CN109444848B - 扫描装置及其扫描方法、激光雷达 - Google Patents

Abstract

一种扫描装置及其扫描方法、激光雷达，所述扫描装置包括：第一扫描单元，所述第一扫描单元适宜于使入射光束的传播方向发生第一偏转形成出射光束，所述第一扫描单元通过转动或者摆动的方式改变所述第一偏转的偏转角度大小；第二扫描单元，所述第二扫描单元位于所述入射光束和所述出射光束中至少一个的光路中，所述入射光束或所述出射光束透射所述第二扫描单元时，所述第二扫描单元基于电光效应使透射的光束的传播方向发生第二偏转。所述扫描装置不仅能够实现延迟角补偿，还能够有效缩短单次探测的时间，有效提高扫描频率，有利于实现高扫描频率和高相干效率的兼顾。

Description

扫描装置及其扫描方法、激光雷达

技术领域

本发明涉及激光探测领域，特别涉及一种扫描装置及其扫描方法、激光雷达。

背景技术

激光雷达是一种常用的测距传感器，具有探测距离远、分辨率高、受环境干扰小等特点，广泛应用于智能机器人、无人机、无人驾驶等领域。近年来，自动驾驶技术发展迅速，激光雷达作为其距离感知的核心传感器，已不可或缺。

目前大部分激光雷达通过连续旋转或来回摆动的方式实现出射光束的扫描。在收发共路的激光雷达中，扫描装置不仅需要实现出射光束的扫描，还需实现经待探测目标反射所形成回波光束的收集。由于扫描装置的持续转动，光束经目标反射后，扫描装置接收回波光束时的角度已经与扫描光束出射时的角度有一定的差异，即扫描装置产生延迟角。

延迟角的大小与待测目标的距离相关。特别地，基于相干探测的激光雷达中，激光雷达的相干探测是基于本振光和经待测目标反射所形成回波光之间的相干信号实现，而且相干信号的信噪比正比于本振光与回波光之间的波前匹配程度。因此为了提高本振光与回波光之间的相干效率以保证相干信号的信噪比，必须进行角度补偿，抑制延迟角引起的相干效率下降。

但是现有技术中，能够实现角度补偿的激光雷达***往往存在扫描频率过低的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种扫描装置及其扫描方法、激光雷达，在保证角度补偿效果的同时，提高激光雷达的扫描频率。

为解决上述问题，本发明提供一种扫描装置，包括：

第一扫描单元，所述第一扫描单元适宜于使入射光束的传播方向发生第一偏转形成出射光束，所述第一扫描单元通过转动或者摆动的方式改变所述第一偏转的偏转角度大小；第二扫描单元，所述第二扫描单元位于所述入射光束和所述出射光束中至少一个的光路中，所述入射光束或所述出射光束透射所述第二扫描单元时，所述第二扫描单元基于电光效应使透射的光束的传播方向发生第二偏转。

可选的，所述第二扫描单元包括电光晶体，所述电光晶体为线性电光晶体和非线性电光晶体中的至少一种。

可选的，所述电光晶体为非线性电光晶体；所述电光晶体的二次电光系数的数量级在10^-14m²/V²到10^-15m²/V²范围内。

可选的，所述电光晶体包括：钽铌酸钾晶体、钽铌酸钾锂晶体和钽铌酸钾钠晶体中的至少一种。

可选的，所述第一扫描单元通过摆动的方式改变所述出射光束的传播方向，所述第一扫描单元包括：振镜和摆镜中的至少一种；所述第一扫描单元通过转动的方式改变所述出射光束的传播方向，所述第一扫描单元包括：转镜。

可选的，所述第一扫描单元具有绕第一扫描轴摆动的第一反射面；所述第二扫描单元包括：第一电光晶体，所述第二偏转包括第一电光晶体使透射的光束绕第一偏转轴旋转；所述第一偏转轴与所述第一扫描轴相平行。

可选的，所述第一扫描单元具有绕第一扫描轴摆动的第一反射面以及绕第二扫描轴摆动的第二反射面，所述第一扫描轴与所述第二扫描轴不平行；所述第一反射面的摆动频率与所述第二反射面的摆动频率的比值小于或等于预设值；所述第二扫描单元包括：沿光路依次设置的第一电光晶体和第二电光晶体，所述第二偏转包括第一电光晶体使透射的光束绕第一偏转轴旋转；所述第二电光晶体使透射的光束绕第二偏转轴旋转；所述第一偏转轴与所述第二偏转轴不平行；所述第一偏转轴平行于所述第一扫描轴；所述第二偏转轴平行于所述第二扫描轴。

可选的，所述第一扫描单元具有绕第一扫描轴摆动的第一反射面以及绕第二扫描轴摆动的第二反射面，所述第一扫描轴与所述第二扫描轴相互垂直；所述第一反射面的摆动频率与所述第二反射面的摆动频率的比值大于预设值；所述第二扫描单元包括：第一电光晶体，所述第二偏转包括第一电光晶体使透射的光束绕第一偏转轴旋转；所述第一偏转轴平行于所述第一扫描轴。

可选的，所述第二扫描单元具有接收光束入射的输入面；光束垂直投射至所述输入面。

可选的，所述第二扫描单元包括电光晶体；所述电光晶体接收调制电压以实现所述第二偏转；所述调制电压小于100V。

可选的，所述出射光束适宜于形成从所述扫描装置出射的扫描光束，所述扫描光束经待探测目标反射形成回波光束；所述回波光束经采集形成收集光束；所述收集光束经所述第一扫描单元和所述第二扫描单元偏转以形成信号光束；所述收集光束与所述入射光束共路。

可选的，所述第一扫描单元通过连续转动或者摆动改变所述第一偏转的偏转角度大小。

相应的，本发明还提供一种扫描装置的扫描方法，所述扫描装置为本发明的扫描装置，所述扫描方法包括：

利用所述第一扫描单元使所述入射光束发生第一偏转以形成出射光束；使所述第一扫描单元转动或摆动以改变所述第一偏转的偏转角度大小；向所述第二扫描单元提供调制电压，使透射所述第二扫描单元的光束的传播方向基于电光效应发生第二偏转以补偿延迟角。

可选的，所述第二偏转的偏转角度呈周期性变化；所述第二偏转偏转角度的变化周期为电光偏转周期；所述电光偏转周期内，所述第二偏转的偏转角度呈线性变化。

可选的，所述第二偏转的偏转角度呈周期性变化；所述第二偏转偏转角度的变化周期为电光偏转周期；所述第二扫描单元包括电光晶体；所述电光偏转周期内，所述调制电压使所述电光晶体的折射率随时间呈线性变化。

可选的，所述第二扫描单元包括二次电光晶体；所述电光偏转周期内，所述调制电压的平方随时间呈线性变化。

可选的，所述第一扫描单元发生连续的转动或者摆动；所述第一偏转的偏转角度连续变化。

此外，本发明还提供一种激光雷达，包括：本发明的扫描装置。

可选的，所述激光雷达为相干激光雷达。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明技术方案中，所述第一扫描单元使所述入射光束的传播方向发生第一偏转并通过转动或摆动的方式改变所述出射光束的传播方向；所述第二扫描单元基于电光效应使透射的光束的传播方向发生第二偏转以补偿延迟角。所述第二偏转的偏转角度大小与单次探测过程中所产生延迟角的大小相等，偏转方向相反，因此光束的第二偏转能够在单次探测过程中使延迟角得以补偿，所以所述第一偏转和所述第二偏转能够使所述入射光束偏转至所述出射光束的光路维持不变，进而保证所述扫描装置接收的光束的光路与自所述扫描装置出射的光束的光路维持不变；而且，由于电光效应对电信号的变化具有较高的响应速率，因此所述第二偏转中，光束传播方向的改变对电信号具有较高的响应速率，所述第二扫描单元能够以更快的速度实现延迟角补偿。所以，本发明技术方案能够在保证延迟角补偿效果即维持光路不变的前提下，有效缩短单次探测的时间，有利于提高扫描频率，有利于实现高扫描频率和高相干效率的兼顾。

本发明可选方案中，所述电光晶体为非线性电光晶体；所述电光晶体的二次电光系数的数量级在10^-14m²/V²到10^-15m²/V²范围内；例如，钽铌酸钾晶体、钽铌酸钾锂晶体和钽铌酸钾钠晶体中的至少一种。所述电光晶体的电光系数较大，电光晶体的电光系数越大，相同电压下，电光晶体的折射率变化越大，因此在所述第二扫描单元中设置电光系数较大的电光晶体，能够以较小的电压，实现较大的折射率变化，使第二偏转的偏转角度较大，所以大电光系数电光晶体的采用，能够有效降低实现电光效应的调制电压，从而在保证延迟角补偿的前提下，达到低压高频的目的。

本发明可选方案中，根据所述第一扫描单元的扫描方向和扫描速度合理设置所述第二扫描单元中电光晶体的位置，能够使第二偏转的偏转方向与所述第一偏转的偏转方向相匹配，使所述第二偏转的偏转方向与所述第一偏转的偏转方向互相平行，能够有效增强所述第二偏转对所述出射光束传播方向的影响，扩大所形成扫描光束传播方向的偏转角度，能够以较小的电压，形成较大偏转角度的扫描光束，能够有效减小施加在所述电光晶体上的调制电压，有利于实现低压高频扫描的目的。

本发明可选方案中，所述调制电压小于100V。控制调制电压的大小，能够有效降低所述扫描装置的控制电压，有利于实现低压高频扫描的目的，有利于满足车载激光雷达的技术需求。

本发明可选方案中，所述第一扫描单元使所述入射光束发生反射以形成所述出射光束；所述第二扫描单元位于所述入射光束的光路上，即所述第一扫描单元对经第二偏转的所述入射光束进行第一偏转形成所述出射光束，所述入射光束在第二偏转过程中的偏转角度会在所述第一偏转过程中得以放大，从而能够以较小的第二偏转的偏转角度，形成更大偏转角度的出射光束，进而能够获得较大偏转角度的扫描光束，能够有效降低引起电光效应所需电压，有利于实现低压高频扫描的目的，有利于满足车载激光雷达的技术需求。

附图说明

图1是本发明扫描装置第一实施例的光路结构示意图；

图2是本发明扫描装置第二实施例的光路结构示意图；

图3是本发明扫描方法一实施例中所采用信号的时序示意图；

图4是图3所示扫描方法实施例中第一偏转的偏转角度、第二偏转的偏转角度以及扫描角度与时间的关系图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中能够实现角度补偿的激光雷达***存在扫描频率过低问题。现结合激光雷达***实现角度补偿的方法分析其扫描频率过低问题的原因：

目前激光雷达中，抑制延迟角的方法主要分为两类：步进扫描和本地角度补偿。其中，步进扫描是指使用非连续的扫描方式，扫描装置在单次探测过程中保持不变，直至下一次探测。具体的，现有的激光雷达通过借助于步进电机或者液晶光波导等电光器件实现扫描。

本地角度补偿是指在扫描装置扫描的同时，利用另一反射装置实时的调整本振光的方向，以保证本振光和信号光的波前匹配；而反射装置实时调整本振光方向的做法通常借助于伺服电机实现。

无论是步进扫描的方式，还是本地角度补偿的方式，在兼顾角度补偿和扫描的技术方案中，扫描的频率都会受到现有电机频率的限制，从而出现单次探测时间较长，大多为毫秒量级的缺点。

特别是在自动驾驶领域中，激光雷达的帧频和空间分辨率的技术要求较高，单次探测时间很短，大多为几个微秒，因此传统的步进电机或者伺服电机已无法满足需求，从而出现扫描频率过低、单次探测时间过长的问题。

为解决所述技术问题，本发明提供一种扫描装置，包括：

第一扫描单元，所述第一扫描单元适宜于使入射光束的传播方向发生第一偏转形成出射光束，所述第一扫描单元通过转动或者摆动的方式改变所述出射光束的传播方向；第二扫描单元，所述第二扫描单元位于所述入射光束和所述出射光束中至少一个的光路中，所述入射光束或所述出射光束透射所述第二扫描单元时，所述第二扫描单元基于电光效应使透射的光束的传播方向发生第二偏转。所述扫描装置不仅能够实现单次探测过程中的延迟角补偿，还能够有效缩短单次探测的时间，有效提高扫描频率，有利于实现高扫描频率和高相干效率的兼顾。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图1，示出了本发明扫描装置第一实施例的光路结构示意图。

所述扫描装置100包括：

第一扫描单元110，所述第一扫描单元110适宜于使入射光束121的传播方向发生第一偏转形成出射光束119，所述第一扫描单元110通过转动或者摆动的方式改变所述出射光束119的传播方向；第二扫描单元120，所述第二扫描单元120位于所述入射光束121和所述出射光束119中至少一个的光路中，所述入射光束121或所述出射光束119透射所述第二扫描单元120时，所述第二扫描单元120基于电光效应使透射的光束的传播方向发生第二偏转。

所述第二偏转的偏转角度大小与探测过程中所产生的延迟角相等，偏转方向相反，因此光束的第二偏转能够在单次探测过程中使延迟角得以补偿，所以所述第一偏转和所述第二偏转能够使所述入射光束121偏转至所述出射光束119的光路维持不变，进而保证所述扫描装置100接收的光束的光路与自所述扫描装置100出射的光束的光路维持不变。

而且，由于电光效应对电信号的变化具有较高的响应速率，因此所述第二偏转中，光束传播方向的改变对电信号具有较高的响应速率，所述第二扫描单元120能够以更快的速度实现延迟角补偿。

所以，所述扫描装置100能够在保证延迟角补偿效果即维持光路不变的前提下，有效缩短单次探测的时间，有利于提高扫描频率，有利于实现高扫描频率和高相干效率的兼顾。

如图1所示，本实施例中，所述扫描装置100接收收发装置130产生的初始光束138，以形成所述入射光束121。

本实施例中，所述收发装置130和所述扫描装置100为相干激光雷达中的收发装置和扫描装置，因此所述收发装置130为相干收发装置，以获得高角分辨率、高距离分辨率、强抗干扰能力等优势。所以从产生光束的光源(图中未示出)和所述扫描装置100之间的光路中还设置有分光装置(图中未示出)，所述分光装置用于形成本振光束以进行相干探测。具体的，本发明对所述本振光束的形成并不限定。

需要说明的是，所述扫描装置100还可以包括图1中并未示出的光阑、透镜或者透镜组等其他光学元器件，以接收所述初始光束138形成所述入射光束121。

所述第一扫描单元110使所述入射光束121的传播方向发生第一偏转形成出射光束119，并通过转动或摆动的方式改变所述第一偏转的偏转角度大小，从而形成传播方向不同的出射光束119。

本实施例中，所述第一扫描单元110通过摆动的方式改变所述出射光束119的传播方向，所述第一扫描单元110包括：振镜和摆镜中的至少一种。

具体的，所述第一扫描单元110包括：振镜。振镜具有高精度、高速度以及高集成度的特点，因此将所述第一扫描单元110设置为振镜，不仅能够有效提高所述扫描装置100的扫描频率，还能够有效控制设备的集成度和光路精度。

所述第一扫描单元110使所述入射光束121发生反射以形成所述出射光束119。具体的，如图1所示，所述第一扫描单元110包括一维振镜。所述第一扫描单元110具有绕第一扫描轴117摆动的第一反射面(图中未标示)。所述入射光束121在所述第一反射面上发生反射以形成所述出射光束119。

需要说明的是，本实施例中，设置所述第一扫描单元110为振镜的做法仅为一实例。本发明其他实施例中，所述第一扫描单元还可以设置为摆镜。此外，本发明另一些实施例中，所述第一扫描单元通过转动的方式改变所述出射光束的传播方向，所述第一扫描单元包括：转镜。

随着所述第一反射面的摆动，所述入射光束121投射至所述第一反射面的入射角大小会随之变化，所形成出射光束119的反射角大小也随之变化，即所述第一偏转的偏转角度大小会随着所述第一反射面的摆动发生改变，从而使所形成出射光束119的传播方向也随之变化。

本实施例中，所述第一扫描单元110通过连续转动或者摆动改变所述第一偏转的偏转角度大小。使所述第一扫描单元110连续转动或者摆动以改变所述第一偏转的偏转角度大小，避免第一扫描单元110的转动或者摆动受到电机频率的限制，从而为缩短单次探测时间、提高扫描频率创造条件。

具体的，如图1所示，所述第一反射面绕所述第一扫描轴117连续摆动，所述入射光束121投射至所述第一反射面的入射角大小会呈现连续的周期性变化，所述出射光束119的反射角大小也会呈现周期性的连续变化。

所述第二扫描单元120位于所述入射光束121和所述出射光束119中至少一个的光路上，所述第二扫描单元120适宜于透射所述入射光束121或所述出射光束119，并基于电光效应使透射的光束的传播方向发生第二偏转以补偿延迟角。

所述第二偏转的偏转角度大小与延迟角大小相等，方向相反，从而能够在单次探测过程中对延迟角进行补偿；在单次探测过程中，所述第一偏转和所述第二偏转能够使所述入射光束121偏转至所述出射光束119的光路维持不变，进而保证所述扫描装置100接收的光束的光路与自所述扫描装置100出射的光束的光路维持不变。

由此可见，虽然所述第一偏转的偏转角度大小会随着所述第一扫描单元110的转动或摆动改变，所述第二偏振的偏转角度大小会基于所述第二扫描单元120中的电光效应而改变，但是在单次探测过程中，所述第一偏转和所述第二偏转合成的角度维持恒定，即所述入射光束121至所述出射光束119之间的偏转角度维持恒定，也就是说，所述扫描装置100的等效光路维持不变；因此，在单次探测过程中，从所述扫描装置100接收的光束的光路与自所述扫描装置100出射的光束的光路维持不变，自所述扫描装置100出射的光束的传播方向维持恒定。

如图1所示，本实施例中，在单次探测过程中，所述第一偏转和所述第二偏转能够维持所述初始光束138与扫描光束190之间光路不变，保证所述扫描光束190传播方向恒定。

而且，所述第二偏转是基于电光效应而发生的，因此第二偏转中，光束传播方向的改变对电信号具有较高的响应速率，所述第二扫描单元120能够以更快的速度实现延迟角补偿。快速的延迟角补偿，使缩短维持所述扫描装置100等效光路不变的时间成为可能，使维持扫描装置100等效光路不变摆脱电机频率限制成为可能，从而有利于缩短单次探测的时间，有利于提高扫描频率，有利于实现高扫描频率和高相干效率的兼顾。

本实施例中，所述第一扫描单元110通过连续转动或者摆动改变所述第一偏转的偏转角度大小。因此所述扫描装置100能够摆脱伺服电机、步进电机等电机频率对扫描频率的限制，有利于实现高扫描频率和高相干效率的兼顾。

具体的，电光效应是指物质的折射率因外加电场而发生变化的现象，电光效应包括泡克耳斯效应(Pockels Effect)和克尔效应(Kerr Effect)。其中，折射率与外加电场强度的一次方成正比而变化的现象为泡克耳斯效应或线性电光效应；折射率与外加电场强度的二次方成正比而变化的现象为克尔效应或二次电光效应。

电光效应对电信号的变化具有较高的响应速率，因此所述第二偏转的偏转角度对电信号具有较高的响应速率，所以所述第二扫描单元120能够以更快的速度实现延迟角补偿；所以，所述扫描装置100能够在保证延迟角补偿效果即维持光路不变的前提下，有效缩短单次探测的时间，从而有利于提高扫描频率，有利于实现高扫描频率和高相干效率的兼顾。

其中，所述第二扫描单元120包括电光晶体，所述电光晶体为线性电光晶体和非线性电光晶体中的至少一种。具体的，所述入射光束121在透射所述电光晶体的过程中发生第二偏转。

需要说明的是，所述第二扫描单元120具有接收光束入射的输入面；光束垂直投射至所述输入面。使光束垂直入射，能够有效简化所述扫描装置100的光路，有利于降低光路调整难度。

本实施例中，所述电光晶体为非线性电光晶体；所述电光晶体的二次电光系数的数量级在10^-14m²/V²到10^-15m²/V²范围内。其中，所述电光晶体包括：钽铌酸钾晶体、钽铌酸钾锂晶体和钽铌酸钾钠晶体中的至少一种。

所述电光晶体的电光系数较大，电光晶体的电光系数越大，相同电压下，电光晶体的折射率变化越大，因此在所述第二扫描单元120中设置电光系数较大的电光晶体，能够以较小的电压，实现较大的折射率变化，使第二偏转的偏转角度较大，也就是说，要实现相同角度的偏转，较大电光系数的电光晶体所需要电压较小，所以大电光系数电光晶体的采用，能够有效降低保证延迟角补偿效果即维持光路不变所需的电压，从而达到低压高频的目的。

本实施例中，所述电光晶体为钽铌酸钾。钽铌酸钾晶体是目前已知的具有最大二次电光系数的晶体。将所述电光晶体设置为所述钽铌酸钾晶体，在产生相同偏转角度的情况下，能够有效降低所需电压，从而达到低压高频的扫描效果。

本实施例中，所述第二扫描单元120位于所述入射光束121的光路中，所述第一扫描单元110对经第二偏转的所述入射光束121进行第一偏转从而形成所述出射光束119。

本实施例中，将所述第二扫描单元120设置于所述入射光束121的光路上的做法仅为一实例。本发明其他实施例中，所述第二扫描单元也可以设置于所述出射光束的光路上。所述入射光束在受到第一偏转后，形成所述出射光束，所述出射光束透射所述第二扫描单元；在透射所述第二扫描单元的过程中，所述出射光束受到第二偏转以形成所述扫描光束并实现延迟角补偿。

如图1所示，所述第一扫描单元110包括一维振镜，所述第一扫描单元110通过绕第一扫描轴117摆动的第一反射面反射所述入射光束121形成所述出射光束119。因此，所述第二扫描单元120包括：第一电光晶体129，所述第二偏转包括第一电光晶体129使透射的光束绕第一偏转轴旋转；所述第一偏转轴与所述第一扫描轴117相平行。

所述第一偏转轴与所述第一扫描轴117相平行，所述第一扫描轴117垂直于光束发生第二偏转过程中的入射面(入射面是指入射光与入射点处法线所构成的平面)能够使所述第一偏转的偏转方向与所述第二偏转的偏转方向相匹配，所述入射光束121、经第二偏转的所述入射光束121和所述出射光束119共面。这种做法能够有效增强所述第二偏转对所述出射光束119传播方向的影响，能够通过较小的电压获得较大角度变化的出射光束119，能够有效减小所需电压，有利于实现低压高频扫描的目的。

具体的，所述第一电光晶体129呈楔形，具有相互垂直的第一直角面(图中未标示)和第二直角面(图中未标示)以及连接所述第一直角面和所述第二直角面且与所述第一直角面相背的第一斜面(图中未标示)。所述第一直角面朝向所述收发装置130，所述入射光束121垂直投射至所述第一直角面；所述第二直角面平行所述入射光束121设置；所述入射光束121在所述第一斜面上发生折射，发生第二偏转，自所述第一电光晶体129出射。

如图1所示，所述扫描装置100接收所述收发装置130产生的初始光束138，以形成所述入射光束121；所述入射光束121透射所述第二扫描单元120中的第一电光晶体129，经所述第二偏转后投射至所述第一扫描单元110。所以，所述第二扫描单元120位于所述第一扫描单元110和所述收发装置130之间的光路上。

需要说明的是，所述第二扫描单元120基于电光效应使透射的光束发生第二偏转，所述第二扫描单元120包括电光晶体；所述电光晶体接收调制电压以实现所述第二偏转。其中，所述调制电压小于100V。控制调制电压的大小，有利于降低所述扫描装置100的电压，有利于实现低压高频扫描的目的，有利于满足车载激光雷达的技术需求。

所以，所述扫描装置100还可以包括：控制单元(图中未示出)，所述控制单元适宜于向所述电光晶体提供调制电压以实现所述电光效应。所述控制单元与所述第二扫描单元120相连，适宜于向所述第二扫描单元120提供所述调制电压，以使所述第二扫描单元120基于所述电光效应对透射的光束实现第二偏转。

此外，本实施例中，所述控制单元还可以与所述第一扫描单元110相连，所述控制单元还适宜于控制所述第一扫描单元110的转动或摆动，以获得较高的扫描频率和角分辨率。

继续参考图1，所述出射光束119适宜于形成从所述扫描装置100出射的扫描光束190，所述扫描光束190经待探测目标(图中未示出)反射形成回波光束(图中未标示)。

本实施例中，所述扫描装置100应用于收发共路的相干激光雷达中，所述扫描装置100还适宜于接收回波光束以形成信号光束；所述收发装置130还适宜于接收信号光束进行相干探测。

所以，所述回波光束经采集形成收集光束(图中未标示)；所述收集光束经所述第一扫描单元110和所述第二扫描单元120偏转以形成信号光束(图中未标示)；所述收集光束与所述入射光束121共路。

需要说明的是，所述扫描装置100还可以包括图1中并未示出的光阑、透镜或者透镜组等其他光学元件，采集回波光束以形成所述收集光束，所述收集光束经所述第一扫描单元110和所述第二扫描单元120偏转以形成朝向所述收发装置130出射的信号光束；所述收发装置130接收所述信号光束，并结合本振光束，进行相干探测。

由于第二偏转能够实现延迟角的补偿，所述第一偏转和所述第二偏转能够保证所述扫描装置100接收的光束的光路与自所述扫描单元出射的光束的光路维持不变，因此所述回波光束偏转至所述信号光束的光路也保持不变；而且在所述扫描光束190被反射形成所述回波光束的过程中，所述扫描装置接收的光束的光路与自所述扫描单元出射的光束的光路也维持不变。

所以，在单次探测过程中，自所述初始光束138、至所述入射光束121、至所述出射光束119、至所述扫描光束190、至所述回波光束、至所述收集光束以及至所述信号光束的光路始终维持不变，由此可见，虽然所述第一偏转的偏转角度和所述第二偏转的偏转角度均在变化，所述扫描装置100的等效光路在单次探测过程中始终维持不变，即所述扫描装置100相当于以步进的方式在进行扫描。

利用所述扫描装置100进行扫描，能够有效减小延迟角，抑制延迟角的不利影响，有利于改善延迟角所导致的相干效率降低问题，而且能够摆脱伺服电机或者步进电机等电机频率对扫描频率的限制，有利于缩短单次探测的时间，有利于提高扫描频率，有利于实现高扫描频率和高相干效率的兼顾。

参考图2，示出了本发明扫描装置第二实施例的光路结构示意图。

本实施例与前一实施例相同之处，本发明在此不再赘述。本实施例与前述实施例不同之处在于，所述第一扫描单元(图中未示出)具有绕第一扫描轴217x摆动的第一反射面(图中未示出)以及绕第二扫描轴摆动217y的第二反射面(图中未示出)，所述第一扫描轴217x与所述第二扫描轴217y不平行。

本实施例中，所述第一扫描单元为二维振镜和两个一维振镜中的至少一种，以控制光学***复杂程度，并同时实现不同范围上目标的扫描。

此外，所述第一反射面的摆动速率与所述第二反射面的摆动速率相接近，所述第一反射面的摆动频率与所述第二反射面的摆动频率的比值小于或等于预设值(例如，所述预设值可以设置为1左右的数值)。以第一反射面摆动而实现扫描的第一扫描方向上和以第二反射面摆动而实现扫描的第二扫描方向均会出现延迟角问题。

如图2所示，所述第二扫描单元220包括：沿光路设置的第一电光晶体229a和第二电光晶体229b，所述第二偏转包括第一电光晶体229a使透射的光束绕第一偏转轴229ax旋转；所述第二电光晶体229b使透射的光束绕第二偏转轴229by旋转；所述第一偏转轴229ax与所述第二偏转轴229by不平行；所述第一偏转轴229ax平行于所述第一扫描轴217x；所述第二偏转轴229by平行于所述第二扫描轴217y。本实施例中，所述第一扫描轴217x与所述第二扫描轴217y相互垂直，因此所述第一偏转轴229ax与所述第二偏转轴229by也相互垂直。

使所述第一偏转轴229ax平行于所述第一扫描轴217x；使所述第二偏转轴229by平行于所述第二扫描轴217y，也就是说，所述第一扫描轴217x垂直于光束透射第一电光晶体229a的入射面，所述第二扫描轴217y垂直于光束透射第二电光晶体229a的入射面，从而能够使所述第二偏转和所述第一偏转的方向相匹配，从而达到增强所述第二偏转影响、扩大偏转角度的目的，进而实现以较小的电压形成较大偏转角度的效果，有利于降低调制电压，有利于低压高频扫描的实现。

本实施例中，所述第一电光晶体229a和所述第二电光晶体229b均为楔形，且所述第一电光晶体229a和所述第二电光晶体229b相互垂直设置。

具体的，所述第一电光晶体229a具有相互垂直的第一直角面(图中未标示)和第二直角面(图中未标示)以及连接所述第一直角面和所述第二直角面且与所述第一直角面相背的斜面(图中未标示)；所述第二电光晶体229b具有相互垂直的第一直角面(图中未标示)和第二直角面(图中未标示)以及连接所述第一直角面和所述第二直角面且与所述第一直角面相背的斜面(图中未标示)。

所述第一电光晶体229a的第一直角面与所述第二电光晶体229b的第一直角面相互平行；所述第一电光晶体229a的第二直角面与所述第二电光晶体229b的第二直角面相互垂直；所述第一电光晶体229a的斜面与所述第一扫描轴217x相互平行；所述第二电光晶体229b的斜面与所述第二扫描轴217y相互平行。

需要说明的是，本实施例中，所述第一反射面的摆动速率与所述第二反射面的摆动速率相接近的做法仅为示意实例。本发明其他实施例中，所述第一扫描单元还可以以快慢轴的方式进行扫描，即所述第一反射面的摆动速率与所述第二反射面的摆动速率相差较大。具体的，所述第一反射面的摆动频率与所述第二反射面的摆动频率的比值大于预设值(例如，所述预设值可以设置为5、8、10、20、50等相对较大的数值)。

根据延迟角出现的原理，以第一反射面摆动而实现扫描的第一扫描方向上和以第二反射面摆动而实现扫描的第二扫描方向虽然均会出现延迟角问题，但是所述第一扫描方向上的延迟角问题比所述第二扫描方向上的延迟角问题严重很多，也就是说，在这种情况下，延迟角问题主要出现在所述第一扫描方向上。

所以，所述第一扫描单元以快慢轴的方式进行扫描时，所述第二扫描单元包括：第一电光晶体，所述第二偏转包括第一电光晶体使透射的光束绕第一偏转轴旋转；所述第一偏转轴平行于所述第一扫描轴。在以快慢轴的方式进行扫描时，以所述第一电光晶体改善所述第一扫描方向上的延迟角问题，从而既能够适当改善延迟角不利影响，还能够简化光学***结构、提高集成度、降低成本，有利于实现性能和成本的兼顾。

本发明还提供一种扫描装置的扫描方法。

需要说明的是，所述扫描方法是基于本发明扫描装置的扫描方法。结合参考图3，图3示出了本发明扫描方法一实施例所采用信号的时序示意图。

需要说明的是，所述扫描方法所采用的扫描装置为本发明的扫描装置。所以结合参考图1，示出了图3所示扫描方法实施例所采用扫描装置100的光路结构示意图。由于所采用的扫描装置100为本发明的扫描装置，因此所述扫描装置100的具体技术方案参考前述扫描装置100的实施例，本发明在此不再赘述。

所述扫描方法包括：利用所述第一扫描单元110使所述入射光束121发生第一偏转以形成出射光束119；使所述第一扫描单元110转动或摆动以改变所述第一偏转的偏转角度大小。

结合参考图3(A)，图3(A)示出了所述入射光束121的脉冲序列示意图，图中横坐标为时间t，单位为×10^-3s；纵坐标表示入射光束121的强度。

本实施例中，所述扫描方法应用于相干激光雷达中，所述激光雷达利用光脉冲进行扫描。因此所述入射光束121为脉冲信号。

如图1和图3所示，所述收发装置130产生光脉冲信号后，所述初始光束138被所述扫描装置100接收形成所述入射光束121，所述入射光束121经所述扫描装置100偏转形成出射光束119，进而形成扫描光束190从所述扫描装置100发射；所述扫描光束190经待探测目标反射形成的回波光束；所述回波光束经所述扫描装置100收集及偏转后形成信号光束被所述收发装置130接收。一个光脉冲从发射到接收的过程即为单次探测过程。

如图3(A)中图线31所示，在t_a、t_b以及t_c时刻分别产生一个光脉冲信号；t_a时刻至t_b时刻和t_b时刻至t_c时刻之间的时间间隔为扫描时间，本实施例中，扫描时间相等。

当所述第一扫描单元110发生转动或者摆动时，光束所发生第一偏转的偏转角度会随之发生变化。本实施例中，随着第一反射面沿所述第一扫描轴117的摆动，所述入射光束121投射至所述第一反射面的入射角会随之变化，相应的，所形成出射光束119出射的反射角也相应随之变化，进而形成传播方向变化的扫描光束190。

如图3(C)所示，图3(C)中分别示出了图1所示扫描方法实施例中第一偏转偏转角度和第二偏转偏转角度与时间关系图。图中，横坐标表示时间；纵坐标表示光束偏转角度，图线33表示第一偏转的偏转角度时间的关系。

本实施例中，所述第一扫描单元110的转动或者摆动为连续的，即所述第一扫描单元110发生连续的转动或者摆动，也就是说，如图1所示，所述第一反射面绕所述第一扫描轴117发生连续的摆动。因此所述第一偏转的偏转角度连续变化。

具体的，在第一偏转的过程中，入射光束121的偏转角度是关于时间的正弦函数，即：

其中，f为第一扫描单元110中所述第一反射面绕所述第一扫描轴117摆动的频率，

是为所述第一反射面的初始相位，A为第一反射面的摆动角幅度。

由于所述入射光束121为脉冲光束，所述扫描时间小于所述第一扫描单元110的摆动周期，因此在所述第一扫描单元110的每个摆动周期内，具有N次探测，所以所述扫描时间为：1/Nf，第n次探测过程中从所述扫描装置100出射的扫描光束190所扫过的角度范围为：

另一方面，本实施例中，所述扫描方法应用于收发共路的激光雷达中，所述扫描装置100还适宜于接收回波光束以形成信号光束，因此所述扫描光束190所扫过的角度大小，即为在第n次探测过程中，所产生的延迟角，为：

根据延迟角所产生的原因可知，延迟角的大小与待测目标的距离相关；而在实际探测过程中，每次探测开始时待测目标的位置是未知的，因此并不能实现对待测目标进行角度补偿，所以为了改善延迟角的问题，需要在探测开始的同时，即开始进行补偿，即在每次探测过程的整个时间范围内，保证所述扫描装置100接收的光束的光路与自所述扫描单元100出射的光束的光路维持不变。

所述扫描方法还包括：向所述第二扫描单元120提供调制电压，使透射所述第二扫描单元120的光束的传播方向基于电光效应发生第二偏转以补偿延迟角。

所以，所述第二扫描单元120使透射的光束在第n次探测过程中所产生第二偏转的偏转角度为：

由此可见，所述第二偏转的偏转角度呈周期性变化；所述第二偏转偏转角度的变化周期为电光偏转周期，如图3(C)中所示，图线34表示第二偏转的偏转角度与时间的关系，所述电光偏转周期是指相邻两次第二偏转的偏转角度为零值之间的时间。需要说明的是，所述第二偏转的偏转角度为零的意思是指由于电光效应而引起的角度偏转为零，并未计入折射、反射等其他光学作用所引起的角度偏转。

具体的，本实施例中，所述电光偏转周期与所述扫描时间相等，以保证在每次探测的整个时间范围内，保持扫描光束190和回波光束偏转角度恒定。

本实施例中，所述扫描装置100适宜于进行匀速扫描，所述扫描光束的扫描角速度是均匀的，第一偏转的偏转角度变化是均匀的。由于所述扫描时间为：1/Nf，所以，在第一扫描单元110每个摆动周期内的第n次探测过程中，所述第二偏转的偏转角度变化速率为：

由此可以知道，如图3(C)中图线34所示，所述第二偏转的偏转角度与时间的关系为：

本实施例中，所述电光偏转周期内，所述第二偏转的偏转角度呈线性变化。第二偏转的偏转角度线性变化，不仅能够保证延迟角补偿效果，提高相干效率，而且光路变化规律简单、扫描控制难度较低，有利于提高光路设置的精度。

具体的，所述第二扫描单元120包括电光晶体，所述调制电压施加于所述电光晶体上以引起所述电光晶体的电光效应。如图1所示，所述第二扫描单元120中，第一电光晶体129的形状为楔形，所述入射光束121在透射第一电光晶体129时，在出射所述第一电光晶体129的表面发生折射以实现所述第二偏转。

结合光的折射原理可以知道，由于所述电光偏转周期内，所述调制电压使所述电光晶体的折射率随时间呈线性变化，所以所述电光偏转周期内，所述调制电压使所述电光晶体的折射率随时间呈线性变化。

结合参考图3(B)，图3(B)示出了图1所示扫描方法实施例中调制电压与时间关系图。图中，横坐标表示时间；纵坐标表示调制电压平方大小，图线32表示第二扫描单元120所接收调制电压与时间的关系。

所以如图3(B)中图线32所示，所述调制电压呈周期性变化，所述调制电压的变化周期与所述电光偏转周期相等，即所述调制电压的变化周期、所述电光偏转周期以及所述扫描时间均相等。

本实施例中，所述第二扫描单元120包括二次电光晶体，即所述第一电光晶体129为二次电光晶体。所述电光偏转周期内，所述调制电压使所述电光晶体的折射率随时间呈线性变化。

根据克尔效应，所述第一电光晶体129的折射率与所述调制电压的关系为：

所述入射光束121的第二偏转的偏转角度与所施加电压的关系为：

其中，L表示光束在所述第一电光晶体129中的光路长度，d表示所述第一电光晶体129的厚度，V表示施加于所述第一电光晶体129上的电压。

因此，在每个变化周期内，所述调制电压的平方随时间呈线性变化，即所述调制电压与时间的平方根线性相关，也就是说，所述电光偏转周期内，所述调制电压的平方随时间呈线性变化。

结合参考图4，示出了图3所示扫描方法实施例中第一偏转的偏转角度、第二偏转的偏转角度以及扫描角度与时间的关系图。

其中，横坐标表示时间，单位为×10^-3s；纵坐标表示光束偏转角度。图线51表示第一偏转的偏转角度与时间的关系；图线52表示第二偏转的偏转角度与时间的关系；图线53表示经第一偏转和第二偏转之后所合成的角度扫描曲线。

如图4所示，由于第二偏转的偏转角度与所形成延迟角大小相等、偏转方向相反，因此单次探测过程中，第二偏转能够实现对延迟角的补偿，从而能够使所合成角度的扫描曲线在电光偏转周期内维持恒定(如图4中t₁和t₂之间的图线53所示)，也就是说，所形成扫描光束与经待测目标反射所形成回波光束之间没有角度差异或角度差异较小。所以基于所述扫描装置100的扫描方法能够有效抑制延迟角的不利影响，能够提高相干效率。

另一方面，由于所述第二偏转是基于电光效应而实现的，所述扫描方法对延迟角补偿的速度与电光效应对电信号的相应速度相关，因此所述扫描方法能够突破电机频率对扫描频率的限制，所以所述扫描方法能够在保证延迟角补偿效果的前提下，有效缩短单次探测的时间，有效提高扫描频率，有利于实现高扫描频率和高相干效率的兼顾。

将所述第一扫描单元110中第一反射面的摆动频率设置为1kHz(即设置振镜的摆动频率为1kHz)，扫描范围为30°；以300m测距的激光雷达为例，单次探测时间为2μs，第一扫描单元110所产生延迟角大小约为：30°×1kHz×2μs＝0.06°。因此所述第二扫描单元120仅需要在2μs内实现0.06°的角度补偿，即所述电光偏转周期为2μs，频率为：1/2μs＝500kHz。

需要注意的是，所述扫描方法应用于相干激光雷达中，所述激光雷达也可以利用连续光进行扫描，在每次探测的时间段内进行上述角度补偿，每次探测的时间段即为探测的重复频率的倒数。

此外，本发明还提供一种激光雷达，所述激光雷达包括：本发明的扫描装置。

具体的，所述激光雷达包括：扫描装置，所述扫描装置为本发明的扫描装置。因此，所述扫描装置的具体技术方案参考前述扫描装置的实施例。本发明在此不再赘述。

本发明一些实施例中，所述激光雷达为相干激光雷达，也就是说，所述激光雷达是基于相干探测的激光雷达。所述激光雷达基于本振光和经待测目标反射所形成回波光之间的相干信号实现扫描探测，具有高角分辨率、高距离分辨率、强抗干扰能力等优势。

由于所述激光雷达的扫描装置为本发明的扫描装置；在每次探测的整个时间范围内，所述第一偏转和所述第二偏转能够保证所述扫描装置接收的光束的光路与自所述扫描单元出射的光束的光路维持不变，所述扫描装置100相当于以步进的方式在进行扫描。所以利用所述扫描装置100进行扫描，能够有效抑制延迟角对相干效率的影响，有利于改善延迟角问题，有利于提高相干效率。

另一方面，由于电光效应对电信号的变化的高速响应，所述第二偏转角度变化的高响应速率，能够更快的速度实现延迟角补偿，从而在保证光路不变的情况下，有利于缩短单次探测的时间，有利于提高扫描频率。

所以所述激光雷达能够在保证延迟角补偿效果，即维持光路不变的前提下，有效缩短单次探测的时间，有利于提高扫描频率，有利于实现高扫描频率和高相干效率的兼顾。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (19)

1.一种扫描装置，包括：

第一扫描单元，所述第一扫描单元适宜于使入射光束的传播方向发生第一偏转形成出射光束，所述第一扫描单元通过转动或者摆动的方式改变所述第一偏转的偏转角度大小；

其特征正在于，还包括：

第二扫描单元，所述第二扫描单元位于所述入射光束和所述出射光束中至少一个的光路中，所述入射光束或所述出射光束透射所述第二扫描单元时，所述第二扫描单元基于电光效应使透射的光束的传播方向发生第二偏转以补偿延迟角；

所述出射光束适宜于形成从所述扫描装置出射的扫描光束，所述扫描光束经待探测目标反射形成回波光束。

2.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述第二扫描单元包括电光晶体，所述电光晶体为线性电光晶体和非线性电光晶体中的至少一种。

3.如权利要求2所述的扫描装置，其特征在于，所述电光晶体为非线性电光晶体；所述电光晶体的二次电光系数的数量级在10^-14m²/V²到10^-15m²/V²范围内。

4.如权利要求2所述的扫描装置，其特征在于，所述电光晶体包括：钽铌酸钾晶体、钽铌酸钾锂晶体和钽铌酸钾钠晶体中的至少一种。

5.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述第一扫描单元通过摆动的方式改变所述出射光束的传播方向，所述第一扫描单元包括：振镜和摆镜中的至少一种；

所述第一扫描单元通过转动的方式改变所述出射光束的传播方向，所述第一扫描单元包括：转镜。

6.如权利要求5所述的扫描装置，其特征在于，所述第一扫描单元具有绕第一扫描轴摆动的第一反射面；

所述第二扫描单元包括：第一电光晶体，所述第二偏转包括第一电光晶体使透射的光束绕第一偏转轴旋转；

所述第一偏转轴与所述第一扫描轴相平行。

7.如权利要求5所述的扫描装置，其特征在于，所述第一扫描单元具有绕第一扫描轴摆动的第一反射面以及绕第二扫描轴摆动的第二反射面，所述第一扫描轴与所述第二扫描轴不平行；

所述第一反射面的摆动频率与所述第二反射面的摆动频率的比值小于或等于预设值；

所述第二扫描单元包括：沿光路依次设置的第一电光晶体和第二电光晶体，所述第二偏转包括第一电光晶体使透射的光束绕第一偏转轴旋转；所述第二电光晶体使透射的光束绕第二偏转轴旋转；所述第一偏转轴与所述第二偏转轴不平行；

所述第一偏转轴平行于所述第一扫描轴；

所述第二偏转轴平行于所述第二扫描轴。

8.如权利要求5所述的扫描装置，其特征在于，所述第一扫描单元具有绕第一扫描轴摆动的第一反射面以及绕第二扫描轴摆动的第二反射面，所述第一扫描轴与所述第二扫描轴相互垂直；

所述第一反射面的摆动频率与所述第二反射面的摆动频率的比值大于预设值；

所述第二扫描单元包括：第一电光晶体，所述第二偏转包括第一电光晶体使透射的光束绕第一偏转轴旋转；所述第一偏转轴平行于所述第一扫描轴。

9.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述第二扫描单元具有接收光束入射的输入面；光束垂直投射至所述输入面。

10.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述第二扫描单元包括电光晶体；所述电光晶体接收调制电压以实现所述第二偏转；所述调制电压小于100V。

11.如权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述回波光束经采集形成收集光束；

所述收集光束经所述第一扫描单元和所述第二扫描单元偏转以形成信号光束；

所述收集光束与所述入射光束共路。

12.如权利要求1～11任意一项所述的扫描装置，其特征在于，所述第一扫描单元通过连续转动或者摆动改变所述第一偏转的偏转角度大小。

13.一种扫描装置的扫描方法，所述扫描装置如权利要求1所述，其特征在于，所述扫描方法包括：

利用所述第一扫描单元使所述入射光束发生第一偏转以形成出射光束；

使所述第一扫描单元转动或摆动以改变所述第一偏转的偏转角度大小；

向所述第二扫描单元提供调制电压，使透射所述第二扫描单元的光束的传播方向基于电光效应发生第二偏转以补偿延迟角。

14.如权利要求13所述的扫描方法，其特征在于，所述第二偏转的偏转角度呈周期性变化；所述第二偏转偏转角度的变化周期为电光偏转周期；

所述电光偏转周期内，所述第二偏转的偏转角度呈线性变化。

15.如权利要求13所述的扫描方法，其特征在于，所述第二偏转的偏转角度呈周期性变化；所述第二偏转偏转角度的变化周期为电光偏转周期；

所述第二扫描单元包括电光晶体，所述电光偏转周期内，所述调制电压使所述电光晶体的折射率随时间呈线性变化。

16.如权利要求15所述的扫描方法，其特征在于，所述第二扫描单元包括二次电光晶体；

所述电光偏转周期内，所述调制电压的平方随时间呈线性变化。

17.如权利要求13～16任意一项所述的扫描方法，其特征在于，所述第一扫描单元发生连续的转动或者摆动；

所述第一偏转的偏转角度连续变化。

18.一种激光雷达，其特征在于，包括：

如权利要求1～12任意一项所述的扫描装置。

19.如权利要求18所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达为相干激光雷达。

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