CN218630192U - 一种激光雷达系统及移动设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光学及激光雷达技术领域，公开一种激光雷达系统及移动设备。激光雷达系统包括两个激光雷达，两个激光雷达关于中心轴线对称设置且水平配置在同一安装平面上，每个激光雷达包括发射单元、光信号传输单元和接收单元；光信号传输单元包括转镜；转镜包括至少一个反射镜面；发射单元，用于发射探测光束；接收单元，用于接收探测光束被探测视场中目标物反射后的回波；探测光束的光路和回波的光路共用同一个反射镜面；其中一个激光雷达的水平视场中测距性能较低的区域与另一个激光雷达的水平视场中测距性能较高的区域至少部分重合。本申请实施例采用对称设置的两个激光雷达形成测距性能互补，可以提升系统的探测性能。

Description

一种激光雷达系统及移动设备

技术领域

本申请涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种激光雷达系统及移动设备。

背景技术

利用飞行时间原理(Time of Flight，TOF)可以对目标进行距离测量以获取包含目标的深度值的深度图像，而基于飞行时间原理的距离测量系统已被广泛应用于消费电子、无人架驶、AR/VR等领域。基于飞行时间原理的距离测量系统通常包括发射器和采集器，利用发射器发射脉冲光束照射目标视场并利用采集器采集反射光束，计算光束由发射到反射接收所需要的时间来计算物体的距离。

目前基于飞行时间法的激光雷达主要分为机械式与非机械式。机械式激光雷达的发射端一般采用单点光源或线光源，通过旋转基座来实现对空间区域的360度探测。非机械式分为半固态激光雷达和全固态激光雷达，半固态激光雷达中发射端一般采用线光源，朝向空间发射出沿垂直方向的线状光束，利用转镜对线状光束的出射方向进行调解以使线状光束沿水平方向扫描，从而对空间区域进行探测。全固态激光雷达中发射端为二维光源阵列，朝向视场发射二维面阵光束对空间区域进行探测，本申请的方案主要针对半固态激光雷达系统中存在的技术问题提出解决方案。

实用新型内容

本申请提出一种激光雷达系统及移动设备，可以解决相关技术中的一个或多个技术问题。

第一方面，本申请一实施例提供一种激光雷达系统，包括两个激光雷达，两个激光雷达关于中心轴线对称设置且水平配置在同一安装平面上，每个激光雷达包括发射单元、光信号传输单元和接收单元；光信号传输单元包括转镜；转镜包括至少一个反射镜面；发射单元，用于发射探测光束；接收单元，用于接收探测光束被探测视场中目标物反射后的回波；探测光束的光路和回波的光路共用同一个反射镜面；其中一个激光雷达的水平视场中测距性能较低的区域与另一个激光雷达的水平视场中测距性能较高的区域至少部分重合。

在一些实施例中，光信号传输单元还包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，第一反射镜用于对探测光束进行反射并入射到第二反射镜；第二反射镜用于对探测光束进行反射并入射到转镜，并且透射回波到第三反射镜第三反射镜用于对回波进行反射并入射到接收单元。其中，第一反射镜和第二反射镜之间探测光束的中心线平行于中心轴线。在一个实施例中，两个激光雷达共享转镜，转镜还包括旋转轴，反射镜面可绕旋转轴旋转。

在一些实施例中，两个激光雷达的相对倾斜设置。

在一些实施例中，转镜包括至少两个反射镜面，每个反射镜面各自与旋转轴的夹角为0°至1°以内。

在一些实施例中，发射单元包括至少一个列光源，配置至少一个列光源的中心相对光信号传输单元的主光轴偏移。在一个实施例中，发射单元包括m个列光源，m为2以上的正整数，相邻列光源之间的距离为n，n为常数，至少部分列光源的中心关于主光轴偏移，偏移范围为

到

在一些实施例中，激光雷达还包括主控处理单元，用于控制发射单元发射探测光束，并控制接收单元接收回波，计算光信号从发射到被接收之间的飞行时间。

第二方面，本申请一实施例提供一种移动设备，包括前述实施例所述的激光雷达系统，激光雷达系统作为移动设备的视觉系统。

本申请提供的技术方案的有益效果是：采用对称设置的两个激光雷达，其中一个激光雷达的水平视场中测距性能较低的区域与另一个激光雷达的水平视场中测距性能较高的区域至少部分重合，使得两个激光雷达可以在测距性能上形成互补，从而可以提升系统的探测性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；

图2A是本申请一实施例提供的一种转镜的结构示意图；

图2B是本申请另一实施例提供的一种转镜的结构示意图；

图3是图1所示激光雷达的水平视场角与测距性能的关系示意图；

图4是本申请一实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图；

图5A是本申请一实施例提供的一种激光雷达的应用场景示意图；

图5B是图5A所示激光雷达的水平视场角与测距性能的关系示意图；

图6是本申请一实施例提供的一种激光雷达系统的应用场景示意图；

图7是本申请一实施例提供的一种激光雷达系统的另一应用场景示意图；

图8是本申请一实施例提供的另一种激光雷达系统的结构示意图；

图9A是本申请一实施例提供的另一种激光雷达系统的应用场景示意图；

图9B是本申请一实施例提供的又一种激光雷达系统的应用场景示意图；

图10是本申请一实施例提供的一种列光源中心在偏移主光轴前后的测距性能对比示意图；

图11A是本申请一实施例提供的一种列光源中心偏移主光轴的结构示意图；

图11B是本申请一实施例提供的另一种列光源中心偏移主光轴的结构示意图。

具体实施方式

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”、“第三”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能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

另需要理解的是，术语“水平”、“垂直”、“左”、“右”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申请和简化描述，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申请的限制。

如图1所示为激光雷达系统的结构示意图。如图1所示，激光雷达系统包括水平(沿x方向)配置在同一安装平面的发射单元、光信号传输单元以及接收单元。光信号传输单元包括转镜31，转镜包括至少一个反射镜面。发射单元，用于发射探测光束。接收单元，用于接收探测光束被探测视场中目标物反射后的回波。其中，探测光束的光路和回波的光路共用同一个反射镜面。

光信号传输单元还包括第一反射镜21、第二反射镜22以及第三反射镜23。在一个实施例中，第一反射镜21、第二反射镜22和第三反射镜23为普通的反射镜，用于对光束进行偏折，改变光束的传输方向。在另一个实施例中，第二反射镜22为分光反射镜，用于对探测光束进行反射，以及透射回波，即局部区域用于反射光信号，局部区域用于透射光信号，例如中间区域为反射区域，边缘区域为透射区域。具体地，第一反射镜21用于对探测光束进行反射并入射到第二反射镜22；第二反射镜22用于对探测光束进行反射并入射到转镜31，转镜31的反射镜面对探测光束进行反射出射到空间区域后被空间区域中的目标反射形成回波，回波经过第二反射镜22入射到第三反射镜23，即回波从第二反射镜22的外侧穿过或经过第二反射镜22的透射区域入射到第三反射镜23；第三反射镜23用于对回波进行反射并入射到接收单元。

在一些实施例中，光信号传输单元还包括光信号整形元件，例如可以为一个或多个透镜等。光信号整形元件用于对光信号进行准直、焦距、扩束和编码等中的一种或多种整形，光发射单元与第一反射镜21之间、第一反射镜21与第二反射镜22之间、第二反射镜22与转镜31之间、第二反射镜22与第三反射镜23、第三反射镜23与接收单元之间中的一个或多个可以设置光信号整形元件，在本申请实施例中，对光信号整形元件不做具体限制。在图1所示实施例中，光源11与第一反射镜21之间，在第一反射镜21与第二反射镜22之间，第二反射镜22与第三反射镜23，第三反射镜23与接收单元之间，分别设置光信号整形元件，应理解，示例性描述不能解释为对本申请的限制。

发射单元包括光源11，用于发射探测光束。光源11包括至少一个列光源，列光源沿垂直方向延伸设置，列光源发射的探测光束经过光信号传输单元传输到探测视场，通过配置转镜31转动使得探测光束沿水平方向扫描完成对空间区域的探测。

光源11可以包括垂直腔面发射激光器阵列(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser array，VCSEL array)、发光二极管阵列(Light Emitting Diode array，LEDarray)、微发光二极管阵列(Micro Light Emitting Diode array，Micro LED array)、脉冲激光沉积阵列(Pulsed Laser Deposition array，PLD array)或激光二极管阵列(LaserDiode array，LD array)等光源阵列。

接收单元包括传感器阵列12，传感器阵列12可以包括采用单光子雪崩光电二极管阵列(Single-photon Avalanche Photodiode array，SAPD array)、雪崩光电二极管阵列(Avalanche Photo Diode array，APD array)、硅光电倍增管阵列(Siliconphotomultiplier array，SiPM array)、多像素光子计数器阵列(Multi-Pixel photocounter array，MPPC array)、光电倍增管阵列(photomultiplier tube array，PMTarray)等传感器元件阵列。

在一些实施例中，激光雷达还包括主控处理单元(图1未示出)，用于控制发射单元发射光信号，并控制接收单元采集反射的光信号，进一步计算出光信号从发射到被采集的飞行时间。

在一些实施例中，发射单元还包括驱动器(图1未示出)，光源11在驱动器的驱动下并在主控处理单元的控制下发射探测光束。

在一些实施例中，激光雷达还包括滤光元件13，用于滤除背景光或杂散光，滤光元件13设置在第三反射镜23与接收单元之间。

在一些实施例中，如图2A所示为转镜的立体结构图，转镜31包括本体311和设置于本体311侧壁的反射镜面312。本体311可以在电机的驱动下并在主控处理单元的控制下绕旋转轴313旋转，使得反射镜面312可以绕旋转轴313旋转。转镜31包括至少一个反射镜面，当包括两个以上的反射镜面时，每个反射镜面与旋转轴的夹角可以相同也可以不同。如图2B所示的实施方式中，转镜31包括两个反射镜面312，两个反射镜面312背向设置，均可在电机的驱动下并在主控处理单元的控制下绕旋转轴313旋转。两个反射镜面312各自与旋转轴的夹角为0°至1°以内。优选地，两个反射镜面312各自与旋转轴的夹角为0°，或者，两个反射镜面312各自与旋转轴的夹角为1°。

如图3所示为图1所示激光雷达的水平视场角(单位：度(°))与测距性能(单位：米(m))的关系示意图，图1所示的带转镜的激光雷达主要通过转镜对水平视场进行扫描，例如从-70°到+70°共140°的水平视场范围内，通过探测发现单边视场测距性能偏低，-70°到-40°的范围内探测精度降低，也就是说，全视场的测距性能不对称。本申请的发明人发现，单边视场测距性能低主要是与发射单元、接收单元以及转镜的布局有关。因此，本申请实施例提供一种激光雷达系统解决这个技术问题。

本申请实施例提供一种激光雷达系统。激光雷达系统包括两个激光雷达，每个激光雷达的结构组成均包括图1所示的元件。两个激光雷达关于中心轴线对称设置，且水平配置在同一安装平面上，其中一个激光雷达的水平视场中测距性能较低的区域与另一个激光雷达的水平视场中测距性能较高的区域至少部分重合。

如图4所示为本申请一实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图，激光雷达系统包括关于中心轴线左右对称设置的两个激光雷达，左侧的激光雷达记为激光雷达A，右侧的激光雷达记为激光雷达B。激光雷达A(或激光雷达B)的第一反射镜和第二反射镜之间探测光束的中心线平行于中心轴线。激光雷达A和激光雷达B的0°水平视场基本平行，激光雷达A和激光雷达B的水平视场基本完全重合。激光雷达A的水平视场中测距性能较高的区域与激光雷达B的水平视场中测距性能较低的区域重合，激光雷达B的水平视场中测距性能较高的区域与激光雷达A的水平视场中测距性能较低的区域重合。

下面通过一个实际的应用场景说明本申请图4所示实施例的技术方案的有益效果，如图5A所示为单个激光雷达B部署于汽车车顶的应用场景示意图。如图5A所示，当仅部署一个激光雷达B时，结合图5B所示的激光雷达B的水平视场角与测距性能的关系示意图，对于最左边探测区域探测精度降低，具体地，-70°到-40°的水平视角范围内的测距性能降低。如图6为激光雷达系统部署于汽车车顶的应用场景示意图。在汽车上除了部署第一激光雷达B，还部署了第二激光雷达A，即部署了如图4所示的激光雷达系统。第二激光雷达A的测距性能较高的区域与第一激光雷达B测距性较低的区域基本重叠，用于补偿第一激光雷达B的测距性能；第一激光雷达B的测距性能较高的区域与第二激光雷达A测距性较低的区域基本重叠，用于补偿第二激光雷达A的测距性能。在图6所示应用场景中，配置两个激光雷达的水平视场基本完全重合，则最终激光雷达系统也可以获得140°高性能的水平探测视场。在该应用场景的测距过程中，第一激光雷达B探测得到第一深度图，第二激光雷达A探测得到第二深度图，若以第一深度图为基准，第一深度图中分为低精度区域和高精度区域，用第二深度图中高精度区域对第一深度图中的低精度区域进行补偿；反之亦然。在其他一些应用场景中，与图6所示应用场景类似，激光雷达系统可以部署于汽车车头，该应用场景如图7所示的示意图。

由于单个激光雷达的单边测距性能较低，本申请实施例中采用两个激光雷达系统进行测距性能互补，可以解决单边测距性能偏低的问题，以提升系统的探测性能。

如图8所示为本申请另一实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图，在本实施例中，两个激光雷达A和B共用同一个转镜，转镜绕着旋转轴(垂直于图8所示的纸面方向)旋转。在一个实施例中，激光雷达系统的水平视场角需求例如为140°，那么转镜只需要转70°就可以满足水平视场角的探测需求，因此，可以将两个激光雷达共用一个转镜来进行测距。两个激光雷达A和B分别对探测空间中的相同区域进行测距，获得深度图，进一步的再进行补偿以提升测距性能，具体请参见前述实施例的相关描述，此处不再赘述。在实际应用中，当一个激光雷达出现故障时，另一个激光雷达还可以继续工作，以提高整个激光雷达系统的使用寿命。

在其他一些实施例中，还可以通过配置两个激光雷达的发射视场，扩大激光雷达系统的探测视场角。参见前面图3和图5B提供的测距性能数据，假设激光雷达单边测距性能较低的水平视场角范围为30°，则测距性能较高的水平视场角范围为110°。如图9A和9B所示，配置激光雷达A和激光雷达B相对倾斜设置，使得激光雷达A的测距性能较低的区域与激光雷达B的测距性较高的区域重叠，用于补偿激光雷达A的测距性能，具体地，即使得两个激光雷达的水平视场相对倾斜设置，例如激光雷达A的0°水平视场a与激光雷达B的0°水平视场b相交，夹角为40°，可以获得180°的大探测视场，而且还可以对测距性能较低的部分进行补偿。

常规设置中，列光源与主光轴垂直，且列光源与主光轴的交点为列光源的中心(即对应0°水平视场)，为了解决单侧边缘测距性能偏低的问题，还可以配置列光源的中心相对主光轴偏移，偏移的距离可任意设置，偏移的方向根据发射单元在整机中的位置而定。图10为本申请一实施例提供的一种列光源的中心相对主光轴偏移前后的测距性能对比示意图，从图10可以看出，配置列光源的中心相对主光轴偏移，可以解决单侧边缘测距性能偏低的问题。

在一个实施例中，发射单元包括多个列光源，比如有m个列光源，m为2以上的正整数，相邻列光源之间的距离为n，n为常数，则可让全部列光源的中心关于主光轴偏移，或者部分列光源的中心关于主光轴偏移，优选的，偏移范围可为

到

如图11A和图11B给出了两个列光源中心偏移主光轴的结构示意图。如图11A所示为配置一个列光源时的偏移示意图，黑点为主光轴与列光源的交点，可以将整个列光源完全偏移到交点的一侧。如图11B所示为配置多个列光源时的偏移示意图，主光轴沿Z轴方向，发射单元包括沿Y方向的多个列光源，可让全部列光源沿X方向偏移，使其列光源的中心与主光轴偏移。

本申请一实施例提供一种移动设备，包括前述任一实施例所述的激光雷达系统。激光雷达系统作为移动设备的视觉系统。

作为一非限制性示例，移动设备可以包括车辆、移动机器人等。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：

两个激光雷达，两个所述激光雷达关于中心轴线对称设置且水平配置在同一安装平面上；

每个所述激光雷达包括发射单元、光信号传输单元和接收单元；

所述光信号传输单元包括转镜；所述转镜包括至少一个反射镜面；

所述发射单元，用于发射探测光束；

所述接收单元，用于接收所述探测光束被探测视场中目标物反射后的回波；

所述探测光束的光路和所述回波的光路共用同一个所述反射镜面；

其中一个所述激光雷达的水平视场中测距性能较低的区域与另一个所述激光雷达的水平视场中测距性能较高的区域至少部分重合。

2.如权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光信号传输单元还包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第一反射镜用于对所述探测光束进行反射并入射到所述第二反射镜；所述第二反射镜用于对所述探测光束进行反射并入射到所述转镜，并且透射所述回波到所述第三反射镜；所述第三反射镜用于对所述回波进行反射并入射到所述接收单元。

3.如权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜之间探测光束的中心线平行于所述中心轴线。

4.如权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，两个所述激光雷达共享所述转镜，所述转镜还包括旋转轴，所述反射镜面可绕所述旋转轴旋转。

5.如权利要求1或2所述的激光雷达系统，其特征在于，两个所述激光雷达相对倾斜设置。

6.如权利要求1或2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述转镜包括至少两个反射镜面，每个所述反射镜面各自与旋转轴的夹角为0°至1°以内。

7.如权利要求1或2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述发射单元包括至少一个列光源，配置至少一个列光源的中心相对所述光信号传输单元的主光轴偏移。

8.如权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述发射单元包括m个列光源，m为2以上的正整数，相邻列光源之间的距离为n，n为常数，至少部分列光源的中心关于所述主光轴偏移，偏移范围为

到

9.如权利要求1或2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达还包括主控处理单元，用于控制所述发射单元发射所述探测光束，并控制所述接收单元接收所述回波，计算光信号从发射到被接收之间的飞行时间。

10.如权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达还包括光信号整形元件，用于对光信号进行整形，所述光信号整形元件设置在以下至少一个：所述发射单元与所述第一反射镜之间，所述第一反射镜与所述第二反射镜之间，所述第二反射镜与所述转镜之间，所述第二反射镜与所述第三反射镜之间、所述第三反射镜与所述接收单元之间。

11.如权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达还包括滤光元件，用于滤除背景光或杂散光，所述滤光元件设置在所述第三反射镜与所述接收单元之间。

12.一种移动设备，其特征在于，包括如权利要求1至11任一项所述的激光雷达系统，所述激光雷达系统作为所述移动设备的视觉系统。

13.如权利要求12所述的移动设备，其特征在于，所述移动设备包括车辆或移动机器人。

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