CN109116367A - 一种激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种激光雷达，包括：一个激光器：用于发射激光光束；一个探测器：用于接收反射回来的所述激光光束；一组收发结构：用于接收沿着预设方向射出的所述激光光束、并将所述激光光束传递给所述探测器，所述收发结构与所述激光器同轴设置，所述收发结构包括一垂直视场调节单元，所述垂直视场调节单元使得所述激光光束在垂直视场范围内呈非均匀分布、和或调节所述激光光束的垂直视场范围。激光雷达的结构更简单，装配起来方便。在使用时能够比较灵活的针对探测目标进行通过激光器和垂直视场调节单元来调节，可以有效地避免浪费。
Description
技术领域
本发明属于雷达领域，具体涉及一种激光雷达。
背景技术
激光雷达通过发射和接收激光光束，分析激光光束遇到探测目标后的折返时间，计算出探测目标与激光雷达所在地(比如车辆、低空飞行直升机、固定探测设备等)的相对距离，并收集探测目标表面大量密集的点的三维坐标、反射率等信息，复建出探测目标的三维模型。
虽然激光雷达线束越多，测量精度越高。然而采用多个激光器-探测器进行多线束扫描，往往激光雷达本身结构复杂、装配难度高以及***稳定性差。同时，由于多线激光雷达的多个激光发射器具有基本一致的输出脉冲能量及频率，探测范围一般很确定，其中探测距离和角分辨率(垂直/水平)也具有一致性，这样便导致边缘区域激光能量浪费，而中心区域角分辨率不足的问题，激光雷达的能量不能得到有效利用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种激光雷达，包括：
一个激光器：用于发射激光光束；
一个探测器：用于接收反射回来的所述激光光束；
一组收发结构：用于接收沿着预设方向射出的所述激光光束、并将所述激光光束传递给所述探测器，所述收发结构与所述激光器同轴设置，所述收发结构包括一垂直视场调节单元，所述垂直视场调节单元使得所述激光光束在垂直视场范围内呈非均匀分布、和或调节所述激光光束的垂直视场范围。
本发明能够达到的有益效果：一个激光雷达中设置单个激光器、单个探测器、一组收发结构，收发结构与激光器同轴设置。激光雷达的结构更简单，装配起来方便，若其中的部件出现故障也便于快速检测和更换。在使用时能够比较灵活的针对探测目标进行通过激光器和垂直视场调节单元来调节，可以有效地避免浪费。激光雷达的使用数量、设置位置等也可以根据探测目的的不同作安排。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
图1是本说明书实施例提供的一种激光雷达的示意图；
图2是本说明书实施例提供的调节垂直视场调节单元的摆动幅度与垂直探测范围的关系示意图；
图3是本说明书实施例提供的调节垂直视场调节单元的摆动频率与垂直探测分辨率的关系示意图；
图4是本说明书实施例提供的调节激光器的激光脉冲输出能量与水平探测范围的关系示意图；
图5是本说明书实施例提供的调节激光器的激光脉冲输出频率与水平探测分辨率的关系示意图；
图6为本说明书实施例提供的激光雷达扫描模式示意图；
图7为本说明书实施例提供的具有非均匀激光光束的激光雷达示意图；
图8是本说明书实施例提供的一种激光雷达对探测目标进行探测的光路示意图；
图9是本说明书实施例提供的另一种激光雷达对探测目标进行探测的光路示意图。
以下对附图作补充说明：
10-激光器；20-探测器；30-收发结构；31-一维振镜；32-反射镜；33-偏振分光片；34-四分之一波片；40-探测目标；50-出射光路；60-反射光路；70-准直透镜；80-滤光片；90-会聚透镜。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书的方案，下面将结合实施例中的附图，对本说明书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说明书的一部分实施例，而不是全部的实例。基于本说明书中的实施例，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，都应当属于本说明书保护的范围。
在本说明书的一个实施例中，如图1所示，所述激光雷达，包括：
一个激光器10：用于发射激光光束；
一个探测器20：用于接收反射回来的所述激光光束；
一组收发结构30：用于接收沿着预设方向射出的所述激光光束、并将所述激光光束传递给所述探测器，所述收发结构与所述激光器同轴设置，所述收发结构包括一垂直视场调节单元，所述垂直视场调节单元使得所述激光光束在垂直视场范围内呈非均匀分布、和或调节所述激光光束的垂直视场范围。
如图2所示，在一个可选的实施例中，所述垂直视场调节单元通过摆动偏折所述激光光束；调节所述激光光束的垂直视场范围包括：当预设的垂直视场范围增大，提高所述垂直视场调节单元的摆动幅度；当预设的垂直视场范围减小，降低所述垂直视场调节单元的摆动幅度。根据探测的需要可以通过提高或降低垂直视场调节单元的摆动幅度，进而增大或减小垂直视场范围。
如图3所示，在一个可选的实施例中，所述激光光束在垂直视场范围内呈非均匀分布包括：在特定的出射方向上，所述垂直视场调节单元增加所述激光光束的分布密度。所述垂直视场调节单元通过摆动偏折所述激光光束。
具体的，在特定的出射方向上，所述垂直视场调节单元增加所述激光光束的分布密度包括：当将所述激光光束扫描至靠近垂直视场的中心部分时、所述垂直视场调节单元的摆动频率增大；当将所述激光光束扫描至远离垂直视场的中心部分时、所述垂直视场调节单元的摆动频率减小。垂直视场的中心部分较密的激光光束分布可以保证较高的垂直方向分辨率；垂直视场的上、下部边缘较疏的激光光束分布，避免了照射至天空或地面的浪费。
在靠近垂直视场的中心部分各激光光束之间的排布间隔可以是均匀的，也可以是非均匀的。在远离垂直视场的中心部分各激光光束之间的排布间隔可以是均匀的，也可以是非均匀的。
如图6所示，其为激光雷达扫描过程的俯视图，以该平面建立极坐标系，扫描位置所在角度a为极坐标角度，那么可以通过控制激光雷达的垂直视场调节单元的摆动频率为S＝Acos(a/2)+B,由此可知a＝0°位置的摆动频率最大，而a＝180°位置的摆动频率最小。可见，在方向上，激光雷达可以具有不同的垂直视场调节单元的摆动频率分布，其不仅仅按照正弦或者余弦分布，还可以按照如下模式进行扫描：
x(θ)＝a sinθ；
其中，n≥1且
n称为曲线的参数，是两个正弦振动的频率比。
若比例为有理数，则
参数方程可以写作:x(θ)＝a sin(pθ)，
0≤θ≤2π，其中θ为扫描变量，其他参数为常数。
如图2、3所示，激光雷达的收发结构设置转子内，转子在电机的带动下，绕中心转轴作360度旋转，实现水平方向的360度旋转，垂直方向大视场扫描。如图2所示，当提高垂直视场调节单元的摆动幅度，激光雷达的垂直视场角增大。如图3所示，当提高垂直视场调节单元的摆动频率，激光雷达的垂直方向分辨率增加。
在一个可选的实施例中，所述垂直视场调节单元通过摆动偏折所述激光光束，所述垂直视场调节单元的摆动通过驱动信号驱动，在时域上对所述驱动信号编码，经过编码的所述驱动信号驱动的所述垂直视场调节单元的摆动具有时序。
具有时序的所述垂直视场调节单元的摆动，在时序上具有非均匀摆动频率和摆动幅度。
具体的，垂直视场调节单元接收到的驱动信号的输出频率可以是相同的，也可以不同。驱动信号具有不同的编码，编码可以有不同的频率和/或强度。
如图4所示，在一个可选的实施例中，所述垂直视场调节单元通过摆动偏折所述激光光束，所述激光器根据感测到的所述垂直视场调节单元的摆动调节激光脉冲输出能量：
当所述激光器感测到所述垂直视场调节单元的摆动偏折所述激光光束靠近垂直视场的中心部分时，所述激光器的激光脉冲输出能量增加；
当所述激光器感测到所述垂直视场调节单元的摆动偏折所述激光光束远离垂直视场的中心部分时，所述激光器的激光脉冲输出能量减少。
当然，所述激光器根据感测到的所述垂直视场调节单元的摆动调节激光脉冲输出能量：当感测到所述垂直视场调节单元的摆动偏折所述激光光束在不同的方向上，具有不同的激光脉冲输出能量。
如图5所示，在一个可选的实施例中，所述垂直视场调节单元通过摆动偏折所述激光光束，所述激光器根据感测到的所述垂直视场调节单元的摆动调节激光脉冲输出频率：
当所述激光器感测到所述垂直视场调节单元的摆动偏折所述激光光束靠近垂直视场的中心部分时，所述激光器的激光脉冲输出频率增加；
当所述激光器感测到所述垂直视场调节单元的摆动偏折所述激光光束远离垂直视场的中心部分时，所述激光器激光脉冲输出频率减少。
当然，所述激光器根据感测到的所述垂直视场调节单元的摆动调节激光脉冲输出频率：当感测到所述垂直视场调节单元的摆动偏折所述激光光束在不同的方向上，具有不同的激光脉冲输出频率。
如图4、5所示，当所述激光光束经所述垂直视场调节单元出射的方向靠近水平面时，提高所述激光器的激光脉冲输出能量、提高所述激光器的激光脉冲输出频率，激光器的激光脉冲输出能量和激光脉冲输出频率只在激光光束偏折到近水平面位置附近时增加，这样可以让水平面位置(激光雷达重点关注区域)能够探测得更远且分辨率更高。因为远处的障碍物多数是集中在水平面位置，所以在激光光束偏折到水平面位置时增大激光器的激光脉冲输出能量和激光脉冲输出频率能够提高测远性能及测准性能，而在激光光束偏折到远离水平面位置时，由于远处的激光光束都照射到天空或地面而被浪费掉，因而可适当减小激光器的激光脉冲输出能量和激光脉冲输出频率，不必测那么远、那么准，进而提高激光器的激光脉冲输出能量和激光脉冲输出频率的利用率。当然垂直视场调节单元的摆动幅度、摆动频率和激光器的激光脉冲输出能量、激光脉冲输出频率的具体调节范围可以根据应用中的要求做灵活的配置。
另外，当所述激光器感测到所述垂直视场调节单元的摆动偏折所述激光光束在特定的垂直出射方向时，具有较高的激光脉冲输出能量或频率，且在在不同的方位出射方向上，具有不同的激光脉冲输出能量或频率。
激光器在激光脉冲激励信号的驱动下发射激光光束，在时域上对所述激光脉冲激励信号编码，经过编码的所述激光脉冲激励信号驱动的激光器发射的激光光束具有时序。具有时序的激光光束，在时序上具有非均匀激光脉冲输出能量。
当然，在一个可选的实施例中，还可以通过在某一个方向上同时提高激光器的激光脉冲输出频率和垂直视场调节单元的摆动频率。如此可以同时提高该扫描方向的水平方向分辨率和垂直方向分辨率。
如图7所示，在一个可选的实施例中，不同的方向上，也可以实现不同的进行扫描的激光光束的数量、扫描频率的分布设置。例如，在前向上，扫描视场中部具有较高的激光脉冲输出能量、激光脉冲输出频率和摆动频率，得到较密集的扫描线束，从而实现对扫描视场前方的探测加强。同时，在后向上，扫描视场中部具有较高的激光脉冲输出能量、激光脉冲输出频率和摆动频率，得到较密集的扫描线束，从而实现对扫描视场后方的探测加强。当然图7仅仅是一个示例，实际上可以对方向上不同位置的激光脉冲输出能量、激光脉冲输出频率和摆动频率进行调整。
如图8所示，在一个可选的实施例中，所述收发结构30还包括一反射镜32，所述反射镜32包括反射镜32本体和一通孔，所述通孔于所述激光器10同轴设置，所述垂直视场调节单元可采用一维振镜31，所述反射镜32设置在所述收发结构30靠近所述激光器10的一端，所述一维振镜31设置在所述收发结构30远离所述激光器10的一端。对于细激光光束所述通孔的孔径大小可以设置为1-2毫米。当然，通孔的孔径大小可以根据激光光束的大小作对应的调整。
具体的，如图8所示(出射光路50、反射光路60)，所述激光雷达还包括准直透镜(所述激光器10发射的所述激光光束经过所述准直透镜后沿着预设方向射出)、滤光片和会聚透镜。所述激光器10发射的所述激光光束(比如细激光光束)经过所述准直透镜被准直，然后激光光束直接穿过所述反射镜32的所述通孔出射到所述一维振镜31，一维振镜31的摆动幅度、摆动频率可调(一维振镜31可实现高频率、大角度的扫描)，经所述一维振镜31的扫描激光光束出射至探测目标40；激光光束在探测目标40处发生漫反射而返回，通过所述一维振镜31扫描接收，激光光束出射到所述反射镜32本体，经所述反射镜32本体反射后依次经过所述滤光片80、所述会聚透镜90，经所述会聚透镜90会聚至所述探测器20。
在实际应用中，当所述激光光束经所述一维振镜31出射的方向靠近所述水平面时，所述激光器10的激光脉冲输出能量提高、所述激光器10的激光脉冲输出频率提高。通过激光控制模块，可以对激光器10的激光脉冲输出能量进行调节，以实现激光雷达垂直视场的不同区域、以及不同方向具有不同的测距范围；同时可以对激光器10的激光脉冲输出频率进行调节，以实现激光雷达扫描的不同区域具有不同的水平方向分辨率。所述一维振镜31包括一转轴，所述一维振镜31绕所述转轴在所述水平面的垂直方向上摆动，所述一维振镜31的摆动幅度可调、所述一维振镜31的摆动频率可调。通过振镜控制模块，可以对一维振镜31的摆动幅度进行调节，以实现激光雷达不同的垂直视场角；同时可以对一维振镜31的摆动频率进行调节，以实现激光雷达不同的垂直方向分辨率。
如图9所示，在一个可选的实施例中，所述收发结构30还包括一偏振分光片33和一四分之一波片34，所述垂直视场调节单元可采用一维振镜31，所述偏振分光片33设置在所述收发结构30靠近所述激光器10的一端，所述一维振镜31设置在所述收发结构30远离所述激光器10的一端，所述四分之一波片34设置在所偏振分光片33和所述一维振镜31之间。
具体的，如图9所示(出射光路50、反射光路60)，所述激光雷达还包括准直透镜(所述激光器10发射的所述激光光束经过所述准直透镜70后沿着预设方向射出)、滤光片80和会聚透镜90。所述激光器10发射的激光光束经过所述准直透镜70被准直，然后经所述偏振分光片33分光(比如p偏振光透过偏振分光片33)，再经所述四分之一波片34(线偏振光经四分之一波片34后为圆偏振光)出射到所述一维振镜31，一维振镜31的摆动幅度、摆动频率可调(一维振镜31可实现高频率、大角度的扫描)，经所述一维振镜31的扫描激光光束出射至探测目标40；激光光束在探测目标40处发生漫反射而返回，通过所述一维振镜31扫描接收，激光光束出射到所述四分之一波片34(再次经四分之一波片34后圆偏振光变为线偏振光，偏振方向改变)、所述偏振分光片33，经所述偏振分光片33反射(如原透过偏振分光片33的p偏振光两次经过1/4波片改变为s偏振光，s偏振光无法透过偏振分光片33而被反射)后依次经过所述滤光片80、所述会聚透镜90，经所述会聚透镜90会聚至所述探测器20。
在实际应用中，当所述激光光束经所述一维振镜31出射的方向靠近所述水平面时，所述激光器10的激光脉冲输出能量提高、所述激光器10的激光脉冲输出频率提高。通过激光控制模块，可以对激光器10的激光脉冲输出能量进行调节，以实现激光雷达垂直视场的不同区域、以及不同方向具有不同的测距范围；同时可以对激光器10的激光脉冲输出频率进行调节，以实现激光雷达扫描的不同区域具有不同的水平方向分辨率。所述一维振镜31包括一转轴，所述一维振镜31绕所述转轴在所述水平面的垂直方向上摆动，所述一维振镜31的摆动幅度可调、所述一维振镜31的摆动频率可调。通过振镜控制模块，可以对一维振镜31的摆动幅度进行调节，以实现激光雷达不同的垂直视场角；同时可以对一维振镜31的摆动频率进行调节，以实现激光雷达不同的垂直方向分辨率。
激光雷达的结构更简单，只使用一个激光器10和一个探测器20，生产装调方便，极大地降低了成本，同时若其中的部件出现故障也便于快速检测和更换。同轴的收发结构30解决了收发匹配的问题，***的稳定性提高。其中，收发结构30接收的是沿着预设方向射出的激光光束，这里的激光光束可以是在激光器10射出时就沿着预设方向射出的激光光束，也可以是在激光器10和收发结构30之间对从激光器10射出的激光光束作了准直处理的激光光束。沿着预设方向射出的激光光束可以保证收发结构30与激光器10之间更好的同轴设置。在使用时能够比较灵活的针对探测目标40进行对激光器10的调节，可以有效地避免浪费。垂直视场调节单元的摆动幅度、摆动频率以及激光器10的激光脉冲输出能量、激光脉冲输出频率可调确保了激光雷达垂直视场范围、(垂直/水平)方向分辨率及探测范围配置的灵活性，提高激光雷达的能量利用率和整体性能。激光雷达的使用数量、设置位置等也可以根据探测目的的不同作安排。
在一个可能的实施例中，垂直视场调节单元可采用一维振镜，也可以采用二维振镜等。一维振镜31可采用微机电***(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)振镜。
在一个可能的实施例中，所述探测器20可采用雪崩光电二极管(APD，AvalanchePhoto Diode)、PN/PIN光电探测器、光电倍增管、CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)探测器。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种激光雷达，其特征在于，包括：
一个激光器：用于发射激光光束；
一个探测器：用于接收反射回来的所述激光光束；
一组收发结构：用于接收沿着预设方向射出的所述激光光束、并将所述激光光束传递给所述探测器，所述收发结构与所述激光器同轴设置，所述收发结构包括一垂直视场调节单元，所述垂直视场调节单元使得所述激光光束在垂直视场范围内呈非均匀分布、和或调节所述激光光束的垂直视场范围。
2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光光束在垂直视场范围内呈非均匀分布包括：在特定的出射方向上，所述垂直视场调节单元增加所述激光光束的分布密度。
3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述垂直视场调节单元通过摆动偏折所述激光光束；
在特定的出射方向上，所述垂直视场调节单元增加所述激光光束的分布密度包括：当将所述激光光束扫描至靠近垂直视场的中心部分时、所述垂直视场调节单元的摆动频率增大；当将所述激光光束扫描至远离垂直视场的中心部分时、所述垂直视场调节单元的摆动频率减小。
4.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述垂直视场调节单元通过摆动偏折所述激光光束；
调节所述激光光束的垂直视场范围包括：当预设的垂直视场范围增大，提高所述垂直视场调节单元的摆动幅度；当预设的垂直视场范围减小，降低所述垂直视场调节单元的摆动幅度。
5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述垂直视场调节单元通过摆动偏折所述激光光束，所述垂直视场调节单元的摆动通过驱动信号驱动，在时域上对所述驱动信号编码，经过编码的所述驱动信号驱动的所述垂直视场调节单元的摆动具有时序。
6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，具有时序的所述垂直视场调节单元的摆动，在时序上具有非均匀摆动频率和摆动幅度。
7.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述垂直视场调节单元通过摆动偏折所述激光光束，所述激光器根据感测到的所述垂直视场调节单元的摆动调节激光脉冲输出能量：
当所述激光器感测到所述垂直视场调节单元的摆动偏折所述激光光束靠近垂直视场的中心部分时，所述激光器的激光脉冲输出能量增加；
当所述激光器感测到所述垂直视场调节单元的摆动偏折所述激光光束远离垂直视场的中心部分时，所述激光器的激光脉冲输出能量减少。
8.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述垂直视场调节单元通过摆动偏折所述激光光束，所述激光器根据感测到的所述垂直视场调节单元的摆动调节激光脉冲输出频率：
当所述激光器感测到所述垂直视场调节单元的摆动偏折所述激光光束靠近垂直视场的中心部分时，所述激光器的激光脉冲输出频率增加；
当所述激光器感测到所述垂直视场调节单元的摆动偏折所述激光光束远离垂直视场的中心部分时，所述激光器的激光脉冲输出频率减少。
9.根据权利要求1-8任一所述的激光雷达，其特征在于，所述收发结构还包括一反射镜，所述反射镜包括反射镜本体和一通孔，所述通孔于所述激光器同轴设置，所述反射镜设置在所述收发结构靠近所述激光器的一端，所述垂直视场调节单元设置在所述收发结构远离所述激光器的一端；
或者，所述收发结构还包括一偏振分光片和一四分之一波片，所述偏振分光片设置在所述收发结构靠近所述激光器的一端，所述垂直视场调节单元设置在所述收发结构远离所述激光器的一端，所述四分之一波片设置在所偏振分光片和所述垂直视场调节单元之间。
10.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述垂直视场调节单元采用一维振镜或二维振镜；
所述探测器采用雪崩光电二极管。
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