CN109557550B - 三维固态激光雷达装置及*** - Google Patents

三维固态激光雷达装置及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三维固态激光雷达装置及***，通过线光源产生模块出射水平方向发散的线光源，通过MEMS振镜实现线光源在垂直方向上的扫描，并通过面阵光电传感器接收反射光线，并在线光源在垂直方向上的扫描时依次以对应的行像素组接收反射光线。本实施例的三维固态激光雷达装置通过线光源与MEMS振镜结合组成扫描的面光源，满足了对光源的强度要求，同时通过行像素组接收反射光线，提高了测距的抗干扰度，提高了测距精度，并且结构简单，便于加工。

Description

三维固态激光雷达装置及***
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种三维固态激光雷达装置及***。
背景技术
近年来，激光检测技术由于检测精度高、环境抗干扰能力强等优势，被广泛用于测量、防护、无人驾驶等工业领域中。目前大接收视场的激光雷达都采用机械旋转结构，利用窄视场激光脉光源配合灵活的扫描装置，对被测对象进行逐点的扫描，将数据按照顺序还原成目标的距离图像。进行三维扫描时，需要存在两个维度的扫描，结构复杂，成本较高，且分辨率不高。因此固态雷达应运而生。全固态雷达内部没有任何宏观或微观上的运动部件，耐久性和可靠性的优势不言而喻，且顺应了自动驾驶对雷达固态化、小型化和低成本化的趋势，因此成为车用激光雷达的趋势。
固态激光雷达主要包括面阵相控阵和FLASH固态雷达。其中面阵相控阵采用多个光源组成阵列，通过控制各光源发射的时间差，就能合成角度灵活，且精密可控的主光束，但是易形成旁瓣且加工难度高，制造工艺难度较大，目前还处于实验室阶段。FLASH固态雷达按照扫描维度来分，可以为二维点阵FLASH、三维面阵FLASH，发明专利CN201810227818中提出多个发射组件拼接光斑配合一个MEMS进行二维扫描，实现的技术难度较大且扫描效率，而且仅仅只是增大了拼接方向上的扫描视场角度；发明专利CN201711082437中提出了阵列激光光源依次发光，配合整列APD进行扫描，扫描效率不高，且光源之间的测距一致性难以保证。
发明内容
本发明提供一种三维固态激光雷达装置及***，以提高固态激光雷达的测距精度，并且结构简单，便于加工。
本发明的第一方面是提供一种三维固态激光雷达装置，包括：线光源产生模块、MEMS振镜、以及面阵光电传感器；
所述线光源产生模块至少设置有一个，用于出射水平方向发散的线光源；
所述MEMS振镜的数量与所述线光源的数量相同，通过每一所述MEMS振镜实现对应的所述线光源在垂直方向上的扫描；
所述面阵光电传感器的用于接收所述线光源的反射光线，并在所述线光源在垂直方向上的扫描时依次以对应的行像素组接收所述反射光线。
进一步的，所述三维固态激光雷达装置还包括选通单元，所述选通单元用于在所述线光源在垂直方向上的扫描时依次选通所述面阵光电传感器中对应的行像素组。
进一步的，所述线光源产生模块设置有X个，在垂直方向上排列，其中X为大于1的正整数；
所述面阵光电传感器在垂直方向上划分为X个接收区域，每一所述接收区域对应接收一所述线光源产生模块在垂直方向上的扫描时出射的线光源的反射光线。
进一步的，在各所述线光源产生模块在垂直方向上的扫描时，所述选通单元同时选通每一所述接收区域中对应的行像素组，以接收各所述线光源产生模块出射的线光源的反射光线。
进一步的，各所述线光源产生模块在垂直方向上的扫描时，各所述MEMS振镜控制相邻的线光源的扫描角度保持第一预设间隔，以避免相互干扰。
进一步的，所述面阵光电传感器具有m列×n行个像素，每一像素覆盖a°×b°视场角；
所述线光源为线性均匀分布的条状光源，所述条状光源的水平发散角大于m×a°，垂直发散角大于b°；或者
所述线光源为m个均匀分布的条状光源点，每一所述条状光源点的水平发散角大于a°，垂直发散角大于b°。
进一步的，所述线光源为固体激光器或半导体激光器VCSEL经过二元光学元器件转变为线性均匀分布的条状光源或均匀分布的条状光源点；和/或
所述面阵光电传感器为硅光电倍增器SiPM阵列。
本发明的第二方面是提供一种三维固态激光雷达***，包括多个如第一方面所述的三维固态激光雷达装置，多个所述三维固态激光雷达装置构成360度的水平扫描视场。
进一步的，相邻的所述三维固态激光雷达装置存在相互叠加的水平视场角。
进一步的，相邻的所述三维固态激光雷达装置中的线光源在垂直方向上的扫描时扫描角度保持第二预设间隔，以避免相互干扰。
进一步的，相邻的所述三维固态激光雷达装置经过测距误差校正，以便于实现相邻的所述三维固态激光雷达装置的扫描结果的拼接。
本发明提供的三维固态激光雷达装置及***，通过线光源产生模块出射水平方向发散的线光源，通过MEMS振镜实现线光源在垂直方向上的扫描，并通过面阵光电传感器接收反射光线，并在线光源在垂直方向上的扫描时依次以对应的行像素组接收反射光线。本实施例的三维固态激光雷达装置通过线光源与MEMS振镜结合组成扫描的面光源，满足了对光源的强度要求，同时通过行像素组接收反射光线，提高了测距的抗干扰度，提高了测距精度，并且结构简单，便于加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的三维固态雷达装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的线光源产生模块的示意图；
图3为本发明另一实施例提供的线光源产生模块的示意图；
图4为本发明实施例提供的三维固态雷达***的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，本发明实施例所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1为本发明实施例提供的三维固态激光雷达装置的结构示意图。本实施提供了一种三维固态激光雷达装置，所述三维固态激光雷达装置具体包括：线光源产生模块、MEMS振镜、以及面阵光电传感器。
其中，所述线光源产生模块至少设置有一个，用于出射水平方向发散的线光源；
所述MEMS振镜的数量与所述线光源的数量相同，通过每一所述MEMS振镜实现对应的所述线光源在垂直方向上的扫描；
所述面阵光电传感器的用于接收所述线光源的反射光线，并在所述线光源在垂直方向上的扫描时依次以对应的行像素组接收所述反射光线。
在本实施例中，线光源产生模块可产生水平方向上发散的线光源，其中每一线光源产生模块可产生一个线光源，其中线光源可以为线性均匀分布的条状光源或均匀分布的条状光源点。
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)振镜，通过微电子工艺将微光反射镜与MEMS驱动器集成在芯片上，由MEMS驱动器驱动微光反射镜旋转，实现机械机构的微型化、电子化。本实施例中通过MEMS振镜实现线光源在垂直方向上的扫描。本实施例中MEMS振镜的数量与线光源的数量相同，也即每一MEMS振镜用于实现一个线光源在垂直方向上的扫描。
面阵光电传感器包括多个独立的光电传感器以阵列的方式排布，每一独立的光电传感器构成一个像素。本实施例中，面阵光电传感器可以为硅光电倍增器SiPM阵列。
如图1所示，所述三维固态激光雷达装置包括线光源产生模块11、线光源产生模块12、MEMS振镜21、MEMS振镜22、以及面阵光电传感器30，线光源产生模块11和线光源产生模块12在在垂直方向上排列，MEMS振镜21用于实现线光源产生模块11在垂直方向上的扫描，MEMS振镜22用于实现线光源产生模块12在垂直方向上的扫描，由面阵光电传感器30接收线光源产生模块11和线光源产生模块12出射的线光源的反射光线。多个线光源可以同时在垂直方向上扫描，既可增加垂直视场角，也可增加扫描的频率。
此外，所述三维固态激光雷达装置还可包括准直装置40和汇聚装置50，准直装置40用于对出射的线光源进行准直，汇聚装置50用于对反射光线进行汇聚。
本实施例中，线光源产生模块发出水平方向发散的线光源，经过MEMS振镜折射，当MEMS振镜的微光反射镜在旋转时，实现线光源在垂直方向上进行小角度的扫描。而反射光线则由面阵光电传感器接收，由于线光源是水平方向的，因此面阵光电传感器仅以一行或多行像素组接收反射光线，当线光源在垂直方向上扫描时，例如线光源由上向下扫描，则面阵光电传感器依次以对应的行像素组接收反射光线，也即面阵光电传感器依次由上到下依次以不同的行像素组接收反射光线。
本实施例的三维固态激光雷达装置，通过线光源产生模块出射水平方向发散的线光源，通过MEMS振镜实现线光源在垂直方向上的扫描，并通过面阵光电传感器接收反射光线，并在线光源在垂直方向上的扫描时依次以对应的行像素组接收反射光线。本实施例的三维固态激光雷达装置通过线光源与MEMS振镜结合组成扫描的面光源，满足了对光源的强度要求，同时通过行像素组接收反射光线，提高了测距的抗干扰度，提高了测距精度，并且结构简单，便于加工。
进一步的，如图1所示，所述三维固态激光雷达装置还可包括选通单元60，所述选通单元60用于在所述线光源在垂直方向上的扫描时依次选通所述面阵光电传感器中对应的行像素组。
在本实施例中，在进行垂直方向扫描时，每扫描一个分辨率时则通过选通单元60选通面阵光电传感器中对应的行像素组，而其他的行像素组则不工作，从而可以避免其他行像素组误触发，排除其他外界环境的干扰，提高三维固态激光雷达装置的精度。
在上述实施例的基础上，所述线光源产生模块设置有X个，在垂直方向上排列，其中X为大于1的正整数；
所述面阵光电传感器在垂直方向上划分为X个接收区域，每一所述接收区域对应接收一所述线光源产生模块在垂直方向上的扫描时出射的线光源的反射光线。
本实施例中，线光源产生模块设置有多个，在垂直方向上排列，例如图1中线光源产生模块有两个，可同时在垂直方向上的扫描。
因此，面阵光电传感器在垂直方向上划分为与线光源产生模块数量相同的多个接收区域，每一接收区域对应接收一线光源产生模块的反射光线，也即三维固态激光雷达装置的垂直视场角由多个线光源的扫描角度范围构成。其中多个接收区域可按照每一线光源的扫描角度范围进行划分，若各线光源的扫描角度范围相同，则对面阵光电传感器进行平均划分接收区域。
进一步的，在各所述线光源产生模块在垂直方向上的扫描时，所述选通单元同时选通每一所述接收区域中对应的行像素组，以接收各所述线光源产生模块出射的线光源的反射光线。
在本实施例中，当各线光源在垂直方向上的扫描时，同样的需要由选通单元选通每一接收区域中对应的行像素组，例如第一线光源由上至下进行扫描时，选通单元依次由上至下选通第一接收区域中的行像素组，第二光源由上至下进行扫描时，选通单元同时也需要依次由上至下选通第二接收区域中的行像素组。
进一步的，各所述线光源产生模块在垂直方向上的扫描时，各所述MEMS振镜控制相邻的线光源的扫描角度保持第一预设间隔，以避免相互干扰。
在本实施例中，为了避免多个线光源产生模块在垂直方向上的扫描时相互之间产生干扰，各相邻的线光源的扫描角度需要保持一定的间隔，换个角度而言，选通单元不同时选通相邻两个接收区域中的交界处的行像素组(例如第一接收区域和第二接收区域相邻，第一接收区域最下面的行像素组和第二接收区域最上面的行像素组为交界处的行像素组)。
在上述实施例的基础上，所述面阵光电传感器具有m列×n行个像素，每一像素覆盖a°×b°视场角。
在本实施例中，三维固态激光雷达装置的水平视场角为m×a°，垂直视场角为n×b°。
在一可选示例中，如图2所示，所述线光源为线性均匀分布的条状光源，所述条状光源的水平发散角大于m×a°，垂直发散角大于b°。
在本实施例中，线光源为条状光源，并且条状光源的水平发散角要覆盖所需要的水平视场角m×a°，也即条状光源的水平发散角大于m×a°，从而覆盖面阵光电传感器的一个行像素组，行像素组即可完整的接收到条状光源的反射光线。其中优选的，条状光源的垂直发散角为1.2b°。
在另一可选示例中，如图3所示，所述线光源为m个均匀分布的条状光源点，每一所述条状光源点的水平发散角大于a°，垂直发散角大于b°。
在本实施例中，线光源由m个条状光源点构成，每一条状光源点对应面阵光电传感器的一个行像素组中的一个像素，条状光源点的水平发散角大于a°，垂直发散角大于b°，由条状光源点构成的线光源的水平发散角大于m×a°，覆盖所需要的水平视场角m×a°，从而覆盖面阵光电传感器的一个行像素组，行像素组即可完整的接收到条状光源的反射光线。优选的，条状光源点的水平发散角为1.2a°，垂直发散角为1.2b°。
以图1为例，面阵光电传感器30为144×262个像素，其中一个行像素组为144个行像素点，每个像素覆盖0.17°×0.17°视场角。也即激光雷达的视场角为24.48°×44.54°。
线光源产生模块11、线光源产生模块12发射的线光源在垂直发散角为0.3°，水平发散角为25°。线光源刚好能够对应面阵光电传感器30中262个行像素组中的一组。
MEMS振镜21实现线光源产生模块11在垂直方向上的扫描角度范围为22.27°，面阵光电传感器30上半部分为光源模块11对应的接收区域，包括131个行像素组，MEMS振镜21每次扫描的分辨率为0.085°。
MEMS振镜22实现线光源产生模块12在垂直方向上的扫描角度范围为22.27°，面阵光电传感器30下半部分为光源模块12对应的接收区域，包括131个行像素组，MEMS振镜22每次扫描的分辨率为0.085°。
在上述实施例的基础上，所述线光源为固体激光器或半导体激光器VCSEL经过二元光学元器件转变为线性均匀分布的条状光源或均匀分布的条状光源点。
也即本实施例中，线光源产生模块包括激光发射器70、以及二元光学元器件80，激光发射器可以为固体激光器或半导体激光器VCSEL，可通过二元光学元器件80将高斯强度分布的点光源变成线性均匀分布的条状光源或均匀分布的条状光源点，分别如图2和图3所示。当然也可为其他的线光源发射装置。
本实施例中，面阵光电传感器可以为硅光电倍增器SiPM阵列。
本实施例的三维固态激光雷达装置，通过线光源产生模块出射水平方向发散的线光源，通过MEMS振镜实现线光源在垂直方向上的扫描，并通过面阵光电传感器接收反射光线，并在线光源在垂直方向上的扫描时依次以对应的行像素组接收反射光线。本实施例的三维固态激光雷达装置通过线光源与MEMS振镜结合组成扫描的面光源，满足了对光源的强度要求，同时通过行像素组接收反射光线，提高了测距的抗干扰度，提高了测距精度，并且结构简单，便于加工。并且多个线光源可以同时在垂直方向上扫描，既可增加垂直视场角，也可增加扫描的频率。
图4为本发明实施例提供的三维固态激光雷达***的结构示意图。该三维固态激光雷达***包括多个如上述实施例所述的三维固态激光雷达装置，多个所述三维固态激光雷达装置构成360°的水平扫描视场。
如图4所示，所述三维固态激光雷达***包括4个三维固态激光雷达装置，四个三维固态激光雷达装置分别朝向四个方向阵列，也即该三维固态激光雷达***包括4个线光源产生模块100、200、300、400，4个MEMS振镜，4个面阵光电传感器500、600、700、800(作为示意，图4中未绘制MEMS振镜，并且每一三维固态激光雷达装置仅包括一个线光源产生模块)，也即其中每一三维固态激光雷达装置的水平视场角至少为90°，阵列组合构成360°的水平扫描视场，形成一个360°扫描的三维固态激光雷达***。当然三维固态激光雷达***并不限于4个，可根据三维固态激光雷达的水平视场角来选择合适的个数，此外，若三维固态激光雷达***不需要360°的水平扫描视场，例如需要180°的水平扫描视场，则可由两个水平视场角至少为90°的三维固态激光雷达装置构成。
进一步的，相邻的所述三维固态激光雷达装置存在相互叠加的水平视场角。
在本实施例中，由于多个所述三维固态激光雷达装置需要构成360°的水平扫描视场，因此相邻的三维固态激光雷达装置存在相互叠加的水平视场角，以便于扫描结果的拼接，形成360°的扫描结果。优选的，相互叠加的水平视场角对应面阵光电传感器的一个像素或多个像素。
具体的，面阵光电传感器180列×180行个像素，其中一个行像素组有180个行像素点，每个像素覆盖0.5°×0.5°视场角。相邻的三维固态激光雷达装置叠加的水平视场角为0.5°，也即对应面阵光电传感器的一个像素，可便于扫描结果的拼接的计算。
进一步的，相邻的所述三维固态激光雷达装置中的线光源在垂直方向上的扫描时扫描角度保持第二预设间隔，以避免相互干扰。
在本实施例中，由于相邻的三维固态激光雷达装置存在相互叠加的水平视场角，因此各线光源在垂直方向上的扫描时扫描角度尽量保持存在一定间隔，避免相互产生干扰，尤其是对于叠加区域。本实施例中相邻的线光源扫描角度的间隔可以相同，当然也可不同。
更具体的，以上述实施例中180列×180行个像素的面阵光电传感器为例，可以将面阵光电传感器将每一平均划分为4个部分，也即列180×行(0-45)、列180×行(46-90)、列180×行(91-145)和列180×行(146-180)四个部分。
4个线光源产生模块同时工作，选通单元控制4个MEMS振镜使得线光源产生模块100的线光源从列180×行0开始往列180×行45方向上扫描，线光源产生模块200的线光源从列180×行46开始往列180×行90方向上扫描，线光源产生模块300的线光源从列180×行90开始往列180×行145方向上扫描，线光源产生模块400的线光源从列180×行145开始往列180×行180方向上扫描，避免相互之间存在干扰。
进一步的，相邻的所述三维固态激光雷达装置经过测距误差校正，以便于实现相邻的所述三维固态激光雷达装置的扫描结果的拼接。
在本实施例中，由于三维固态激光雷达装置的扫描结果需要拼接才能形成360°的扫描结果，因此相邻的三维固态激光雷达装置的测距结果需要保持一致，也即三维固态激光雷达装置对于同一物体进行测距时，对应的每一像素的测距结果应该相同。
4个线光源产生模块相互叠加发射视场角会导致4条线光源的边缘分别在相邻的所述面阵光电传感器对应边缘列像素组进行测距：以相邻的第一三维固态激光雷达装置和第二三维固态激光雷达装置为例，第一线光源产生模块产生的180点，第一面阵光电传感器的行像素第180像素点和第二面阵光电传感器第1像素点分别接收其测距信号，两者之间的距离差值D1，依次不同的列对应的差值为D2,D3,…,D180，本实施例中可取差值的平均值
Figure BDA0001920019880000101
用于在图像边缘拼接时，消除不同面阵光电传感器在成像上的差距。
本发明实施例提供的三维固态激光雷达***包括多个如上述实施例所述的三维固态激光雷达装置，每一三维固态激光雷达装置实现原理和技术效果可以参见上述实施例，此处不再赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种三维固态激光雷达装置，其特征在于，包括：线光源产生模块、MEMS振镜、以及面阵光电传感器；
所述线光源产生模块至少设置有一个，用于出射水平方向发散的线光源；
所述MEMS振镜的数量与所述线光源的数量相同，通过每一所述MEMS振镜实现对应的所述线光源在垂直方向上的扫描；
所述面阵光电传感器的用于接收所述线光源的反射光线，并在所述线光源在垂直方向上的扫描时依次以对应的行像素组接收所述反射光线；
其中，各所述线光源产生模块在垂直方向上的扫描时，各所述MEMS振镜控制相邻的线光源的扫描角度保持第一预设间隔，以避免相互干扰；
其中，还包括选通单元，所述选通单元用于在所述线光源在垂直方向上的扫描时依次选通所述面阵光电传感器中对应的行像素组；
所述线光源产生模块设置有X个，在垂直方向上排列，其中X为大于1的正整数；
所述面阵光电传感器在垂直方向上划分为X个接收区域，每一所述接收区域对应接收一所述线光源产生模块在垂直方向上的扫描时出射的线光源的反射光线。
2.根据权利要求1所述的三维固态激光雷达装置，其特征在于，
在各所述线光源产生模块在垂直方向上的扫描时，所述选通单元同时选通每一所述接收区域中对应的行像素组，以接收各所述线光源产生模块出射的线光源的反射光线。
3.根据权利要求1或2所述的三维固态激光雷达装置，其特征在于，
所述面阵光电传感器具有m列×n行个像素，每一像素覆盖a°×b°视场角；
所述线光源为线性均匀分布的条状光源，所述条状光源的水平发散角大于m×a°，垂直发散角大于b°；或者
所述线光源为m个均匀分布的条状光源点，每一所述条状光源点的水平发散角大于a°，垂直发散角大于b°。
4.根据权利要求1或2所述的三维固态激光雷达装置，其特征在于，
所述线光源为固体激光器或半导体激光器VCSEL经过二元光学元器件转变为线性均匀分布的条状光源或均匀分布的条状光源点；和/或
所述面阵光电传感器为硅光电倍增器SiPM阵列。
5.一种三维固态激光雷达***，其特征在于，包括多个如权利要求1-4任一项所述的三维固态激光雷达装置，多个所述三维固态激光雷达装置构成360度的水平扫描视场。
6.根据权利要求5所述的三维固态激光雷达***，其特征在于，
相邻的所述三维固态激光雷达装置存在相互叠加的水平视场角。
7.根据权利要求5或6所述的三维固态激光雷达***，其特征在于，
相邻的所述三维固态激光雷达装置中的线光源在垂直方向上的扫描时扫描角度保持第二预设间隔，以避免相互干扰。
8.根据权利要求6所述的三维固态激光雷达***，其特征在于，
相邻的所述三维固态激光雷达装置经过测距误差校正，以便于实现相邻的所述三维固态激光雷达装置的扫描结果的拼接。
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