CN220584396U - 一种固态激光雷达测量系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种固态激光雷达测量系统，包括：发射器，包括光源阵列和发射光学元件，光源阵列配置为分成多个光源组，每个光源组朝向目标场景发射泛光光束；采集器，包括感光元件阵列和接收光学元件，感光元件阵列配置为分成多个感测组，用于采集被目标反射的所述泛光光束并生成电信号；控制与处理器，用于接收电信号以获取目标的距离信息；其中，每次测量时仅部分光源组朝向目标场景发射泛光光束，以及对应的感测组激活以生成电信号。通过将光源阵列分成多个光源组，每个光源组用于发射泛光光束，并且每次测量时仅部分光源组开启发射光信号，在不降低测量的质量和分辨率的情况下，降低了单次驱动功率，而且还可以减少杂散光和串扰光信号的影响。

Description

一种固态激光雷达测量系统

技术领域

本实用新型涉及飞行时间测量领域，具体是涉及一种固态激光雷达测量系统。

背景技术

激光雷达基于飞行时间原理(TOF，Time of Flight)可以对目标进行距离测量，通过向目标场景中的多个目标点连续发射多个脉冲光束(脉冲序列)，以及收集反射的回波信号检测出脉冲往返目标点对应的飞行时间，进一步计算出目标点距离激光雷达的距离。激光雷达可广泛用于各种需要使用3D数据的应用，包括地质学、林业、测绘、医学成像、移动机器人以及自动驾驶等。

激光雷达通常分为机械式激光雷达系统和固态激光雷达系统，机械式激光雷达系统包括机械旋转部件，带动收发模组旋转时对周围环境进行探测，获得周围物体的距离信息，例如应用与车辆障碍物检测或者避障时，这些距离信息可以用于判断车辆周围的障碍物情况。固态激光雷达系统不包括任何移动的机械零件，在这样的系统中，设置发射器阵列和采集器阵列，所有发射器同时发射光以照亮场景。因此，由于所有发射器全部被激活，则需要较大的驱动功率，而减少发射器的数量可以减少功率，但又会牺牲测量的质量和分辨率。而且，大量的发射光信号还会引起杂散光信号以及不同串扰信号，降低探测的精度。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供了一种固态激光雷达系统，包括：发射器，包括光源阵列和发射光学元件，所述光源阵列配置为分成多个光源组，每个光源组朝向目标场景发射泛光光束；采集器，包括感光元件阵列和接收光学元件，所述感光元件阵列配置为分成多个感测组，用于采集被目标反射的所述泛光光束并生成电信号；控制与处理器，用于接收所述电信号以获取目标的距离信息；其中，每次测量时仅全部光源组的部分光源组朝向目标场景发射泛光光束，以及对应的所述感测组激活采集所述泛光光束并生成电信号。

在一些实施例中，所述发射光学元件包括发射透镜，所述光源阵列与所述发射透镜的距离不等于所述发射透镜的焦距。

在一些实施例中，所述发射光学元件包括光束调节器，用于调节所述光源组发射的光束形成所述泛光光束。其中，所述光束调节器包括液晶或扩散片。

在一些实施例中，所述光源组的尺寸小于所述感测组的尺寸。

在一些实施例中，所述发射器配置为包括第一光源阵列和第二光源阵列，所述第一光源阵列和所述第二光源阵列位于所述感光元件阵列的周围。

在一个实施例中，所述第一光源阵列与所述第二光源阵列对应的视场不重叠。在另一个实施例中，所述第一光源阵列与所述第二光源阵列对应的视场部分重叠或完全重叠。

在一些实施例中，所述光源组包括多个发光元件，每个所述发光元件是VCSEL。

在一些实施例中，所述感测组包括多个感测元件，每个所述感测元件是SPAD。

在本申请的实施例中，光源阵列配置为分成多个光源组，每个光源组均朝向目标场景发射泛光光束；同样的感光元件阵列配置为分成多个感测组，用于采集被目标反射的泛光光束并生成电信号；控制与处理器用于接收电信号以获取目标的距离信息；其中，每次测量时仅全部光源组的部分光源组朝向目标场景发射泛光光束，以及对应的感测组激活采集泛光光束并生成电信号。通过将光源阵列分成多个光源组，每个光源组用于发射泛光光束，并且每次测量时仅部分光源组开启发射光信号，在不降低测量的质量和分辨率的情况下，降低了单次驱动功率，而且还可以减少杂散光和串扰光信号的影响。

附图说明

图1为根据本申请一些实施例的激光雷达工作原理示意图；

图2为根据本申请一些实施例中的固态激光雷达系统图；

图3为根据本申请一些实施例中的光源阵列的示意图；

图4为根据本申请一些实施例中的光源组发光的示意图；

图5为根据本申请一些实施例中的感测元件阵列的示意图；

图6为根据本申请一些实施例中的另一种固态激光雷达的系统图；

图7为根据本申请一些实施例中的又一种态激光雷达的系统图。

实施方式

以下结合实施例和说明书附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述。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，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，激光雷达10包括发射器11、采集器12以及连接发射器与采集器的控制与处理器13。发射器12用于朝向目标20发射光信号，被目标20上的目标点反射的回波信号被采集器12采集。控制与处理器13与发射器和采集器同步连接，用于控制发射器11的光发射的同时控制采集器12激活，以及处理由采集器12检测到的回波信号以获取光信号往返激光雷达与目标点之间的飞行时间。

发射器11包括光源、发射驱动电路和发射光学元件。发射驱动电路用于驱动光源发射光信号，经发射光学元件调制后向探测空间发射。光源可以是垂直腔面发射激光器（VCSEL）、边发射激光器（EEL）、发光二极管（LED）或者其他类型的激光器。发射光学元件包括透镜、微透镜阵列、衍射光学元件、扩散片、液晶等一种或多种。在探测空间中，光源发射的光束是一个具有一定发散角的光束，发射的光束经过发射光学元件调制，到达探测空间后形成一个或多个照明区域（光斑），随着距离的不断增大，光斑的面积也越来越大，所覆盖的视场范围也会逐渐扩大。在一个实施例中，光源包括布置成二维阵列的激光器阵列，可被分成多个组以实现分组发光或同时发光。

采集器12包括像素阵列、接收光学元件等，接收光学元件将目标点反射的光斑成像到像素阵列上，像素阵列中的像素采集光信号以输出回波信号。其中，像素阵列包括多个采集光子的像素，所述像素可以是APD、SPAD、SiPM等采集光信号的器件中的一种。接收光学元件包括滤光片和成像透镜，滤光片配置为与发射光信号的波长相适配以滤除其他干扰光信号，成像透镜用于接收光信号并汇聚至像素阵列的感光区域处。每个感光区域配置为包括一个或多个像素，一般光斑的尺寸远大于像素的尺寸，因此通常配置多个像素组合（宏像素）来采集光信号。在实际测量过程中，朝向探测空间每发射一个光斑都会投射到空间的固定位置处，经反射后成像到像素阵列的相应感光区域处，即形成一一对应关系，这种对应关系本领域内通常称为“形成一个探测通道”。一般地，采集器22还包括有与感光元件阵列连接的读出电路（图中未示出），读出电路接收感光元件输出的电信号，进而输出指示脉冲光束往返于目标点的相应飞行时间的时间信号。

在一个实施例中，像素是SPAD，能够对微弱的光信号进行探测，读出电路包括时间数据转换（TDC）电路和直方图电路，TDC电路同步激光发射信号记为起始信号、以及接收像素输出的电信号记为截止信号，从而记录光子从发射到被采集的飞行时间并生成时间信号（例如，时间码），时间信号输入直方图电路后存储在对应的存储单元(时间bin)。并使得该时间bin内的光子计数值加1。通过多次重复测量后，基于时间相关单光子计数法(TCSPC)获取包含脉冲波形以及脉冲飞行时间的直方图数据。在实际应用中，采集器除了采集被目标点反射的脉冲光束外还会采集环境光，环境光引起的时间信号随机分布在直方图电路的各个存储单元中并相对于脉冲信号产生噪声。在一些实施例中，TDC电路和直方图电路也可集成在控制与处理器中，作为控制与处理器的一部分，下文中，为了便于描述，将TDC电路和直方图电路作为控制与处理器的一部分。

控制与处理器13用于处理直方图数据以解算出回波信号强度和脉冲的飞行时间，还可以进一步根据脉冲飞行时间获取目标的距离数据。

如图2所示，为本申请实施例提出的一种固态激光雷达系统的示意图，固态激光雷达包括光源阵列21、感光元件阵列22以及发射透镜23、接收透镜24和控制与处理器（未图示）。光源阵列21包括由多个发光元件组成的二维阵列，发光元件发射的脉冲光束经过发射透镜调制后出射到探测视场，发光元件可以是激光器，例如垂直腔面发射激光器。至少部分脉冲光束经过目标点反射后经接收透镜成像到感光元件阵列22上，感光元件用于采集反射光信号并输出电信号，感光元件可以是SPAD、SiPM等采集光子的单光子器件中的至少一种。一般地，光源阵列中的每个发光元件可以与感光元件阵列中的对应的感光元件配对形成一个探测通道。控制与处理器可以对光源阵列和感光元件阵列进行控制，同步光源阵列的触发信号与感光元件阵列的触发信号，从而计算出光束从发射到被采集之间的飞行时间Δt。此时，目标与测距系统之间的距离d可被估算为d= (c×Δt)/2，其中，c表示光速。

但是，在固态激光雷达系统中，控制光源阵列中的全部发光元件同时工作时，会使得相邻发光元件发射的光信号相互之间产生干扰，进而影响到接收信号并最终影响距离计算的准确度。因此，在现有技术中，通常采用动态扫描的测量方法，即按照逐行或者逐列的方式调控发光元件工作，以降低相邻光源之间干扰。而在本申请中，提出了一种新的发光模式。

如图3所示，在本申请的一个实施例中，光源阵列31配置为包括48*16个发光元件，将光源阵列分成多个光源组，配置每8*4个发光元件为一个光源组311，即可分为24个光源组。在工作过程中，调控每个光源组发光，朝向目标场景发射泛光光束。在一个实施例中，每个发光元件发射的光束是一个具有一定发散角的光束，发射的光束经过发射透镜调制，到达目标场景后形成一个照明区域（光斑），随着距离的不断增大，光斑的面积也越来越大，所覆盖的视场范围也会逐渐扩大因此，为了使每个光源组发射到目标场景的光斑形成泛光光束，配置光源组内多个发光元件之间的间距，使得光源组内全部发光元件同时发光时投射到目标场景的光斑彼此重叠，从而形成泛光光束。在另一个实施例中，配置光源阵列与发射透镜离焦，即光源阵列与发透镜之间的距离不等于发射透镜的焦距，由此，经过发射透镜的光束不再呈聚焦状态而是离焦状态，投射到目标场景形成扩散的光斑，进而形成泛光光束。在一个实施例中，发射器还可以配置光束调节器，用于调节光源组发射的光束形成均匀的泛光光束，光束调节器件包括液晶、扩散片等等。如图4所示，为一个光源组投射到目标场景形成的泛光光束的示意图。

如图5所示，与光源阵列31相对应的，感光元件阵列51也配置为包括24个感测组，每个感测组与每个光源组一一对应，即光源组311发射的泛光光束经目标场景中的目标反射后成像到感测组511形成成像光斑513。其中，每个感测组511也包括由多个感光元件组成的二维阵列，感光元件的数量可以与光源组中发光元件的数量相同也可以不同。优选地，考虑到系统视差、公差等因素的影响，配置感测组的尺寸大于光源组的尺寸。

在一些实施例中，在固态激光雷达系统工作中，可以选择配置多种工作调节模式。在一个实施例中，配置光源组逐个开启以朝向目标场景发射泛光光束，例如沿着行或列方向逐个开启，相应的，同步开启与光源组对应的感测组来接收回波信号用于计算飞行时间。在另一个实施例中，配置每行或每列光源组依次开启朝向目标场景发射泛光光束，或者间隔行/列的调控方式发射泛光光束，实现对目标场景沿着水平或者垂直方向的扫描。在又一个实施例中，还可以配置为将光源阵列分成多个区域同步开启以实现对目标场景的分区域扫描，例如分成两个区域，每个区域包括3*4个光源组，也选择逐个光源组开启的扫描方式，则同时控制光源组311、312开启，并对应的同时控制感测组511、512开启，以将目标场景分成两个区域，同时进行扫描探测。在实际应用中，也可以分成3个或者更多个区域进行探测，分区域的情况不做具体限定。

如图6所示，在本申请公开的一些固态激光雷达系统的实施例中，系统包括多个可独立控制的光源阵列，分别位于感测元件阵列63的周围并共享一个感测元件阵列，且多个光源阵列的对应的视场不重叠，例如第一光源阵列61、第二光源阵列62，共享同一个感测元件阵列63。其中，第一光源阵列61和第二光源阵列62的配置均可如3所示的实施例，两个光源阵列对应的视场不重叠。如图6所示，第一光源阵列61配置为包括多个第一光源组，第一光源组611发射光信号被感测元件阵列63中的第一感测组631采集；第二光源组阵列62配置为包括多个第二光源组621，第二光源组621发射光信号被感测元件阵列63中的第二感测组632采集。如此，感测元件阵列63包括第一感测组和第二感测组，分别用于采集第一光源组和第二光源组的光信号。

通过配置多个光源阵列，每个光源阵列与感测元件阵列的一部分视场重叠，这样，既能保证感测元件阵列采集到高分辨类型的图像，而相比使用一个光源阵列，每个光源阵列的驱驱动器提供的功率将降低，例如本实施例中，配置两个光源阵列，则驱动器提供的功率将降低为一个光源阵列的一半。另外，由于每个光源阵列中光源组的数量减少了，则驱动器可以为每个光源组提供更多的电流。可以理解的是，每个光源阵列都对应设置有发射透镜或者其他的发射光学元件，以使得每个光源组朝向目标场景发射泛光光束，光源阵列可以围绕感测元件阵列对称的布置也可以任意布置，数量和布置的方式均不作具体限制。

如图7所示，在本申请公开的另一些固态激光雷达系统的实施例中，系统包括多个可独立控制的光源阵列，分别位于感测元件阵73的周围并共享一个感测元件阵列，且多个光源阵列的对应的视场部分重叠或完全重叠，例如第一光源阵列71、第二光源阵列72，共享同一个感测元件阵列73。其中，第一光源阵列71和第二光源阵列72的配置均可如3所示的实施例，两个光源阵列对应的视场部分重叠或完全重叠。如图7所示，第一光源阵列71配置为包括多个第一光源组，第一光源组711发射光信号被感测元件阵列73中的感测组731采集；第二光源组阵列72配置为包括多个第二光源组721，第二光源组721发射光信号也被感测元件阵列73中的感测组731采集。如此，感测元件阵列73中的感测组，同步采集第一光源组和第二光源组的光信号。这样，在进行探测时，同步控制第一光源组合第二光源组同时发光，发射的光信号经反射入射到同一个感测组。

在一些其他的实施例中，也可以配置第一光源阵列71与第二光源阵列72的视场部分重叠，例如要扩大感测元件阵列行方向的分辨率，则可以配置第一光源阵列71与第二光源阵列72中每行全部的光源组中部分光源组对应的视场重叠，假如选择每行中有3个光源组视场重叠，则感测元件阵列中每行需增加3个感测组，由此可扩展行方向的分辨率。同理，若需要扩展列方向的分辨率，则配置光源阵列中每列部分光源组对应的视场重叠。

通过配置多个光源阵列，且多个光源阵列对应的视场全部重叠或部分重叠，这样，一方面，两个光源阵列可互相提供冗余照明，当一个光源阵列出现问题时，仍然能保证系统的正常工作；另一方面，两个光源组的能量叠加可扩展光束的探测距离。可以理解的是，每个光源阵列都对应设置有发射透镜或者其他的发射光学元件，以使得每个光源组朝向目标场景发射泛光光束，光源阵列可以围绕感测元件阵列对称的布置也可以任意布置，数量和布置的方式均不作具体限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种固态激光雷达测量系统，其特征在于，包括：

发射器，包括光源阵列和发射光学元件，所述光源阵列配置为分成多个光源组，每个光源组朝向目标场景发射泛光光束；

采集器，包括感光元件阵列和接收光学元件，所述感光元件阵列配置为分成多个感测组，用于采集被目标反射的所述泛光光束并生成电信号；

控制与处理器，用于接收所述电信号以获取目标的距离信息；

其中，每次测量时仅全部光源组的部分光源组朝向目标场景发射泛光光束，以及对应的所述感测组激活采集所述泛光光束并生成电信号。

2.如权利要求1所述的固态激光雷达测量系统，其特征在于，所述发射光学元件包括发射透镜，所述光源阵列与所述发射透镜的距离不等于所述发射透镜的焦距。

3.如权利要求1所述的固态激光雷达测量系统，其特征在于，所述发射光学元件包括光束调节器，用于调节所述光源组发射的光束形成所述泛光光束。

4.如权利要求3所述的固态激光雷达测量系统，其特征在于，所述光束调节器包括液晶或扩散片。

5.如权利要求1所述的固态激光雷达测量系统，其特征在于，所述光源组的尺寸小于所述感测组的尺寸。

6.如权利要求1-5任一项所述的固态激光雷达测量系统，其特征在于，所述发射器配置为包括第一光源阵列和第二光源阵列，所述第一光源阵列和所述第二光源阵列位于所述感光元件阵列的周围。

7.如权利要求6所述的固态激光雷达测量系统，其特征在于，所述第一光源阵列与所述第二光源阵列对应的视场不重叠。

8.如权利要求6所述的固态激光雷达测量系统，其特征在于，所述第一光源阵列与所述第二光源阵列对应的视场部分重叠或完全重叠。

9.如权利要求6所述的固态激光雷达测量系统，其特征在于，所述光源组包括多个发光元件，每个所述发光元件是VCSEL。

10.如权利要求6所述的固态激光雷达测量系统，其特征在于，所述感测组包括多个感测元件，每个所述感测元件是SPAD。