列的距离探测过程，经过262次距离探测，得到面阵光电传感器中每一列所对应的探测区域的距离信息，信号处理模块将所有距离信息输出成一帧的点云数据，完成固态面阵激光雷达的一次完整的点云距离数据探测。

其中，时在完成面阵光电传感器某一列的距离探测之后，主控制模块开始面阵光电传感器另一列的距离探测过程，时序上面阵光电传感器中前后工作的两列可以是相邻的两列，也可以是不相邻的两列。为了避免干扰，时序上前后工作的两列光电传感器单元优选为不相邻的两列光电传感器单元。

以上结合具体实施例描述了本申请的技术原理。这些描述只是为了解释本申请的原理，而不能以任何方式解释为对本申请保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本申请的其它具体实施方式，这些方式都将落入本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种固态面阵激光雷达装置，其特征在于，包括：发射模块和与发射模块保持固定位置关系的接收模块，所述发射模块包括阵列激光器，所述阵列激光器包括多个陈列排布的单个激光光源，所述单个激光光源按照设定顺序和间隔发射激光，所述接收模块包括面阵光电传感器，所述面阵光电传感器包括陈列排布的像素，所述面阵光电传感器控制部分或全部像素接收对应单个激光光源发出的激光。

2.根据权利要求1所述的固态面阵激光雷达装置，其特征在于，还包括与发射模块和接收模块相连接的主控制模块，所述主控制模块包括多个与单个激光光源一一对应的引脚。

3.根据权利要求1所述的固态面阵激光雷达装置，其特征在于，所述阵列激光器以至少一个单个激光光源为发射单位，所述发射单位按照设定的发射顺序和发射间隔进行发射，所述面阵光电传感器以至少一个像素为接收区域，所述接收区域按照设定的接收顺序和接收间隔逐次接收。

4.根据权利要求3所述的固态面阵激光雷达装置，其特征在于，多个单个激光光源呈直线排列，所述阵列激光器以单个激光光源为发射单位；所述面阵光电传感器的像素呈矩阵排列，所述面阵光电传感器以每一行或每一列像素为接收区域，所述接收区域与单个激光光源所成直线垂直。

5.根据权利要求4所述的固态面阵激光雷达装置，其特征在于，多个单个激光光源呈水平直线排列，所述面阵光电传感器以每一竖列为接收区域，所述单个激光光源的发射间隔大于等于接收区域接收到读取的间隔。

6.根据权利要求1所述的固态面阵激光雷达装置，其特征在于，在所述阵列激光器的激光发射方向上还设置有发射镜头，在所述面阵光电传感器的接收方向上还设置有接收镜头。

7.根据权利要求4所述的固态面阵激光雷达装置，其特征在于，所述面阵光电传感器具有1*262个单个激光光源，覆盖50°*25°范围；所述面阵光电传感器具有144*262个像素，每个像素覆盖0.17°*0.17°视场角。

8.根据权利要求1-7任一项所述的固态面阵激光雷达装置，其特征在于，所述面阵光电传感器的一个或多个像素工作时，未进入工作状态的部分像素作为缓存器对正在工作像素的电信号进行缓存。