CN212694030U - 激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种激光雷达系统，包括：激光发射模块，用于发射激光光束；扩束整形模块，设置于激光光束的发射光路上，用于接收激光光束，并对激光光束进行扩束整形，形成整形光束；整形光束投射至待测物体处，经待测物体反射后形成物体反射光；接收模块，设于物体反射光的光路上，用于接收物体反射光，并根据物体反射光得到待测物体的物体信息。本申请中，近处的接收视场小于出射光束的发射视场，接收模块接收部分回波能量；远处的接收视场大于等于出射光束的发射视场，接收模块能够接收全部回波能量，进而可减小近处回波能量与远处回波能量的差异，降低对接收模块的要求。

Description

激光雷达系统

技术领域

本申请涉及光电信息技术领域，特别是涉及一种激光雷达系统。

背景技术

随着探测及测距技术的发展，出现了激光雷达系统。激光雷达系统中，激光发射装置发射激光，激光传导至目标区域，目标区域内的物体会对激光进行反射，反射光被激光接收装置接收，从而完成激光收发。由于光速是已知的，可根据激光的传播时间对目标物实现测量，同时，还可结合激光发射装置的地理位置、高度、激光的扫描角度和激光的发射方向，从而可得到每一个物体的具体坐标，进而实现对目标区域进行探测和测量。

在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：在目前的激光雷达系统中，近处物体的回波能量比远处物体的回波能量高出多个量级，当能够对远处物体的回波进行探测时，激光雷达系统对于近处物体的回波能量会达到饱和，甚至造成损坏。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够减小近处回波能量与远处回波能量的差异的激光雷达系统。

本申请实施例提供了一种激光雷达系统，包括：

激光发射模块，用于发射激光光束；

扩束整形模块，设置于所述激光光束的发射光路上，用于接收所述激光光束，并对所述激光光束进行扩束整形，形成整形光束；所述整形光束投射至待测物体处，经所述待测物体反射后形成物体反射光；

接收模块，设于所述物体反射光的光路上，用于接收所述物体反射光，并根据所述物体反射光得到所述待测物体的物体信息。

在其中一个实施例中，所述扩束整形模块包括发散透镜组和汇聚透镜组；

所述发散透镜组和所述汇聚透镜组沿所述发射光路依次设置。

在其中一个实施例中，扩束整形模块包括棱镜组，所述扩束整形模块包括汇聚透镜组和发散透镜组；

所述汇聚透镜组和所述发散透镜组沿所述发射光路依次设置。

在其中一个实施例中，扩束整形模块包括棱镜组，棱镜组包括多个依次级联的等腰直角三棱镜。

在其中一个实施例中，所述激光雷达系统还包括：

投影镜头，设置于所述扩束整形模块的出射光路上，用于接收所述整形光束，并将来自投影镜头物面的所述整形光束投射至所述待测物体处。

在其中一个实施例中，所述激光雷达系统还包括：

反射装置，设置于所述发射光路上，用于接收并反射所述激光光束，以使所述激光光束射向所述扩束扩束整形模块。

在其中一个实施例中，所述接收模块包括：

接收镜头，设于所述物体反射光的光路上，用于接收并汇聚所述物体反射光；

探测器，设置在所述接收镜头的像面上，用于接收汇聚后的所述物体反射光，并将所述物体反射光转换为电信号；所述电信号用于指示所述物体信息。在一个实施例中，所述探测器为单像素探测器、电荷耦合元件、互补金属氧化物半导体和多像素光子计数器中的一种。

在其中一个实施例中，接收模块还包括数据传输和存储模块；数据传输和存储模块电连接探测器。

在其中一个实施例中，所述接收模块还包括：

计算模块，电连接所述探测器，用于根据所述电信号得到所述物体信息。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

本申请各实施例中的激光雷达系统，包括：激光发射模块，用于发射激光光束；扩束整形模块，设置于激光光束的发射光路上，用于接收激光光束，并对激光光束进行扩束整形，形成整形光束；整形光束投射至待测物体处，经待测物体反射后形成物体反射光；接收模块，设于物体反射光的光路上，用于接收物体反射光，并根据物体反射光得到待测物体的物体信息。本申请通过对激光光束进行扩束整形并出射整形光束，降低出射光束的发散角并增大出射光束的尺寸，使得出射光束的尺寸与接收模块的接收视场不匹配，近处的接收视场小于出射光束的发射视场，接收模块接收部分回波能量，从而可防止接收模块的饱和甚至损坏；远处的接收视场大于等于出射光束的发射视场，接收模块能够接收全部回波能量，进而可减小近处回波能量与远处回波能量的差异，降低对接收模块的要求。

附图说明

通过附图中所示的本申请的优选实施例的更具体说明，本申请的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。

图1为一个实施例中激光雷达系统的第一示意性结构框图；

图2为一个实施例中激光光束整形前后的变化对比图；

图3为一个实施例中激光雷达系统的第三示意性结构框图；

图4为一个实施例中激光雷达系统的第四示意性结构框图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“设置”、“电连接”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

当激光传感器向散射地物发射一束窄的光束，光束照射在散射地物上的光斑面积可以通过下面的公式近似的给出：

其中，A_taser为光斑面积，R为激光探测距离，即激光雷达系统与待测物体之间的距离，β_t为光束宽度，对应于激光的发散角。

因此，照射在散射地物上激光光束的能量密度为：

其中，S_s为照射在散射地物上激光光束的能量密度，P_t为激光发射能量。

由于激光波长一般远小于散射地物的尺寸，照射在该地物的有效面积额可以简化为散射地物的投影面积，投影到散射地物的部分能量被吸收，其余被散射到各个方向，因此散射能量为：

其中，P_s为散射能量，ρ为反射率，A_s为散射地物的被照射面积。

假设入射激光被均一地散射进立体角度为Ω的圆锥体里，若传感器能接收到能量，则接收器接收到的能量密度S_r为：

进入接收器的能量P_r为：

其中，D_r为接收器光学孔径。

在传统的激光雷达系统中，接收视场一般大于或等于发射视场，当

近似于1时，落在接收器上的能量可以近似为：

从上式可以确定，对于一固定的激光雷达系统而言，在发射功率不变、接收镜头口径不变的情况下，若测量反射率相同的待测物体，则落在探测器上的能量与R成平方反比的关系。例如反射率相同的物体分别位于0.1m(米)和100m，位于0.1m处物体的回波能量会比位于100m出物体的回波能量高出10⁶倍，即近处物体的回波能量与远处物体的回波能量差距巨大，此时对于探测器则提出了很高的要求。如果要求探测器能够探测到远处物体的回波能量，则近处物体的回波能量会使探测器达到饱和，甚至被打坏。

而本申请中，激光发射装置通过对出射的激光光束进行整形，降低出射光束的发散角并增大出射光束的尺寸，使得出射光束的尺寸与接收模块的接收视场不匹配，近处的接收视场小于出射光束的发射视场，接收模块接收部分回波能量，从而可防止接收模块的饱和甚至损坏；远处的接收视场大于等于出射光束的发射视场，接收模块能够接收全部回波能量，进而可减小近处回波能量与远处回波能量的差异，降低对接收模块的要求。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种激光雷达系统，包括：

激光发射模块，用于发射激光光束；

扩束整形模块，设置于激光光束的发射光路上，用于接收激光光束，并对激光光束进行扩束整形，形成整形光束；整形光束投射至待测物体处，经待测物体反射后形成物体反射光；

接收模块，设于物体反射光的光路上，用于接收物体反射光，并根据物体反射光得到待测物体的物体信息。

具体地，本申请中的激光雷达系统可以实现在测距、测速、成像、大气探测和/或物体跟踪等功能，待测物体的物体信息包括但不局限于待测物体与激光雷达系统之间的距离、待测物体的运动速度(包括待测物体与地面的相对速度，和/或待测物体与激光雷达系统的相对速度)、待测物体的像、待测物体的坐标、待测物体的运动轨迹、大气中的分子密度、环境风速和环境风向等的任意一种或任意组合。

激光雷达系统包括激光发射模块、扩束整形模块和接收模块。激光发射模块用于发射激光光束，扩束整形模块设置在激光光束的发射光路上，激光光束沿发射光路传播，可以入射扩束整形模块。扩束整形模块对入射的激光光束进行扩束整形，形成整形光束。相较于激光发射模块发射的激光光束，整形光束具备较小的发散角，从而可增大出射至待测物体的激光光束的尺寸，减小出射光束的发散角，实现出射激光尺寸与接收视场不匹配。

激光发射模块和扩束整形模块，激光发射模块和扩束整形模块可以为一体化设置，也可以分离设置。扩束整形模块用于对激光发射模块发射的激光光束进行扩束和降低发散角的整形，在增大激光光束尺寸的同时，降低激光光束的发散角。

降低了发散角的整形光束可以投射至视场中，位于视场内的待测物体对整形光束进行反射，并形成物体反射光，其中，物体反射光中携带了待测物体的物体信息，如待测物体与激光雷达之间的距离或者待测物体的速度等。物体反射光沿反射光路进行传播，接收模块设置在反射光路上，从而可接收携带了物体信息的物体反射光，并根据物体反射光得到待测物体的物体信息。

具体而言，本申请中，接收模块接收到的回波能量P_r为：

其中，A_s为散射地物的被照射面积，A_taser为光斑面积，R为激光探测距离，P_t为激光发射能量，D_r为接收模块中接收镜头的光学孔径，ρ为反射率，Ω为立体角度。

以接收视场与发射视场重叠之处为分界，近处可以为靠近激光雷达系统的一侧，远处可以为远离激光雷达系统的一侧。如图2所示，在对激光光束进行整形前，激光发散角为ω₁；在对激光光束进行整形后，激光发散角为ω₂，此时激光出射光斑直径增加，激光发散角ω₂减小。在整形后的激光光束中，接收模块的接收视场如虚线所示，发射视场如实线所示。

当待测物体位于近处时，接收模块在待测物体处的视场面积小于整形光束在待测物体处的光斑面积，

的比值小于1，接收模块对部分回波能量进行接收；当待测物体位于远处时，接收模块对全部回波能量进行接收，从而降低了在近处接收视场接收到的回波能量与在远处接收视场接收到的回波能量的差异，解决了激光雷达接收系统接收到的回波能量在远处和近处相差过大的问题。

上述激光雷达系统中，包括：激光发射模块，用于发射激光光束；扩束整形模块，设置于激光光束的发射光路上，用于接收激光光束，并对激光光束进行扩束整形，形成整形光束；整形光束投射至待测物体处，经待测物体反射后形成物体反射光；接收模块，设于物体反射光的光路上，用于接收物体反射光，并根据物体反射光得到待测物体的物体信息。本申请通过对激光光束进行扩束整形并出射整形光束，降低出射光束的发散角并增大出射光束的尺寸，使得出射光束的尺寸与接收模块的接收视场不匹配，近处的接收视场小于出射光束的发射视场，接收模块接收部分回波能量，从而可防止接收模块的饱和甚至损坏；远处的接收视场大于等于出射光束的发射视场，接收模块能够接收全部回波能量，进而可减小近处回波能量与远处回波能量的差异，降低对接收模块的要求。

在一个实施例中，所述扩束整形模块包括发散透镜组和汇聚透镜组；

所述发散透镜组和所述汇聚透镜组沿所述发射光路依次设置。

具体地，扩束整形模块可以包括发散透镜组和汇聚透镜组，发散透镜组和汇聚透镜组沿激光光束的发射光路依次设置，也即激光发射模块、发散透镜组和汇聚透镜组依次设备。激光发射模块发射激光光束后，激光光束入射发散透镜组，发散后的激光光束入射汇聚透镜组，汇聚透镜组的出射光束为整形光束。

其中，发散透镜组可以通过一个或多个透镜进行实现，汇聚透镜组可以通过一个或者多个透镜进行实现。当透镜组包括多个透镜时，各透镜可以按照预设次序进行排列。

上述激光雷达系统中，所述扩束整形模块包括发散透镜组和汇聚透镜组，且所述发散透镜组和所述汇聚透镜组沿所述发射光路依次设置，从而可降低扩束整形模块的体积，且易于实现。

在一个实施例中，所述扩束整形模块包括汇聚透镜组和发散透镜组；

所述汇聚透镜组和所述发散透镜组沿所述发射光路依次设置。

具体地，扩束整形模块可以包括汇聚透镜组和发散透镜组，汇聚透镜组和发散透镜组沿发射光路依次设置，也即激光发射模块、汇聚透镜组和发散透镜组依次设置。激光发射模块发射激光光束后，激光光束入射汇聚透镜组，经汇聚透镜组进行汇聚后的激光光束入射发散透镜组，发散透镜组的出射光束为整形光束。

其中，发散透镜组可以通过一个或多个透镜进行实现，汇聚透镜组可以通过一个或者多个透镜进行实现。当透镜组包括多个透镜时，各透镜可以按照预设次序进行排列。

进一步地，扩束整形模块还可包括光阑和透光片，光阑上开设有小孔，且光阑可设置在汇聚透镜组的焦点处，透光片覆盖光阑上的小孔，经汇聚透镜组进行汇聚后的激光光束通过光阑上的小孔入射至发散透镜组，从而可实现空间滤波。

上述激光雷达系统中，所述扩束整形模块包括发散透镜组和汇聚透镜组，且所述汇聚透镜组和所述发散透镜组沿所述发射光路依次设置，从而可进行大倍率扩束。

在一个实施例中，扩束整形模块包括棱镜组，棱镜组包括多个依次级联的等腰直角三棱镜。本申请采用等腰直角三棱镜作为扩束元件，具有结构简单、加工精度高的等腰直角三棱镜更易于制作、加工成本低的优点。

在一个实施例中，所述激光雷达系统还包括：

投影镜头，设置于所述扩束整形模块的出射光路上，用于接收所述整形光束，并将来自投影镜头物面的所述整形光束投射至所述待测物体处。

具体地，激光发射模块、扩束整形模块和投影镜头依次设置，投影镜头设置在扩束整形模块和待测物体之间。扩束整形模块对激光发射模块发射的激光光束进行扩束和降低发散角的整形，投影镜头接收扩束整形模块出射的整形光束，将整形光束投射至待测物体处。

进一步地，投影镜头还可将整形光束投射至目标区域内，从而可利用整形光束并对目标区域进行扫描。位于目标区域内的物体对整形光束进行反射，接收模块接收被反射的光束，从而可根据物体反射光得到目标区域的区域信息。其中，区域信息包括但不局限于区域内物体的数量，各物体/特定物体的物体信息等。

上述激光雷达系统中，在扩束整形模块和待测物体之间设置投影镜头，并通过投影镜头将整形光束投射至待测物体，从而可对便于对投影参数进行调整，并使得整形光束可以投射至待测物体，进而可提高激光雷达系统的适用性和有效性。

在一个实施例中，所述激光雷达系统还包括：

反射装置，设置于所述发射光路上，用于接收并反射所述激光光束，以使所述激光光束射向所述扩束扩束整形模块。

具体地，激光发射模块、反射装置和扩束整形模块可以依次设置。反射装置可以将激光发射模块发射的激光光束反射至扩束整形模块，使得扩束整形模块可以对激光发射模块发射的激光光束进行扩束和降低发散角的处理。

上述激光雷达系统中，在激光发射模块和扩束整形模块之间设置反射装置，通过反射装置对激光发射模块发射的激光光束进行反射，以使激光光束射向扩束整形模块，从而可提高激光发射模块和扩束整形模块设置的灵活性，提高激光雷达系统适用性并减小体积。

在一个实施例中，如图3所示，所述接收模块包括：

接收镜头，设于所述物体反射光的光路上，用于接收并汇聚所述物体反射光；

探测器，设置在所述接收镜头的像面上，用于接收汇聚后的所述物体反射光，并将所述物体反射光转换为电信号；所述电信号用于指示所述物体信息。

具体地，接收模块可包括接收镜头和探测器。待测物体对扩束整形模块出射的整形光束进行反射，物体反射的光被接收镜头接收，接收镜头将反射的激光光束传送至接收镜头像面上，探测器设置在接收镜头的像面上，从而可将反射的激光光束转换为电信号，从而可提高获取到的物体信息的准确度。

在一个实施例中，所述探测器为单像素探测器、电荷耦合元件、互补金属氧化物半导体和多像素光子计数器中的一种。

在一个实施例中，如图4所示，接收模块还包括数据传输和存储模块；数据传输和存储模块电连接探测器。

具体地，数据传输和存储模块可以为数字电路，通过与探测器电连接，从而可接收经探测器转换得到的电信号，并进行读取和记录。

在一个实施例中，所述接收模块还包括：

计算模块，电连接所述探测器，用于根据所述电信号得到所述物体信息。

具体地，接收模块还包括计算模块，计算模块电连接探测器，从而可接收经探测器转换得到的电信号，并对电信号进行计算，得到待测物体的物体信息，进而可提高物体信息获取速率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：

激光发射模块，用于发射激光光束；

扩束整形模块，设置于所述激光光束的发射光路上，用于接收所述激光光束，并对所述激光光束进行扩束整形，形成整形光束；所述整形光束投射至待测物体处，经所述待测物体反射后形成物体反射光；

接收模块，设于所述物体反射光的光路上，用于接收所述物体反射光，并根据所述物体反射光得到所述待测物体的物体信息。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述扩束整形模块包括发散透镜组和汇聚透镜组；

所述发散透镜组和所述汇聚透镜组沿所述发射光路依次设置。

3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述扩束整形模块包括汇聚透镜组和发散透镜组；

所述汇聚透镜组和所述发散透镜组沿所述发射光路依次设置。

4.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述扩束整形模块包括棱镜组，所述棱镜组包括多个依次级联的等腰直角三棱镜。

5.根据权利要求2至4任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统还包括：

投影镜头，设置于所述扩束整形模块的出射光路上，用于接收所述整形光束，并将来自投影镜头物面的所述整形光束投射至所述待测物体处。

6.根据权利要求2至4任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统还包括：

反射装置，设置于所述发射光路上，用于接收并反射所述激光光束，以使所述激光光束射向所述扩束扩束整形模块。

7.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述接收模块包括：

接收镜头，设于所述物体反射光的光路上，用于接收并汇聚所述物体反射光；

探测器，设置在所述接收镜头的像面上，用于接收汇聚后的所述物体反射光，并将所述物体反射光转换为电信号；所述电信号用于指示所述物体信息。

8.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述探测器为单像素探测器、电荷耦合元件、互补金属氧化物半导体和多像素光子计数器中的一种。

9.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述接收模块还包括数据传输和存储模块；所述数据传输和存储模块电连接所述探测器。

10.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述接收模块还包括：

计算模块，电连接所述探测器，用于根据所述电信号得到所述物体信息。

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