CN208506242U

CN208506242U - 激光雷达系统

Info

Publication number: CN208506242U
Application number: CN201820903320.1U
Authority: CN
Inventors: 王世玮; 孟玉凰; 郑睿童; 沈罗丰
Original assignee: Exploration And Technology (beijing) Co Ltd
Current assignee: Exploration And Technology (beijing) Co Ltd
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-02-15
Anticipated expiration: 2028-06-11

Abstract

本实用新型涉及一种激光雷达系统，包括：激光发射装置，用于发射激光束；光学转镜，能够围绕转轴转动，在转动过程中接收所述激光束并调整激光束的方向，将所述激光束反射到目标物；所述激光束在所述目标物上发生漫反射后的回波回到所述光学转镜，回波经光学转镜反射后被所述激光接收装置接收。根据本实用新型实施例的激光雷达系统，能够在更长的扫描时间和更大的角度范围内采集到有效信息，确保激光能量的利用率，提高了激光雷达系统的扫描效率和探测距离。

Description

激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及激光雷达扫描领域，尤其涉及一种激光雷达系统。

背景技术

激光雷达技术被广泛应用于自动驾驶、地表形貌测绘、军事侦察、大气探测、机器人视觉等领域。以激光测距技术为基础，采用传统的飞行时间法(TOF，Time of Flight)测量激光发射脉冲及接收脉冲之间的时间差，再乘以光速，就可以得到被测物体的距离信息，配合扫描系统，可进一步地实现不同方向上的距离测量，得到激光扫描截面的距离和角度信息。

激光扫描雷达系统，通常采用APD探测器接收回波信号，通过二维扫描振镜完成对探测物的测量。二维扫描振镜尺寸小，限制APD探测器接收的回波信号的能量，影响激光扫描雷达系统的探测距离、探测角度和扫描效率。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出了一种激光雷达系统，包括：激光发射装置、光学转镜以及激光接收装置；

其中，

激光发射装置，用于发射激光束；

光学转镜，能够围绕转轴转动，在转动过程中接收所述激光束并调整激光束的方向，将所述激光束反射到目标物；其中，所述光学转镜包括至少两个镀膜的镜面；

所述激光束在所述目标物上发生漫反射后的回波回到所述光学转镜，回波经光学转镜反射后被所述激光接收装置接收。

在一种可能的实现方式中，所述激光雷达系统还包括：光学整形元件，

所述光学整形元件将所述激光束转换为线状激光束；

所述光学转镜在转动过程中接收所述线状激光束并调整线状激光束的方向，将所述线状激光束反射到目标物；

所述线状激光束在所述目标物上发生漫反射后的回波回到所述光学转镜，回波经光学转镜反射后被所述激光接收装置接收。

在一种可能的实现方式中，所述光学整形元件为平凸柱面透镜。

在一种可能的实现方式中，所述激光接收装置包括光学接收元件和线阵APD探测器，所述光学接收元件用于将接收到的回波会聚到线阵APD探测器。

在一种可能的实现方式中，所述光学接收元件为会聚透镜。

在一种可能的实现方式中，在所述光学转镜包括两个镀膜的镜面时，所述两个镀膜的镜面相互平行。

在一种可能的实现方式中，在所述光学转镜包括两个镀膜的镜面时，所述两个镀膜的镜面具有第一夹角。

在一种可能的实现方式中，所述线状激光束的发散角与激光接收装置的接收视场角相匹配。

通过设置包括至少两个镀膜的镜面的光学转镜，对激光发射装置发射的激光束进行反射扫描目标物，被目标物漫反射后的回波到光学转镜，经光学转镜反射后被激光接收装置接收，从而进行距离测量。

根据本实用新型的激光雷达系统，由于采用了包括至少两个镀膜的镜面的光学转镜，能够在更长的扫描时间和/或更大的角度范围内采集到有效信息，确保出射激光束的能量的利用率，提高了激光雷达系统的扫描效率、扫描范围和探测距离。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本实用新型的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本实用新型的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本实用新型的原理。

图1示出根据本实用新型一实施例的激光雷达系统的结构框图；

图2示出根据本实用新型一实施例的激光雷达系统的结构示意图；

图3示出根据本实用新型一实施例的激光雷达系统的线阵APD探测器的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本实用新型的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本实用新型，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本实用新型同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。

图1示出根据本实用新型一实施例的激光雷达系统的结构示意图；

如图1所示，该激光雷达系统可以包括：激光发射装置、光学转镜以及激光接收装置；

激光发射装置，用于发射激光束；其中，所述激光束可以为点状激光束，激光发射装置可以为光纤激光器、半导体激光器等。

光学转镜可以固定在激光发射装置的传输光路上，光学转镜可以包括转轴，且能够围绕转轴匀速转动，在转动过程中实时接收激光发射装置发射的激光束，反射激光束到目标物，实现激光束的偏转，从而将激光发射装置发射的激光束反射到不同的方向。

在一种可能的实现方式中，激光雷达系统还可以包括：转镜驱动机构和控制模块，转镜驱动机构可以为电机等能够带动光学转镜旋转的部件，控制模块可以向转镜驱动机构发送控制信号，以控制转镜驱动机构的旋转。这样，在转镜驱动机构的带动下，光学转镜能够围绕转轴做匀速旋转，在不同方向反射激光发射装置发射的激光束。

在一种可能的实现方式中，光学转镜可以包括至少两个镜面，至少两个镜面可以通过真空镀膜镀上一层金属银或铝的薄膜。由于包括至少两个镀膜的镜面，光学转镜能够在更长的扫描时间和/或更大的角度范围内采集到有效信息，大大提高了激光雷达系统的测量效率。

举例来说，以光学转镜包括两个镀膜的镜面为例，两个镀膜的镜面对应的角度范围相同，但是两个镀膜的镜面都可以反射激光束，因此，两个镀膜的镜面分别旋转到与激光发射装置相对时，都可以对目标物进行扫描，相比于一个镀膜的镜面的扫描时间更长，可以提高激光雷达系统的测量效率。

光学转镜能够做到较大的尺寸，其可以反射更多的回波。光学转镜能够围绕转轴进行360度的转动，其扫描角度更大。且光学转镜包括至少两个镀膜的镜面。因此，能够在更大的角度范围内采集到更多的有效信息，提高了扫描范围和效率。

光学转镜将所述激光束反射到目标物后，所述激光束在所述目标物上发生漫反射后的回波回到所述光学转镜，回波经光学转镜反射后被所述激光接收装置接收。

其中，回波可以是指在目标物上发生漫反射后返回的光。

举例来说，光学转镜将激光束反射到目标物后会发生漫反射，漫反射后的一部分光回到光学转镜，再由激光接收装置接收。在使用激光雷达系统之前，可以通过静态量标定来消除激光雷达系统内部光程对测量结果带来的影响，这样，使得激光雷达系统的测量结果更加准确。

回到光学转镜的回波会在光学转镜上发生反射，激光接收装置可以固定在光学转镜的扫描范围内，可以接收光学转镜反射的回波。在一种可能的实现方式中，激光接收装置可以为光探测器，例如可以为线阵APD探测器或者面阵APD探测器等，具体根据发射的激光束设置即可。

在一种可能的实现方式中，所述激光雷达系统还可以包括：光学整形元件，用于将激光束转换为线状激光束。举例来说，光学整形元件可以为平凸透镜、平凸柱面透镜等。

图2是示出根据本实用新型一实施例的激光雷达系统的结构示意图；

如图2所示，光学整形元件2可以固定在激光发射装置1和光学转镜3之间，用于调制激光发射装置1发射的激光束，光学整形元件将激光束整形成X方向准直，Y方向有适当发散角的线状激光束，线状激光束经光学转镜3反射到目标物6上，经目标物6漫反射形成的回波回到光学转镜，回波经光学转镜3反射到激光接收装置，被激光接收装置接收。

通过设置光学整形元件，能够将激光束整形成具有一定发散角的线状激光束，能够使激光束充分照射到光学转镜上，有效利用光学转镜的尺寸，可以实现二维平面扫描，提高了扫描效率。

在一种可能的实现方式中，激光接收装置可以包括：光学接收元件4和线阵APD探测器5，光学接收元件4用于将接收光学转镜反射的回波会聚到线阵APD探测器5。

如图2所示，光学接收元件4可以固定在光学转镜、线阵APD探测器5中间的传输光路上，用于接收光学转镜3反射的回波。回波经过光学接收元件4会聚后，能够被线阵APD探测器的各个单元所接收。

其中，光学接收元件4可以为会聚透镜等，结合线阵APD探测器5的有效区域尺寸，合理选择会聚透镜的口径和会聚透镜的焦距，以使回波经过会聚透镜会聚后能够充分地被线阵APD探测器5接收。

如图3所示，线阵APD探测器可以为16单元的线阵探测器，线阵APD探测器上有1×16个APD单元。如图2所示，线阵APD探测器可以固定在光学接收元件4的会聚光路上，用于接收光学接收元件4会聚的光束，其中，线阵APD探测器的16个APD单元能够并行接收会聚的光束。

在一种可能的实现方式中，所述激光雷达系统还可以包括处理器，所述处理器可以分别与激光发射装置和激光接收装置相连接。其中，当激光发射装置开始发射激光束，激光发射装置发送START信号给处理器，触发处理器开始计时，记为T₁；当回波到达激光接收装置时，激光接收装置发送STOP信号给处理器，计时结束，记为T₂，计算T₂和T₁的时间差，根据上述时间差和光速，可以得到目标物的距离信息。

如图3所示的1×16的线阵APD探测器，线阵APD探测器有16个单元，当激光发射装置发射激光束，激光发射装置发送START信号给处理器，其中START信号可以为16个单元的开始信号，当回波被16个单元的线阵APD探测器接收，各个单元接收回波，分别触发处理器记录各个单元的停止时间。获取每个单元的开始和结束时间信息后，基于飞行时间法TOF得到时间差，再根据时间差和光束，计算得到目标物的距离信息，这样，可以实现二维扫描提高激光雷达的测量效率。

需要说明的是，根据实际的扫描需求，线阵APD探测器还可以是包括其它数量单元的探测器，例如，1×8的线阵APD探测器、1×24的线阵APD探测器等，在此不作一一限定。

通过激光接收装置包括光学接收元件和线阵APD探测器，光学接收元件将接收到的回波会聚到线阵APD探测器上，能够有效利用激光发射装置发射的激光束的能量，实现激光雷达系统的多通道并行测量系统，提高激光雷达系统的扫描效率。

在一种可能的实现方式中，光学转镜可以具有两个镀膜的镜面，两个镀膜的镜面可以相互平行，例如两个镀膜的镜面的背部可以相对放置，这样，能够实现光学转镜在较大角度的角度范围内进行反射。

在一种可能的实现方式中，光学转镜的两个镀膜的镜面可以具有第一夹角，其中，第一夹角可以根据需要扫描的角度进行设置。这样，能够实现更大的角度范围内的目标物的扫描。

在一种可能的实现方式中，光学转镜可以具有多个镀膜的镜面，例如，可以是平面转镜、多棱镜、多面柱镜等。

上述关于光学转镜的镀膜镜面的个数及位置关系，仅仅是本实用新型的一些示例，光学转镜镀膜镜面的个数及形状可以根据测量需求而灵活选择，在此不作一一限定。

在一示例中，如图2所示,激光发射装置和激光接收装置可以沿Y轴方向并列放置的方式固定在于光学转镜的同一侧，激光发射装置和激光接收装置的纵轴线连线平行于光学转镜的转轴，这样能够实现光学转镜在垂直于入射激光束的方向上进行扫描。

其中，激光发射装置可以在激光接收装置的上方，也可以在激光接收装置的下方，两者可以紧密设置、也可以间隔一定的距离，例如，光学转镜的光学部件的工作面的尺寸的高可以为80mm，宽可以为50mm，激光发射装置和激光接收装置的横轴线垂直距离可以为40mm。上述只是本实用新型关于激光发射装置和激光接收装置的位置关系的一些示例，不以任何方式限制本实用新型。

在另一示例中，激光发射装置和激光接收装置还可以沿Z轴方向并排的方式固定在光学转镜的同一侧。

上述关于激光发射装置、激光接收装置、光学转镜之间的位置关系仅仅是本实用新型的一些示例，但不限于此，只要激光发射装置发射的激光束出射到光学转镜，经光学转镜反射，反射回波被激光接收装置接收即可，在此不作一一限定。

通过激光发射装置发射的激光束出射到光学转镜，经光学转镜反射至目标物，被目标物漫反射后的回波至光学转镜，经光学转镜反射后被激光接收装置接收，且激光发射装置和激光接收装置的连线与转轴平行，能够在更长的扫描时间和更大的角度范围内，都能采集到有效信息，确保激光能量的利用率，提高了激光雷达系统的有效扫描效率和探测距离。

在一种可能的实现方式中，线状激光束的发散角可以与激光接收装置的接收视场角相匹配。

光束的发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的速度，上述线状激光束的发散角与激光发射装置的发光特性和光学整形元件的口径有关。视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，比如，激光接收装置的视场角可以为线阵APD探测器与光学接收元件结合组成的激光接收装置的接收视场角。

在一种可能的实现方式中，在已知线状激光束的发散角和激光接收装置的接收视场角的情况下，可以通过设置光学整形元件与光学转镜之间的位置关系、光学转镜的尺寸和扫描范围、光学转镜和光学接收元件的位置关系以及光学接收元件的参数等信息使线状激光束的发散角和激光接收装置的接收视场角相匹配，能够使回波经过光学接收元件会聚后，被线阵APD探测器的各个单元接收。

这样，线阵APD探测器能够充分接收光学转镜反射的回波，有效利用激光发射装置发射的激光束的能量，提高激光雷达系统的探测距离。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：激光发射装置、光学转镜以及激光接收装置；

其中，

激光发射装置，用于发射激光束；

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述系统还包括：光学整形元件，

所述光学整形元件将所述激光束转换为线状激光束；

3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光学整形元件为平凸柱面透镜。

4.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光接收装置包括：光学接收元件和线阵APD探测器，

所述光学接收元件用于将接收到的回波会聚到线阵APD探测器。

5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光学接收元件为会聚透镜。

6.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，在所述光学转镜包括两个镀膜的镜面时，所述两个镀膜的镜面相互平行。

7.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，在所述光学转镜包括两个镀膜的镜面时，所述两个镀膜的镜面具有第一夹角。

8.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述线状激光束的发散角与激光接收装置的接收视场角相匹配。