CN208013431U - 一种激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种激光雷达。该激光雷达包括：激光光源，用于产生激光信号；MEMS扫描镜，与所述激光光源由传输光路连接，用于在预设角度范围内调节所述激光信号的发射角度；发射光学系统，用于将所述MEMS扫描镜调节后的所述激光信号进行准直，得到向目标方向发射的激光信号；接收光学系统，用于接收所述激光信号的回波信号，并聚焦至探测器上；探测器，将光信号转换成电信号；信号处理系统，根据所述回波信号基于飞行时间法确定目标方向上的目标物距离。通过采用本申请所提供的技术方案，可以提高雷达探测精度及探测距离。

Description

一种激光雷达

技术领域

本实用新型实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达。

背景技术

目前，已实现量产的二维扫描激光雷达分为两类：一类是多线机械式旋转激光雷达(如Velodyne)，另一类是基于光反射镜旋转或扭转的多棱镜扫描镜、振镜技术的激光雷达。然而，无论是采用雷达整体机械式旋转还是采用反光镜的旋转的方案，经过长时间的旋转，存在机械磨损，容易造成较大的机械误差，这对采用微米甚至纳米级的光波波长的探测信号来说，会带来较大的误差，影响雷达的探测精度。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种激光雷达，可以实现提高雷达探测精度的效果。

本实用新型实施例提供了一种激光雷达，包括：

激光光源，用于产生激光信号；

MEMS扫描镜，与所述激光光源由传输光路连接，用于在预设角度范围内调节所述激光信号的发射角度；

发射光学系统，用于将所述MEMS扫描镜调节后的所述激光信号进行准直，得到向目标方向发射的激光信号；

接收光学系统，用于接收所述激光信号的回波信号，并聚焦至探测器上；

探测器，将光信号转换成电信号；

信号处理系统，根据所述回波信号基于时间飞行法确定目标方向上的目标物距离。

进一步的，所述MEMS扫描镜包括单轴MEMS扫描镜。

进一步的，所述激光光源包括激光二极管或光纤激光器；所述传输光路包括光纤。

进一步的，所述单轴MEMS扫描镜的转动方向为沿水平方向转动；

当所述激光光源为所述激光二极管时，所述激光雷达包括至少两个激光二极管，所述激光二极管纵向排列；

当所述激光光源为所述光纤激光器时，所述激光雷达还包括光纤分束器，所述光纤分束器由光纤连接至少两个光纤环形器，所述至少两个光纤环形器纵向排列。

进一步的，所述激光二极管与所述光纤的耦合方式包括直接耦合；

与所述激光二极管直接耦合的所述光纤依次排列在带有至少两个V型凹槽的支撑板上，所述支撑板用于确保光纤在激光雷达在工作过程中不会发生偏移。

进一步的，所述光纤分束器的分光比的99:1；

所述光纤分束器与所述至少两个光纤环形器设置有开关，所述开关用于控制所述激光信号从所述至少两个光纤环形器中的一个发出；

其中，所述光纤环形器包括：

输入端口，用于输入所述光纤激光器发出的激光信号；

输出端口，用于输出所述激光信号；所述输出端口还用于接收回波信号；

回波传送端口，与线阵光电探测器通过光纤连接，用于将所述输出端口接收到的回波信号传送到所述线阵光电探测器。

进一步的，当所述激光雷达采用同轴光路时，所述发射光学系统与所述接收光学系统是相同的光学组件；

当所述激光雷达采用离轴光路时，所述发射光学系统与所述接收光学系统采用挡板隔开，所述挡板用于避免发射激光信号对接收所述回波信号造成的干扰。

进一步的，所述激光二极管发出的激光信号的波长为905纳米。

进一步的，所述光纤激光器发出的激光信号的波长为1550纳米。

本申请实施例所提供的激光雷达，包括激光光源，用于产生激光信号；MEMS扫描镜，与所述激光光源由传输光路连接，用于在预设角度范围内调节所述激光信号的发射角度；发射光学系统，用于将所述MEMS扫描镜调节后的所述激光信号进行准直，得到向目标方向发射的激光信号；接收光学系统，用于接收所述激光信号的回波信号，并聚焦到探测器上；探测器，将光信号转换成电信号；信号处理系统，根据所述回波信号基于飞行时间法确定目标方向上的目标物距离。通过采用本申请所提供的技术方案，可以提高雷达探测精度及探测距离。

附图说明

图1是本实用新型实施例一提供的激光雷达结构框图；

图2是本实用新型实施例二提供的一种激光雷达示意图；

图3是本实用新型实施例二提供的另一种激光雷达示意图；

图4是本实用新型实施例二提供的一种光纤环形器的工作示意图；

图5是本优选实施例提供的一种激光雷达结构示意图；

图6是本优选实施例提供的另一种激光雷达结构示意图；

图7是本优选实施例提供的一种激光雷达的横截面示意图；

图8是本优选实施例提供的一种激光雷达的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例一

图1是本实用新型实施例一提供的激光雷达结构框图，本实施例可适用雷达探测情况，该激光雷达可以由软件和/或硬件的方式来实现。

如图1所示，所述激光雷达包括：

激光光源110，用于产生激光信号；

MEMS扫描镜120，与所述激光光源由传输光路连接，用于在预设角度范围内调节所述激光信号的发射角度；

发射光学系统130，用于将所述MEMS扫描镜调节后的所述激光信号进行准直，得到向目标方向发射的激光信号；

接收光学系统140，用于接收所述激光信号的回波信号，并聚焦到探测器上；

探测器150，将光信号转换成电信号；

信号处理系统160，根据所述回波信号基于飞行时间法确定目标方向上的目标物距离。

其中，激光光源110可以是能够在控制信号的驱动下，产生光脉冲信号的光源，例如可以是气体激光器或固体激光器等。在本实施例中，优选的，激光光源110可以是激光二极管或者光纤激光器，由于激光二极管和光纤激光器在雷达探测技术领域具有体积小，可控性强等优点。

MEMS扫描镜120(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)可以是单轴MEMS扫描镜，也可以是双轴MEMS扫描镜，在本实施例中，优选的，所述MEMS扫描镜120包括单轴MEMS扫描镜。由于双轴MEMS扫描镜的结构及工艺复杂，且扫描角度一般在40°左右，相对于双轴MEMS扫描镜，单轴MEMS扫描镜结构简单，体积较小，控制方便，并且其扫描角度一般会在80°左右，甚至更大。

通过使用MEMS扫描镜，可以将其安装在激光雷达的电路板上，并通过驱动电路控制转动的方向，与现有的采用振镜或者雷达整体机械转动相比，MEMS扫描镜工作过程中稳定性强，没有机械磨损，可以提高激光雷达的探测准确性和稳定性。

MEMS扫描镜120，与所述激光光源由传输光路连接，其中，传输光路可以是预设的光纤传输通道，在本实施例中，优选的，所述传输光路包括光纤，这样设置的好处是提供光纤作为激光信号在激光雷达的传输光路，有利于激光信号的传输过程的稳定性，不会因为设置固定的通路由于灰尘等对激光信号造成干扰或者衰减，同时也便于激光雷达内部的设计，无需考虑在固定位置设置固定的传输通道，只要能够保证激光信号在光纤中处于全反射传输状态即可，优化了激光雷达的内部构造设计。

发射光学系统130和接收光学系统140，可以根据激光雷达的设计需要采用同轴光路和离轴光路，其中，同轴光路可以是由相同的光学组件即承担发射激光信号又承担接收回波信号的特点，比如可以利用一组光学透镜，即用于对发射的激光信号的准直，又负责对接收到的回波信号的汇聚。离轴光路则是分别设置光学组件，分别承担发射和接收的任务。

其中，可以在接收光学系统中加入滤光片，滤光片可以将非激光光源波段的光滤掉，消除太阳光等背景光的影响，从而提高系统信噪比，增加回波信号识别及处理过程中的准确性。

探测器150，将光信号转换成电信号。其中，探测器具体可以是线阵光电探测器。

信号处理系统160，根据所述回波信号确定目标方向上的目标物距离。具体的，信号处理系统160可以根据激光雷达的信号处理类型进行回波信号的处理，比如激光雷达为基于飞行时间法测距，则信号处理系统160可以根据激光信号的发出时间和回波信号的接收时间来确定激光信号的在雷达与目标物之间的往返传播时间，再根据激光信号的传播速度确定目标物与激光雷达之间的距离，还可以是根据相位测距法来对目标物的距离进行测定。

除此之外，激光雷达还需要设置控制系统、壳体以及激光雷达内部的支撑部件，具体的设置方式可以依据需要来进行设置，此处不再赘述。

本申请实施例所提供的激光雷达，包括激光光源，用于产生激光信号；MEMS扫描镜，与所述激光光源由传输光路连接，用于在预设角度范围内调节所述激光信号的发射角度；发射光学系统，用于将所述MEMS扫描镜调节后的所述激光信号进行准直，得到向目标方向发射的激光信号；接收光学系统，用于接收所述激光信号的回波信号，并聚焦到探测器上；探测器，将光信号转换成电信号；信号处理系统，根据所述回波信号基于飞行时间法确定目标方向上的目标物距离。通过采用本申请所提供的技术方案，可以实现提高雷达探测精度及探测距离的效果。

实施例二

图2是本实用新型实施例二提供的一种激光雷达示意图。本实施例在上述实施例的基础上，进行了进一步的优化。

如图2所示，如上述实施例所述的激光雷达，其中：

所述单轴MEMS扫描镜的转动方向为沿水平方向转动；

当所述激光光源为所述激光二极管时，所述激光雷达包括至少两个激光二极管，所述激光二极管纵向排列。

其中，激光二极管和MEMS扫描镜之间可以由光纤连接，激光二极管和光线之间的耦合方式可以是直接耦合，也可以是分离透镜耦合，即在激光二极管和光纤之间插入光学元件(如插入透镜、棱镜等)的方式。优选的，激光二极管与光纤直接耦合，这样设置的好处是耦合效率达80％以上，可以有效避免激光信号在光路传输过程中的能量消耗。

其中，由于单轴MEMS扫描镜设置的转动方式是沿水平方向转动，则在一个激光二极管作为光源的情况下，可以实现水平方向一定角度的扫描探测。则设置至少两个激光二极管纵向排列的情况下，就可以实现激光雷达在纵向一定范围内发出激光信号，从而实现纵向的一定范围内的探测。在本实施例中，发射光学系统可以设置到满足单轴MEMS扫描镜的所有旋转角度和纵向每个激光二极管都能够通过单轴MEMS扫描镜将发射光束打在发射光学系统的透镜组件上，这样就可以实现无论什么方向发射出来的激光信号，都能够被发射光学系统进行准直并向目标方向发射。

优选的，所述激光二极管与所述光纤的耦合方式包括直接耦合；与所述激光二极管直接耦合的所述光纤依次排列在带有至少两个V型凹槽的支撑板上，所述支撑板用于确保光纤在激光雷达在工作过程中不会发生偏移。

图3是本实用新型实施例二提供的另一种激光雷达示意图。本实施例在上述实施例的基础上，进行了进一步的优化。

如图3所示，如上述实施例所述的激光雷达，其中：

当所述激光光源为所述光纤激光器时，所述激光雷达还包括光纤分束器，所述光纤分束器由光纤连接至少两个光纤环形器，所述至少两个光纤环形器纵向排列。其中，光纤分束器的分光比可以为99:1。在在光纤分束器和光纤环形器中间可以设置一个1*N光开关，所述1*N光开关用于控制N个光纤环形器，在一个时间段内只有一个光纤环形器处于导通状态，可以将光纤激光器发出的激光信号发射到单轴MEMS扫描镜上。设置光纤分束器以及光纤环形器的好处是可以实现激光雷达中只设置一个光纤激光器也能够实现多光源纵向排列，从而增大激光雷达的扫描范围及探测距离。

优选的，所述光纤分束器的分光比为99:1。

图4是本实用新型实施例二提供的一种光纤环形器的工作示意图。如图4所示：

所述光纤分束器与所述至少两个光纤环形器设置有开关，所述开关用于控制所述激光信号从所述至少两个光纤环形器中的一个发出；

其中，所述光纤环形器包括：

输入端口，用于输入所述光纤激光器发出的激光信号；

输出端口，用于输出所述激光信号；所述输出端口还用于接收回波信号；

回波传送端口，与线阵光电探测器通过光纤连接，用于将所述输出端口接收到的回波信号传送到所述线阵光电探测器。

其中，本实施例所提的光纤环形器按照图4的工作原理适用于同轴激光雷达系统，对于离轴光路的激光雷达，也可以使用上述光纤环形器，只是所述光纤环形器的输出端口可以不用于接收回波信号。

设置光纤环形器的好处是可以在同轴光路的激光雷达中，实现对发送的激光信号和接收的回波信号进行双向传输的效果，节省激光雷达的内部组件，可以实现缩小激光雷达的体积，简化激光雷达的内部设置。

在上述技术方案的基础上，优选的，当所述激光雷达采用同轴光路时，所述发射光学系统与所述接收光学系统是相同的光学组件；当所述激光雷达采用离轴光路时，所述发射光学系统与所述接收光学系统采用挡板隔开，所述挡板用于避免发射激光信号对接收所述回波信号造成的干扰。

本实施例在上述实施例的基础上，提供了一种以激光二极管和光纤激光器作为激光光源时，实现了激光雷达在配置单轴MEMS扫描镜时，不仅能够在水平方向上进行扫描，还能够进行纵向探测的方法，在构件精简的情况下，提高了激光雷达的扫描范围。

在上述技术方案的基础上，优选的，所述激光二极管发出的激光信号的波长为905纳米。这样设置的好处是可以利用价格低廉的硅探测器，整个激光雷达系统成本相对低。

在上述技术方案的基础上，优选的，所述光纤激光器发出的激光信号的波长为1550纳米。人眼安全的前提下，可以使用1550纳米波长，以使激光信号的强度更高，扫描精度更高，提高激光雷达的探测距离。

优选实施例

图5是本优选实施例提供的一种激光雷达结构示意图。如图5所示：

其中101a、101b和101c为结构及性能相同的与光纤直接耦合的激光二级管，102为单轴MEMS扫描镜，103为发射光学系统，104为目标物体，105为接收光学系统，106为线阵光电探测器，107为信号处理系统，108为控制系统。图5中展示了在垂直方向排列多个激光二极管(101a、101b和101c)，通过控制系统108控制激光二极管的点亮及关闭，实现激光雷达在垂直方向上的扫描，同时被点亮的激光二极管出射的激光信号到达单轴MEMS扫描镜102，通过单轴MEMS扫描镜102的转动实现激光雷达在水平方向上的扫描。

首先，图5中的激光雷达系统摈弃了宏观的旋转部件，无机械磨损；其次，激光光源波长为905纳米，可采用硅基探测器；最后，采用低成本、结构及工艺简单、扫描角度大的单轴MEMS扫描镜，避免使用技术难度大的双轴MEMS扫描镜或体积大的振镜。

图6是本优选实施例提供的另一种激光雷达结构示意图。如图6所示：

其中201为光纤激光器，发射的激光信号波长为1550纳米，202为光纤分束器(分光比99:1)，203为1×3光开关，204a、204b和204c为结构及性能相同的光纤环形器，205为单轴MEMS扫描镜，206为发射/接收光学系统，207为目标物体，208为线阵光电探测器，209为信号处理系统，210为控制系统。图6中展示了光纤激光器201发射的激光经光纤分束器202入射到1×3光开关203，从1×3光开关203的三个端口切换输出，从而实现激光雷达在垂直方向上的扫描，同时单轴MEMS扫描镜205的转动实现激光雷达在水平方向上的扫描。

首先，图6中的激光雷达系统宏观的旋转部件，无机械磨损；其次，采用光纤传输激光，降低了光损耗；再次，采用低成本、结构及工艺简单、扫描角度大的单轴MEMS扫描镜，避免使用技术难度大的双轴MEMS扫描镜或体积大的振镜；最后，该系统为同轴式激光雷达系统，可以将光纤激光器和1×3光开关独立与系统外，大大减小了系统体积。

图7是本优选实施例提供的一种激光雷达的横截面示意图。如图7所示：

301为激光二极管，激光二极管与光纤直接耦合，302为单轴MEMS扫描镜，303为发射光学系统，304为接收光学系统，305为滤光片，306为线阵探测器，307为挡板(防止发射部分的激光对探测器产生干扰)，图中未显示信号处理系统及控制系统。与激光二极管直接耦合的光纤依次排列在有多个V型凹槽的支撑板上，图7中未显示。由于图7为横截面示意图，所以图中仅显示了一个激光二极管301，其他两个激光二极管在激光二极管301的位置沿z方向排列。激光雷达系统中仅有一行线阵光电探测器306。

控制系统点亮激光二极管301，发射的激光经光纤传输到单轴MEMS扫描镜302的镜面上，激光经过镜面反射至发射光学系统303形成平行光出射，依次点亮激光二极管即可实现垂直方向扫描。通过控制系统控制单轴MEMS扫描镜302的转动，实现x、y平面内的扫描即水平方向的扫描。平行扫描光束在激光雷达周围环境传播时遇到物体，则激光在物体表面发生反射，反射光经接收光学系统304聚焦和滤光片305滤除其他波长的光后，再聚焦到线阵光电探测器306上，水平扫描光束角度不同则反射光在线阵探测器上的聚焦位置也不同。该激光雷达水平方向扫描角度分辨率不小于单轴MEMS扫描镜可输出的最小扫描角度间隔，水平方向扫描角度不大于使用的MEMS可输出最大扫描角度，但若想继续增加水平方向扫描角度可在发射光学系统之前或之后增加角放大光学系统。

在z方向排列多个激光二极管，通过控制系统控制各个激光二极管在不同时刻点亮，即可实现多层扫描，z方向排列的激光二极管越密集则垂直方向扫描角度分辨率越小，z方向排列的激光二极管的高度越高则垂直方向扫描角度越大。

图8是本优选实施例提供的一种激光雷达的横截面示意图。如图8所示：

401为光纤激光器，402为光纤分束器(分光比为99:1)，403为1×3光开关，404a、404b和404c为结构和性能相同的光纤环形器，405为单轴MEMS扫描镜，406为发射/接收光学系统，407为线阵光电探测器，图中未显示信号处理系统及控制系统。使用的光纤环形器有三个端口(端口1、端口2和端口3)，端口1与1×3光开关403的其中一个通道光纤相连，端口2作为出射端不与任何器件相连，端口3与线阵光电探测器407相连，光纤环形器端口2处的光纤依次排列在有多个V型凹槽的支撑板上，图4中未显示。

控制系统首先触发光纤激光器401出光，激光信号经光纤分束器402，一部分激光信号经光纤传输至线阵探测器407，另一部分激光经光纤传输至1×3光开关403，控制系统可决定1×3光开关403的三个通道中任意一个处于开启状态，激光将由开启的通道传输到与其相连的光纤环形器，激光由端口1输入，再由端口2输出到单轴MEMS扫描镜405，经过MEMS的镜面反射至发射/接收光学系统406，最后以平行光出射到激光雷达周围的环境中。依次开启1×3光开关403的通道，实现激光雷达在垂直方向的扫描；通过控制单轴MEMS扫描镜405以z为转轴在xy平面内的转动，实现激光雷达在水平方向的扫描。若在该激光雷达中使用1×N光开关即可实现N层扫描，若想继续增加水平方向扫描角度可在发射光学系统之前或之后增加角放大光学系统。扫描光束在环境中传播时，遇到物体则发生反射，反射光经发射/接收光学系统406聚焦至单轴MEMS扫描镜405，再由MEMS镜面反射到光纤环形器的端口2的光纤内，反射的回光经光纤环形器端口2传输到端口3处，到达线阵光电探测器407，在此由光信号转换成电信号，之后进行信号处理等其他步骤。

该激光雷达的激光波长为1550纳米，在人眼安全的前提下，可以使用较905纳米波长激光器更高的激光脉冲强度，提高激光雷达的探测距离。系统采用激光器与激光雷达分离，且激光雷达内部使用光纤传输激光，可以大大减小激光雷达系统的体积。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：

激光光源，用于产生激光信号；

MEMS扫描镜，与所述激光光源由传输光路连接，用于在预设角度范围内调节所述激光信号的发射角度；

发射光学系统，用于将所述MEMS扫描镜调节后的所述激光信号进行准直，得到向目标方向发射的激光信号；

接收光学系统，用于接收所述激光信号的回波信号，并聚焦至探测器上；

探测器，将光信号转换成电信号；

信号处理系统，根据所述回波信号基于时间飞行法确定目标方向上的目标物距离。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述MEMS扫描镜包括单轴MEMS扫描镜。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光光源包括激光二极管或光纤激光器；所述传输光路包括光纤。

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述单轴MEMS扫描镜的转动方向为沿水平方向转动；

当所述激光光源为所述激光二极管时，所述激光雷达包括至少两个激光二极管，所述激光二极管纵向排列；

当所述激光光源为所述光纤激光器时，所述激光雷达还包括光纤分束器，所述光纤分束器由光纤连接至少两个光纤环形器，所述至少两个光纤环形器纵向排列。

5.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述激光二极管与所述光纤的耦合方式包括直接耦合；

与所述激光二极管直接耦合的所述光纤依次排列在带有至少两个V型凹槽的支撑板上，所述支撑板用于确保光纤在激光雷达在工作过程中不会发生偏移。

6.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述光纤分束器的分光比的99:1；

所述光纤分束器与所述至少两个光纤环形器设置有开关，所述开关用于控制所述激光信号从所述至少两个光纤环形器中的一个发出；

其中，所述光纤环形器包括：

输入端口，用于输入所述光纤激光器发出的激光信号；

输出端口，用于输出所述激光信号；所述输出端口还用于接收回波信号；

回波传送端口，与线阵光电探测器通过光纤连接，用于将所述输出端口接收到的回波信号传送到所述线阵光电探测器。

7.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，当所述激光雷达采用同轴光路时，所述发射光学系统与所述接收光学系统是相同的光学组件；

当所述激光雷达采用离轴光路时，所述发射光学系统与所述接收光学系统采用挡板隔开，所述挡板用于避免发射激光信号对接收所述回波信号造成的干扰。

8.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述激光二极管发出的激光信号的波长为905纳米。

9.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述光纤激光器发出的激光信号的波长为1550纳米。