CN219799789U - 一种激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光学探测技术领域，公开了一种激光雷达。激光雷达包括：第一发射单元、第二发射单元、光信号传输单元和接收单元；第一发射单元和第二发射单元，用于间隔发射探测光束；光信号传输单元配置为使得探测视场内的目标物可接收到探测光束，并且被探测视场中目标物反射后的回波可被接收单元接收；接收单元，用于采集回波并转换为电信号；其中，第一发射单元和第二发射单元分别用于远距测量和近距测量。本申请实施例的激光雷达设置两个发射单元分别用于远距测量和近距测量，避免内部串扰光造成的近距测量误差，可以提升激光雷达的探测性能。

Description

一种激光雷达

技术领域

本申请涉及光学探测技术领域，具体涉及一种激光雷达。

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，计算光束由发射到被采集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°探测。非机械式分为半固态激光雷达和全固态激光雷达。其中，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。而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，利用转镜的半固态激光雷达存在较强的内部串扰光，影响近距测量。

实用新型内容

本申请提出一种激光雷达，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，包括第一发射单元、第二发射单元、光信号传输单元和接收单元；第一发射单元和第二发射单元用于间隔发射探测光束；光信号传输单元配置为使得探测视场内的目标物可接收到所述探测光束，并且被探测视场中目标物反射后的回波可被所述接收单元接收；所述接收单元用于采集所述回波并转换为电信号其中，所述第一发射单元和第二发射单元分别用于远距测量和近距测量。

在一些实施例中，光信号传输单元包括第一反射镜、第二反射镜以及扫描元件；第一反射镜用于对所述第一发射单元发射的探测光束进行反射并入射到第二反射镜，对第二发射单元发射的探测光束进行透射并入射到所述第二反射镜；第二反射镜用于将入射的探测光束反射至所述扫描元件；扫描元件用于再反射所述探测光束以将所述探测光束出射到探测视场，且将所述探测视场中目标物反射后的回波反射至所述接收单元。其中，第一反射镜上对应第二发射单元的区域挖空或表面镀增透膜。

在一些实施例中，扫描元件包括转镜，转镜包括至少一个反射镜面，探测光束的光路及其对应的回波的光路共用同一个反射镜面。

在一些实施例中，光信号传输单元还包括第三反射镜；第二反射镜用于对入射的探测光束进行反射并入射到所述扫描元件；探测视场中目标物反射的回波经扫描元件反射至第三反射镜，第三反射镜用于将回波反射到接收单元。

在一些实施例中，还包括主控处理单元，用于控制第一发射单元与第二发射单元间隔发射探测光束，控制接收单元采集探测光束对应的回波，并计算探测光束从发射到被采集之间的飞行时间。主控处理单元用于控制第一发射单元在帧周期内的第一时间段发射第一探测光束，并控制接收单元采集第一探测光束对应的第一回波，计算第一探测光束从发射到被采集之间的第一飞行时间；还用于控制第二发射单元在同一帧周期内的第二时间段发射第二探测光束，并控制接收单元采集第二探测光束对应的第二回波，计算第二探测光束从发射到被采集之间的第二飞行时间。其中，第一时间段和第二时间段为同一帧周期内交替排列的时间段，第一探测光束包括多个第一脉冲，第二探测光束包括一个第二脉冲。第一脉冲的脉冲参数均大于第二脉冲的脉冲参数，脉冲参数包括峰值光功率、脉宽、和周期间隔。

在一些实施例中，第二发射单元中光源的数量小于第一发射单元中光源的数量。

本申请提供的技术方案的有益效果是：激光雷达设置两个发射单元分别用于远距测量和近距测量，避免内部串扰光造成的近距测量误差，可以提升激光雷达的探测性能。

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2是本申请一实施例提供的一种激光雷达测量过程的调制时序图；

图3是本申请一实施例提供的一种转镜的立体结构图。

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。

扫描式的激光雷达通常配置转镜、反射镜等光学元件用于改变光信号的传输方向，但是这些光学元件同样会导致光信号在内部产生串扰光，即部分光信号经光学元件反射后被接收单元采集，从而使得接收单元采集到这些光信号并进行计算得到一个飞行时间，这个飞行时间会被误作为近距目标的飞行时间，这样就造成了近距测量误差。为了解决这个技术问题，本申请实施例提供一种激光雷达，在原有一个发射单元的基础上增加一个发射单元，用于进行近距测量以降低串扰光对近距测量的干扰。

图1所示为本申请一实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。如图1所示，激光雷达系统包括第一发射单元10、第二发射单元11、光信号传输单元以及接收单元12，它们配置在同一安装平面。第一发射单元10和第二发射单元11用于间隔发射探测光束，第一发射单元10用于远距测量，第二发射单元11用于近距测量。光信号传输单元配置为使得探测视场内的目标物可接收到探测光束，并且被探测视场中目标物反射后的回波可被接收单元接收。接收单元12用于采集探测光束被探测视场中目标物反射后的回波并转换为电信号。

第一发射单元10和第二发射单元11均包括光源。第一发射单元10的光源发射第一探测光束，第二发射单元11的光源发射第二探测光束，第一探测光束和第二探测光束间隔发射。在一个实施例中，光源可以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朝向探测视场投射垂直方向的线状光束。通过配置例如。

光源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12包括传感器阵列，传感器阵列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。

光信号传输单元包括第一反射镜、第二反射镜以及扫描元件。其中，扫描元件可包括转镜、振镜或MEMS等，在一个实施例中，扫描元件用于改变探测光束的出射方向以使得探测光束沿水平方向扫描完成对二维空间区域探测。在本申请一个实施例中，以扫描元件是转镜为例进行详细阐述，如图3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。

如图1所示，光信号传输单元包括转镜31、第一反射镜21、第二反射镜22以及还可以包括第三反射镜23。第一反射镜21为反射镜、第二反射镜22和第三反射镜23为普通的反射镜，用于对回波进行偏折，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。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，又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。在一个实施例中，转镜31包括至少一个反射镜面，在一些实现方式中，探测光束的光路及其对应的回波的光路共用同一个反射镜面。

在一些实施例中，第一发射单元10以及第二发射单元11为两个独立设置的元件，分别对应第一反射镜21的两个不相同面。第一反射镜21用于对第一探测光束进行反射并入射到第二反射镜22，对第二探测光束进行透射并入射到第二反射镜22。第二反射镜22用于对第一探测光束进行反射并入射到转镜31，转镜31用于再反射探测光束以将探测光束出射到探测视场，且将探测视场中目标物反射后的回波反射至接收单元12。在一个具体的实施例中，转镜31还可以将探测视场中目标物反射的回波反射至第三反射镜23，第三反射镜23将回波反射至接收单元12。

在一个实施例中，第一反射镜21上对应第二发射单元11的区域挖空或镀增透膜，以使第二发射单元11发射的光能进入光信号传输单元内。通常情况下，第一反射镜21上对应第二发射单元11的区域(即第二发射单元11发光照射的区域)与对应第一发射单元10的区域(即第一发射单元10发光照射的区域)是不重叠的。

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，第一发射单元10与第一反射镜21之间、第二发射单元11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之间、第三反射镜23与接收单元12之间中的一个或多个位置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，在第一发射单元10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12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。

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)，在测量过程中，主控处理单元用于控制第一发射单元10与第二发射单元11间隔发射探测光束，并控制接收单元12采集探测光束对应的回波，进一步计算探测光束从发射到被采集之间的飞行时间。具体地，在测量过程中，主控处理单元用于控制第一发射单元10在帧周期内的第一时间段发射第一探测光束，并控制接收单元12采集第一探测光束对应的第一回波，进一步计算出第一探测光束从发射到被采集的第一飞行时间；主控处理单元还用于控制第二发射单元11在帧周期内的第二时间段发射第二探测光束，并控制接收单元12采集第二探测光束对应的第二回波，进一步计算出第二探测光束从发射到被采集之间的第二飞行时间。

在一个实施例中，图2所示为激光雷达测量过程的调制时序图，在完成对二维视场(或称空间区域)探测的一个帧周期内，一个帧周期对应的时间段例如为转镜31偏转控制探测光束从-60°偏转扫描到+60°所需的时间，控制第一发射单元10发射k个第一脉冲后，控制第二发射单元11发射1个第二脉冲，再控制第一发射单元10发射k个第一脉冲后，控制第二发射单元11发射1个第二脉冲，不断交替完成一帧数据的采集。其中，k为2以上的正整数。第一脉冲的脉冲参数均大于第二脉冲的脉冲参数，脉冲参数包括峰值光功率、脉宽、和周期间隔等。在一个实施例中，第一脉冲的峰值光功率为20至30W(单位：瓦)以内，脉宽为5至6ns(单位：纳秒)以内，周期间隔为100至400ns以内；第二脉冲的峰值光功率为1至2W以内，脉宽为1至2ns以内，周期间隔为30至60ns以内。

可以理解的是，本申请实施例中，第一发射单元10发射的第一脉冲用于探测远距离的目标，第二发射单元11发射的第二脉冲用于探测近距离的目标。因此，可以通过调控第一发射单元和第二发射单元发射脉冲的数量以及脉冲参数不相同，满足探测要求的情况下降低系统的功耗。另一方面，因为第一发射单元10与第二发射单元11对应的探测视场对应的角分辨不同，在一个实施例中，还可以配置第二发射单元11中光源的数量小于第一发射单元10中光源的数量。

在一些实施例中，第一发射单元10和第二发射单元11还可以包括驱动器(图1未示出)。光源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12之间。

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 (12)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：第一发射单元、第二发射单元、光信号传输单元和接收单元；

所述第一发射单元和所述第二发射单元用于间隔发射探测光束；

所述光信号传输单元配置为使得探测视场内的目标物可接收到所述探测光束，并且被探测视场中目标物反射后的回波可被所述接收单元接收；

所述接收单元用于采集所述回波并转换为电信号；

其中，所述第一发射单元和第二发射单元分别用于远距测量和近距测量。

2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述光信号传输单元包括第一反射镜、第二反射镜以及扫描元件；

所述第一反射镜用于对所述第一发射单元发射的探测光束进行反射并入射到所述第二反射镜，对所述第二发射单元发射的探测光束进行透射并入射到所述第二反射镜；

所述第二反射镜用于将入射的探测光束反射至所述扫描元件；

所述扫描元件用于再反射所述探测光束以将所述探测光束出射到探测视场，且将所述探测视场中目标物反射后的回波反射至所述接收单元。

3.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述第一反射镜上对应所述第二发射单元的区域挖空或表面镀增透膜。

4.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述扫描元件包括转镜，所述转镜包括至少一个反射镜面，所述探测光束的光路及其对应的所述回波的光路共用同一个所述反射镜面。

5.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述光信号传输单元还包括第三反射镜；所述探测视场中目标物反射的回波经所述扫描元件反射至所述第三反射镜，所述第三反射镜用于将所述回波反射到所述接收单元。

6.如权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于，还包括主控处理单元，用于控制所述第一发射单元与所述第二发射单元间隔发射所述探测光束，控制所述接收单元采集所述探测光束对应的所述回波，并计算所述探测光束从发射到被采集之间的飞行时间。

7.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述主控处理单元用于控制所述第一发射单元在帧周期内的第一时间段发射第一探测光束，并控制所述接收单元采集所述第一探测光束对应的第一回波，计算所述第一探测光束从发射到被采集之间的第一飞行时间；还用于控制所述第二发射单元在同一帧周期内的第二时间段发射第二探测光束，并控制所述接收单元采集所述第二探测光束对应的第二回波，计算所述第二探测光束从发射到被采集之间的第二飞行时间。

8.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述第一时间段和所述第二时间段为同一帧周期内交替排列的时间段，所述第一探测光束包括多个第一脉冲，所述第二探测光束包括一个第二脉冲。

9.如权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述第一脉冲的脉冲参数均大于所述第二脉冲的脉冲参数，所述脉冲参数包括峰值光功率、脉宽、和周期间隔。

10.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述第二发射单元中光源的数量小于所述第一发射单元中光源的数量。

11.如权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，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位置：

所述第一发射单元与所述第一反射镜之间；

所述第二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扫描元件之间；

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。

12.如权利要求11所述的激光雷达，其特征在于，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。