CN217820831U - 一种仿生复眼式激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种仿生复眼式激光雷达系统，其中，基于曲面超透镜的激光雷达发射模块，包括：第一曲面超透镜阵列、支撑架和多个激光器；第一曲面超透镜阵列上间隔设置有多个曲面超透镜；多个激光器中各激光器分别固定在支撑架上；多个曲面超透镜中的各曲面超透镜对各激光器中与各曲面超透镜对应设置的激光器发出的激光光束进行准直，被准直后的激光光束在目标物体上生成点云；基于曲面超透镜的激光雷达接收模块，对目标物体反射的回波信号进行接收，本实用新型提供的仿生复眼式激光雷达系统，利用基于曲面超透镜的激光雷达发射模块对仿生复眼进行模拟，使得基于曲面超透镜的激光雷达发射模块所发出的点云可以有更大的视场角。
Description
技术领域
本实用新型涉及超透镜应用技术领域，具体而言，涉及一种仿生复眼式激光雷达系统。
背景技术
目前，全固态和混合固态激光雷达逐渐走入市场。对于全固态和混合固态激光雷达，就激光发射系统而言，单次产生的空间点云角度有限，需引入扫描等额外运动机制、探测效率低等问题。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种仿生复眼式激光雷达系统。
第一方面，本实用新型实施例提供了一种仿生复眼式激光雷达系统，包括：基于曲面超透镜的激光雷达发射模块和基于曲面超透镜的激光雷达接收模块；
所述基于曲面超透镜的激光雷达发射模块，包括：第一曲面超透镜阵列、支撑架和多个激光器；
所述第一曲面超透镜阵列上间隔设置有多个曲面超透镜；
所述多个激光器中各激光器分别固定在所述支撑架上；
所述多个曲面超透镜中的各曲面超透镜对各激光器中与各曲面超透镜对应设置的激光器发出的激光光束进行准直，被准直后的所述激光光束在目标物体上生成点云；
所述基于曲面超透镜的激光雷达接收模块，对目标物体反射的回波信号进行接收。
本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，在仿生复眼式激光雷达系统中使用包括第一曲面超透镜阵列和多个激光器的基于曲面超透镜的激光雷达发射模块，第一曲面超透镜阵列中的多个曲面超透镜中的各曲面超透镜对各激光器中与各曲面超透镜对应设置的激光器发出的激光光束进行准直，被准直后的所述激光光束在目标物体上生成点云，与相关技术中激光雷达的激光发射系统相比，由于采用了第一曲面超透镜阵列，利用第一曲面超透镜阵列中设置的多个曲面超透镜对仿生复眼进行模拟，从而使仿生复眼式激光雷达系统中使用的基于曲面超透镜的激光雷达发射模块所发出的点云可以有更大的视场角，且结构简单，不涉及机械扫描，稳定性较高且探测效率高；而且，由于曲面超透镜具有轻，薄，简，廉及产能高的技术优势，使得基于曲面超透镜阵列的仿生复眼式激光雷达系统具有小型化和轻量化的优势，在对重量和安装空间有极高要求的应用领域极具优势。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本实用新型实施例1所提供的一种仿生复眼式激光雷达系统中基于曲面超透镜的激光雷达发射模块的结构示意图；
图2示出了本实用新型实施例所提供的一种仿生复眼式激光雷达系统中基于曲面超透镜的激光雷达接收模块的结构示意图一；
图3示出了本实用新型实施例所提供的一种仿生复眼式激光雷达系统中以球面支撑架为例的仿生复眼式激光雷达发射模块的结构示意图；
图4示出了本实用新型实施例所提供的一种仿生复眼式激光雷达系统中基于曲面超透镜的激光雷达接收模块的结构示意图二；
图5示出了本实用新型实施例所提供的一种仿生复眼式激光雷达系统中基于曲面超透镜的激光雷达接收模块的结构示意图三；
图6示出了本实用新型实施例所提供的一种仿生复眼式激光雷达系统中基于曲面超透镜的激光雷达接收模块的结构示意图四；
图7示出了本实用新型实施例所提供的一种仿生复眼式激光雷达系统中超表面和超透镜中正六边形、正方形和扇形的纳米结构在基底上的排布图。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
目前，全固态和混合固态激光雷达逐渐走入市场。对于全固态和混合固态激光雷达，就激光发射系统而言，单次产生的空间点云角度有限，需引入扫描等额外运动机制、探测效率低等问题。
基于此，本实施例提出一种仿生复眼式激光雷达系统，在仿生复眼式激光雷达系统中使用包括第一曲面超透镜阵列和多个激光器的基于曲面超透镜的激光雷达发射模块，第一曲面超透镜阵列中的多个曲面超透镜中的各曲面超透镜对各激光器中与各曲面超透镜对应设置的激光器发出的激光光束进行准直，被准直后的所述激光光束在目标物体上生成点云，利用第一曲面超透镜阵列中设置的多个曲面超透镜对仿生复眼进行模拟，从而使仿生复眼式激光雷达系统中使用的基于曲面超透镜的激光雷达发射模块所发出的点云可以有更大的视场角，且结构简单，不涉及机械扫描，稳定性较高且探测效率高。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步详细的说明。
实施例
参见图1所示的一种仿生复眼式激光雷达系统中基于曲面超透镜的激光雷达发射模块的结构示意图和图2所示的一种仿生复眼式激光雷达系统中基于曲面超透镜的激光雷达接收模块的结构示意图一，本实施例提出一种仿生复眼式激光雷达系统，包括：基于曲面超透镜的激光雷达发射模块100和基于曲面超透镜的激光雷达接收模块200。
所述基于曲面超透镜的激光雷达发射模块，包括：第一曲面超透镜阵列102、支撑架104和多个激光器106。
所述第一曲面超透镜阵列，包括：间隔设置的多个曲面超透镜。
所述多个激光器中各激光器分别固定在所述支撑架上。安装后的多个激光器位于所述第一曲面超透镜阵列的焦平面上。
在一个实施方式中，所述支撑架，采用曲面支撑架。
所述曲面支撑架的曲面弧度与所述第一曲面超透镜阵列的曲面弧度相同。
支撑架的曲面弧度是可以任意定制，在一个实施方式中，所述支撑架可以为球面支撑架。参见图3所示的以球面支撑架为例的仿生复眼式激光雷达发射模块的结构示意图，其中，图3中的放大示意部分显示了一个曲面超透镜的结构。
在一个实施方式中，所述曲面超透镜，包括：曲面基底和设置在所述曲面基底上的纳米结构。
所述多个曲面超透镜中的各曲面超透镜对各激光器中与各曲面超透镜对应设置的激光器发出的激光光束进行准直，被准直后的所述激光光束在目标物体上生成点云。
目标物体被点云照射后，会反射回波信号，为了对回波信号进行接收，本实施例提出的仿生复眼式激光雷达系统中，通过所述基于曲面超透镜的激光雷达接收模块，对目标物体反射的回波信号进行接收。
可选地，为了保证激光器与曲面超透镜是严格的一一对应，本实施例提出的仿生复眼式激光雷达系统中，各激光器所发出激光光束的光轴经过与各曲面超透镜中与各激光器对应设置的曲面超透镜的中心；各激光器与各曲面超透镜中与各激光器对应设置的曲面超透镜组成一个发射模组。
在本实施例提出的仿生复眼式激光雷达系统中，单个所述发射模组的半视场角与单个所述发射模组所发出的激光光束所覆盖目标物体的探测区域的空间立体角的关系满足如下公式：
Ω0＝2π(1-cosθ)
其中，Ω0表示单个所述发射模组所发出的激光光束所覆盖目标物体的探测区域的空间立体角；θ表示单个所述发射模组的半视场角。
所需投射点云的空间立体角与所述第一曲面超透镜阵列中曲面超透镜的数量满足如下公式：
N≥Ω/Ω0
其中，N表示第一曲面超透镜阵列中曲面超透镜的数量；Ω表示所需投射点云的空间立体角。
那么，单个所述发射模组的半视场角与所需投射点云的空间立体角的对应关系满足如下公式：
θ≤arccos(1-Ω/2πN)。
从而，可以为了覆盖需扫描的目标物体而实际需求的空间立体角大小，设计具有不同数量的曲面超透镜的基于曲面超透镜的激光雷达发射模块，来满足不同的场景需求。
为了使基于曲面超透镜的激光雷达接收模块具有更大的接收视场角，探测效果更准确；具体地，本实施例提出的仿生复眼式激光雷达系统中，所述基于曲面超透镜的激光雷达接收模块，包括：第二曲面超透镜阵列202和光电探测器阵列204。
所述光电探测器阵列位于所述第二曲面超透镜阵列的焦平面上。
所述第二曲面超透镜阵列，包括：间隔设置的多个曲面超表面。
所述曲面超表面的结构和功能，与上述的曲面超透镜的结构和功能类似，这里不再赘述。
所述光电探测器阵列，包括：支撑结构和多个光电探测器。
所述支撑结构采用曲面支撑架220，多个光电探测器分别固定在所述曲面支撑架上。
所述多个曲面超表面中的各曲面超表面将接收到的回波信号汇聚到多个光电探测器中与各曲面超表面对应设置的光电探测器上。
曲面超表面与光电探测器以一一对应的方式，各曲面超表面所发出的回波信号的光轴经过与各光电探测器中与各曲面超表面对应设置的光电探测器的中心。
所述曲面支撑架的弧度与所述第二曲面超透镜阵列的弧度相同。
所述光电探测器，可以采用但不限于：雪崩二极管(APD，Avalanche Photodiode)或是单光子雪崩二极管(SPAD，Single Photon Avalanche Diode)，将作为光信号的回波信号光电转换为电信号。
可选地，为了避免进入曲面超表面的回波信号过多地偏离其光轴，参见图4所示的仿生复眼式激光雷达系统中基于曲面超透镜的激光雷达接收模块的结构示意图二，本实施例提出的仿生复眼式激光雷达系统，所述支撑结构还可以采用光纤光锥206。
所述光线光锥的一侧为圆端面，远离所述圆端面的另一侧为平面，所述光纤光锥包括多条光纤(图中未示出)；所述多条光纤中各条光纤，分别包括：入口和与所述入口连接的出口。
所述光纤光锥，由光纤各自弯曲不同程度后紧密排列而成；所述光纤光锥的具体结构与可实现的功能为现有技术，这里不再赘述。
各条光纤的入口位于所述圆端面上，与各曲面超表面一一对应，各条光纤的入口分别垂直于所述圆端面上各条光纤的入口所在位置的法线。
所述各条光纤的出口位于所述光线光锥的平面上，并分别与各光电探测器相耦合。
各所述曲面超表面将接收到的回波信号通过所述光线光锥中与各曲面超表面对应的光纤传输到各光纤所耦合的光电探测器上。
为了避免进入曲面超表面的回波信号过多地偏离其光轴，参见图5所示的仿生复眼式激光雷达系统中基于曲面超透镜的激光雷达接收模块的结构示意图三，本实施例提出的仿生复眼式激光雷达系统，还包括：第一光阑阵列208。
所述第一光阑阵列，设置在所述第二曲面超透镜阵列和所述光电探测器阵列之间。
所述第一光阑阵列，包括：并排设置的多个第一光阑。
各所述曲面超表面将接收到的回波信号经过多个第一光阑中与各曲面超表面对应设置的第一光阑的通孔后，被汇聚到多个光电探测器中与各曲面超表面对应设置的光电探测器上。
第一光阑阵列上的各第一光阑与曲面超透镜阵列中的曲面超表面一一对应。第一光阑位于曲面超表面的一倍焦距以内。
第一光阑的存在可避免进入曲面超表面的回波信号过多地偏离其光轴，起到移除杂散光和避免来自相邻第一光阑的回波信号的作用，避免了孔眼交叉使得各个曲面超表面均保持较好的聚焦。
进一步地，为了可以更进一步避免孔眼交叉，取得更好的探测效果，参见图6所示的仿生复眼式激光雷达系统中基于曲面超透镜的激光雷达接收模块的结构示意图四，本实施例提出的仿生复眼式激光雷达系统，还包括：第二光阑阵列210。
所述第二光阑阵列设置在所述第二曲面超透镜阵列和所述第一光阑阵列之间。
所述第二光阑阵列，包括：并排设置的多个第二光阑。
各所述曲面超表面接收到的回波信号依次经过多个第二光阑中与各曲面超表面对应设置的第二光阑的通孔、多个第一光阑中与各曲面超表面对应设置的第一光阑的通孔后，被汇聚到多个光电探测器中与各曲面超表面对应设置的光电探测器上。
其中，所述第二光阑的通孔孔径大于所述第一光阑的通孔孔径。
所述第一光阑阵列和所述第二光阑阵列均为曲面结构，所述第一光阑阵列的曲面弧度和所述第二光阑阵列的曲面弧度分别与所述第一曲面超透镜阵列的曲面弧度相同。
为了对本实施例提出的仿生复眼式激光雷达系统进行控制，本实施例提出的一种仿生复眼式激光雷达系统，还包括：控制系统和处理系统。
所述控制系统，与基于曲面超透镜的激光雷达发射模块和基于曲面超透镜的激光雷达接收模块通信耦接，控制系统被构造为对基于曲面超透镜的激光雷达发射模块进行控制。
处理系统与控制系统相连，对基于曲面超透镜的激光雷达发射模块下达命令，同时对接收到的探测值(即光电转换后的电信号)进行数据处理。
所述控制系统对基于曲面超透镜的激光雷达发射模块进行控制的具体过程为现有技术，这里不再赘述。
所述处理系统对基于曲面超透镜的激光雷达发射模块下达命令，同时对接收到的探测值进行数据处理的具体过程是现有技术，这里不再赘述。
超表面和超透镜是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据基底上的纳米结构来调制入射光。其中纳米结构包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。纳米结构可以采用全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括但不限于：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅。纳米结构在基底上呈阵列排布，所述超表面和超透镜的基底的截面形状为正六边形和/或正方形和/或扇形，每个基底的中心位置，或者每个基底的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。参见图7所示的超表面和超透镜中正六边形、正方形和扇形的纳米结构在基底上的排布图。超表面和超透镜的工作波段为红外波段。纳米结构之间可用空气填充或者其他透明的填充材料，需要注意的是，此填充材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。
相比于传统透镜，超表面和超透镜具有轻，薄，简，廉及产能高的技术优势。
本实施例提出的一种仿生复眼式激光雷达系统中，基于曲面超透镜的激光雷达发射模块可以有更大的视场角，且结构简单，不涉及机械扫描，稳定性较高；基于曲面超透镜的激光雷达接收模块具有更大的接收视场角，探测效果更准确。该仿生复眼式激光雷达系统具有小型化和轻量化的优势，在对重量和安装空间有极高要求的应用领域极具优势。
综上所述，本实施例提出一种仿生复眼式激光雷达系统，在仿生复眼式激光雷达系统中使用包括第一曲面超透镜阵列和多个激光器的基于曲面超透镜的激光雷达发射模块，第一曲面超透镜阵列中的多个曲面超透镜中的各曲面超透镜对各激光器中与各曲面超透镜对应设置的激光器发出的激光光束进行准直，被准直后的所述激光光束在目标物体上生成点云，与相关技术中激光雷达的激光发射系统相比，由于采用了第一曲面超透镜阵列，利用第一曲面超透镜阵列中设置的多个曲面超透镜对仿生复眼进行模拟，从而使仿生复眼式激光雷达系统中使用的基于曲面超透镜的激光雷达发射模块所发出的点云可以有更大的视场角，且结构简单，不涉及机械扫描，稳定性较高且探测效率高；而且，由于曲面超透镜具有轻，薄，简，廉及产能高的技术优势，使得基于曲面超透镜阵列的仿生复眼式激光雷达系统具有小型化和轻量化的优势，在对重量和安装空间有极高要求的应用领域极具优势。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (12)
1.一种仿生复眼式激光雷达系统，其特征在于，包括：基于曲面超透镜的激光雷达发射模块和基于曲面超透镜的激光雷达接收模块；
所述基于曲面超透镜的激光雷达发射模块，包括：第一曲面超透镜阵列、支撑架和多个激光器；
所述第一曲面超透镜阵列包括：间隔设置的多个曲面超透镜；
所述多个激光器中各激光器分别固定在所述支撑架上；
所述多个曲面超透镜中的各曲面超透镜对各激光器中与各曲面超透镜对应设置的激光器发出的激光光束进行准直，被准直后的所述激光光束在目标物体上生成点云；
所述基于曲面超透镜的激光雷达接收模块，对目标物体反射的回波信号进行接收。
2.根据权利要求1所述的仿生复眼式激光雷达系统，其特征在于，所述支撑架，采用曲面支撑架；
所述曲面支撑架的曲面弧度与所述第一曲面超透镜阵列的曲面弧度相同。
3.根据权利要求1所述的仿生复眼式激光雷达系统，其特征在于，各激光器所发出激光光束的光轴经过与各曲面超透镜中与各激光器对应设置的曲面超透镜的中心；
各激光器与各曲面超透镜中与各激光器对应设置的曲面超透镜组成一个发射模组。
4.根据权利要求3所述的仿生复眼式激光雷达系统，其特征在于，单个所述发射模组的半视场角与单个所述发射模组所发出的激光光束所覆盖目标物体的探测区域的空间立体角的关系满足如下公式：
Ω0＝2π(1-cosθ)
其中，Ω0表示单个所述发射模组所发出的激光光束所覆盖目标物体的探测区域的空间立体角；θ表示单个所述发射模组的半视场角。
5.根据权利要求4所述的仿生复眼式激光雷达系统，其特征在于，所需投射点云的空间立体角与所述第一曲面超透镜阵列中曲面超透镜的数量满足如下公式：
N≥Ω/Ω0
其中，N表示第一曲面超透镜阵列中曲面超透镜的数量；Ω表示所需投射点云的空间立体角。
6.根据权利要求5所述的仿生复眼式激光雷达系统，其特征在于，单个所述发射模组的半视场角与所需投射点云的空间立体角的对应关系满足如下公式：
θ≤arccos(1-Ω/2πN)。
7.根据权利要求1所述的仿生复眼式激光雷达系统，其特征在于，所述基于曲面超透镜的激光雷达接收模块，包括：第二曲面超透镜阵列和光电探测器阵列；
所述光电探测器阵列位于所述第二曲面超透镜阵列的焦平面上；
所述第二曲面超透镜阵列，包括：间隔设置的多个曲面超表面；
所述光电探测器阵列，包括：支撑结构和多个光电探测器；
所述支撑结构采用曲面支撑架，多个光电探测器分别固定在所述曲面支撑架上；
所述多个曲面超表面中的各曲面超表面将接收到的回波信号汇聚到多个光电探测器中与各曲面超表面对应设置的光电探测器上。
8.根据权利要求7所述的仿生复眼式激光雷达系统，其特征在于，所述支撑结构采用光纤光锥；
所述光纤光锥的一侧为圆端面，远离所述圆端面的另一侧为平面，所述光纤光锥包括多条光纤；所述多条光纤中各条光纤，分别包括：入口和与所述入口连接的出口；
各条光纤的入口位于所述圆端面上，与各曲面超表面一一对应，各条光纤的入口分别垂直于所述圆端面上各条光纤的入口所在位置的法线；
所述各条光纤的出口位于所述光纤光锥的平面上，并分别与各光电探测器相耦合；
各所述曲面超表面将接收到的回波信号通过所述光纤光锥中与各曲面超表面对应的光纤传输到各光纤所耦合的光电探测器上。
9.根据权利要求7所述的仿生复眼式激光雷达系统，其特征在于，还包括：第一光阑阵列；
所述第一光阑阵列，设置在所述第二曲面超透镜阵列和所述光电探测器阵列之间；
所述第一光阑阵列，包括：并排设置的多个第一光阑；
各所述曲面超表面将接收到的回波信号经过多个第一光阑中与各曲面超表面对应设置的第一光阑的通孔后，被汇聚到多个光电探测器中与各曲面超表面对应设置的光电探测器上。
10.根据权利要求9所述的仿生复眼式激光雷达系统，其特征在于，还包括：第二光阑阵列；
所述第二光阑阵列设置在所述第二曲面超透镜阵列和所述第一光阑阵列之间；
所述第二光阑阵列，包括：并排设置的多个第二光阑；
各所述曲面超表面接收到的回波信号依次经过多个第二光阑中与各曲面超表面对应设置的第二光阑的通孔、多个第一光阑中与各曲面超表面对应设置的第一光阑的通孔后，被汇聚到多个光电探测器中与各曲面超表面对应设置的光电探测器上。
11.根据权利要求10所述的仿生复眼式激光雷达系统，其特征在于，所述第二光阑的通孔孔径大于所述第一光阑的通孔孔径。
12.根据权利要求10所述的仿生复眼式激光雷达系统，其特征在于，所述第一光阑阵列和所述第二光阑阵列均为曲面结构，所述第一光阑阵列的曲面弧度和所述第二光阑阵列的曲面弧度分别与所述第一曲面超透镜阵列的曲面弧度相同。
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