CN113534173A - 激光雷达、使用其的探测方法以及平动扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光雷达，包括：激光发射单元，包括多个激光器的阵列，可发射出探测激光束；发射透镜，设置在激光发射单元的光路下游，可接收探测激光束并整形后出射以探测目标物；接收透镜，接收所述探测激光束在目标物上反射的回波并进行汇聚；回波探测单元，包括多个探测器的阵列，设置在接收透镜的光路下游并接收由接收透镜汇聚的回波；和驱动机构和直线导引机构，其中驱动机构配置成(1)可驱动激光发射单元或发射透镜沿着直线导引机构进行平动，以改变激光发射单元与发射透镜之间沿第一方向的相对位置，和/或(2)可驱动回波探测单元或接收透镜沿着直线导引机构进行平动，以改变回波探测单元与接收透镜之间沿第一方向的相对位置。

Description

激光雷达、使用其的探测方法以及平动扫描方法

技术领域

本公开涉及光电技术领域，尤其涉及一种激光雷达、使用该激光雷达进行探测的方法以及激光雷达的平动扫描方法。

背景技术

在激光雷达***中，发光单元阵列的间距以及发射透镜组往往决定了出射光线的角度；由于发光单元单位面积能量密度的限制或者是受限于互联技术单元之间最小排布间距的限制，出射光线的最小角度分辨率往往无法满足理想分辨率的要求，或者在使用较小排布间距下因为发光能量不足而造成测程不够。通过收发单元错位排布是一种常用的提高分辨率方法，但是采用这种方法需要使用更多的排布面积从而提高了光电器件的成本，而且错位排布的方式往往很难同时兼顾两个维度的分辨率。通过一定的微动扫描是另一种提高分辨率的方法，比如使用焦平面或者光学透镜组平动从而改变像高提高***分辨率，是在超分辨率显微成像、高清显示等常用的一种方法。在超分辨率激光雷达***中，典型的平动量一般在几十微米到几十毫米不等，具体取决于光学***设计以及***分辨率和视场角的需求。

目前，常见的基于收发单元的微动扫描方式包括诸如柔性铰链的扫描机构以及诸如压电驱动器的驱动器。其中以柔性铰链为例，其可以实现二维摆动，收发单元作为负载在柔性铰链末端的平台上，但是较大的扫描角需要柔性铰链具有较大的摆动，从而铰链容易发生机械失效。此外，柔性摆动方式具有固有的谐振频率，如果谐振频率过高，摆幅会非常有限，从而造成所能产生的扫描角有限；如果谐振频率过低，容易被环境振动所激励，从而导致位置精度低抖动大，需要有专门的隔振或抗振***。而对于压电驱动器，虽然可以产生非常大的驱动力，但是位移很小，即使采用位移放大的尺蠖驱动器，一般末端位移也仅有一两百微米量级，难以满足大部分激光雷达应用需求。此外，压电驱动器在较高驱动电压下的输出线性度一般，存在运动滞回特性，因此升压和降压过程中的输出位移往往不重合，存在扫描时间浪费。

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

针对常用微动扫描中存在的机械失效和抵抗振动时稳定性不足等问题，本发明的实施例提出一种成本低、结构简单但又能充分满足激光雷达***应用需求的平动扫描装置以及相应的激光雷达***。

本发明提供一种激光雷达、利用该激光雷达进行测距的方法以及激光雷达的平动扫描方法。

根据本发明的一个方面，激光雷达包括：

激光发射单元，所述激光发射单元包括多个激光器的阵列，配置成可发射出探测激光束；

发射透镜，所述发射透镜设置在所述激光发射单元的光路下游，配置成可接收所述探测激光束并整形后出射，以探测目标物；

接收透镜，所述接收透镜可接收所述探测激光束在目标物上反射的回波并进行汇聚；

回波探测单元，所述回波探测单元包括多个探测器的阵列，设置在所述接收透镜的光路下游并接收由所述接收透镜汇聚的回波；和

驱动机构和直线导引机构，其中所述驱动机构配置成(1)可驱动所述激光发射单元或所述发射透镜沿着所述直线导引机构进行平动，以改变所述激光发射单元与所述发射透镜之间沿第一方向的相对位置，和/或(2)可驱动所述回波探测单元或所述接收透镜沿着所述直线导引机构进行平动，以改变所述回波探测单元与所述接收透镜之间沿第一方向的相对位置。

根据本发明的一个方面，所述驱动机构包括直线电机，所述直线导引机构包括直线导轨或光杆。

根据本发明的一个方面，所述驱动机构包括旋转电机，所述直线导引机构包括滚珠丝杠。

根据本发明的一个方面，所述激光发射单元和回波探测单元集成在相同的电路板上，所述驱动机构驱动所述激光发射单元和回波探测单元沿着所述直线导引机构同步运动。

根据本发明的一个方面，所述激光发射单元和回波探测单元集成在单独的电路板上，所述激光雷达包括第一驱动机构、第二驱动机构、第一直线导引机构和第二直线引导机构，其中所述第一驱动机构配置成驱动所述激光发射单元沿着所述第一直线导引机构平动，所述第二驱动机构配置成驱动所述回波探测单元沿着所述第二直线导引机构平动。

根据本发明的一个方面，所述激光雷达还包括第三驱动机构和第三直线导引机构，其中所述第三驱动机构配置成(1)可驱动所述激光发射单元或所述发射透镜沿着所述第三直线导引机构进行平动，以改变所述激光发射单元与所述发射透镜之间沿第二方向的相对位置，和/或(2)可驱动所述回波探测单元或所述接收透镜沿着所述第三直线导引机构进行平动，以改变所述回波探测单元与所述接收透镜之间沿第二方向的相对位置，其中所述第一方向垂直于第二方向。

根据本发明的一个方面，所述激光雷达还包括位置传感器，所述位置传感器配置成可检测所述激光发射单元与所述发射透镜之间的相对位置，其中所述位置传感器包括PSD位置传感器或者光栅尺，所述位置传感器是一维位置传感器或者二维位置传感器。

根据本发明的一个方面，所述平动包括阶跃运动，在所述阶跃运动的稳定状态下，所述激光器发光。

根据本发明的一个方面，所述平动包括正弦运动，所述激光器在所述正弦运动过程中采用等角度发光。

根据本发明的一个方面，所述平动包括匀速运动段和位于所述匀速运动段两端的冗余段，所述激光器在所述匀速运动段发光，在所述冗余段不发光。

根据本发明的一个方面，所述激光器的阵列包括沿着所述第一方向的多列激光器，所述多列激光器在与所述第一方向垂直的第二方向上错位排布。

根据本发明的一个方面，所述激光器的阵列包括沿着所述第一方向的多列激光器，每一列上的激光器配置成同时发光，或者每一列上的激光器配置成分批次发光，其中相邻的激光器不同时发光。

根据本发明的一个方面，所述的激光雷达还包括第二扫描器，所述第二扫描器位于所述发射透镜和接收透镜的外侧，以改变所述探测激光束和回波的方向。

根据本发明的一个方面，所述第二扫描器是多面转镜。

本发明还涉及一种使用如上所述的激光雷达进行探测的方法。

本发明还涉及一种激光雷达的平动扫描方法，其中所述激光雷达的转子包括多个激光器的阵列，所述平动扫描方法包括：

S101：在水平面中的一角度位置处，控制所述多个激光器发射探测激光束；

S102：驱动所述多个激光器在所述水平面中平动到一个或多个位置上，在每个位置上控制所述多个激光器发射探测激光束；

S103：将所述转子旋转到水平面中的下一角度位置处，重复所述步骤S101和S102。

本发明还涉及一种激光雷达的平动扫描方法，其中所述激光雷达的转子包括多个探测器的阵列，所述平动扫描方法包括：

S201：在水平面中的一角度位置处，控制所述多个探测器接收雷达回波；

S202：驱动所述多个探测器在所述水平面中平动到一个或多个位置上，在每个位置上控制所述多个探测器接收雷达回波；

S103：将所述转子旋转到水平面中的下一角度位置处，重复所述步骤S101和S102。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的激光雷达；

图2示出了根据本发明另一个实施例的激光雷达的驱动机构和直线导引机构；

图3示出了根据本发明另一个实施例的激光雷达的驱动机构和直线导引机构；

图4A、4B和4C分别示出了根据本发明不同实施例的电机示意图；

图5示出了根据本发明一个实施例的位置传感器的示意图；

图6、图7和图8示出了根据本发明不同实施例的平动运动的形式；

图9示出了根据本发明优选实施例的激光器阵列的排布示意图；

图10示出了图9所示的激光器阵列扫描后形成的点云示意图；

图11A和11B分别示出了激光器阵列的两种平动的方式；

图12示出了根据本发明另一个实施例的激光雷达；

图13示出了根据本发明一个实施例的激光雷达的扫描方法的流程图；和

图14示出了根据本发明另一个实施例的激光雷达的扫描方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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"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。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

针对常用微动扫描中存在的机械失效和抵抗振动时稳定性不足等问题，本发明的实施例提出一种成本低、结构简单但又能充分满足激光雷达***应用需求的平动扫描装置以及相应的激光雷达***。该激光雷达包括：激光发射单元、发射透镜、接收透镜、回波探测单元、驱动机构和直线导引机构，其中所述激光发射单元包括多个激光器的阵列，配置成可发射出探测激光束；所述发射透镜设置在所述激光发射单元的光路下游，配置成可接收所述探测激光束并整形后出射，以探测目标物；所述接收透镜可接收所述探测激光束在目标物上反射的回波并进行汇聚；所述回波探测单元包括多个探测器的阵列，设置在所述接收透镜的光路下游并接收由所述接收透镜汇聚的回波；所述驱动机构配置成(1)可驱动所述激光发射单元或所述发射透镜沿着所述直线导引机构进行平动，以改变所述激光发射单元与所述发射透镜之间沿第一方向的相对位置，和/或(2)可驱动所述回波探测单元或所述接收透镜沿着所述直线导引机构进行平动，以改变所述回波探测单元与所述接收透镜之间沿第一方向的相对位置。

图1示出了根据本发明一个实施例的激光雷达10，下面参考附图详细描述。如图1所示，激光雷达10包括激光发射单元11、发射透镜12、接收透镜13、回波探测单元14、电机15(作为驱动机构)和导轨16(作为直线导引机构)以及电路板17。其中所述激光发射单元11包括多个激光器111的阵列，激光器111安装在所述电路板17上，并且配置成可发射出探测激光束L1。所述激光器111的阵列可以是由单个激光器或线阵激光器或面阵激光器形成的激光器阵列，所述激光器包括边发射型激光器或垂直腔面发射激光器。图1中示意性地示出了四个激光器111。所述发射透镜12设置在所述激光发射单元11的光路下游，配置成可接收所述探测激光束L1并整形后出射，以探测目标物。通常所述激光器111的阵列可位于所述发射透镜12的焦平面上。激光器111发出的探测光束通常带有一定发散角，通过发射透镜12可以被整形为平行光束并出射，用于探测目标物。

探测激光束L1在目标物上发生漫反射，部分反射回波L2返回到激光雷达10，由所述接收透镜13接收并汇聚到回波探测单元14上。所述回波探测单元14通常位于所述接收透镜13的焦平面上，包括多个探测器141的阵列，所述探测器141设置在电路板17上，并且设置在所述接收透镜13的光路下游并接收由所述接收透镜13汇聚的回波。所述探测器141包括但不限于光电二极管、SiPM、SPAD等光电探测器，可以将回波L2转换成电信号，该电信号可以反映回波L2的强度。激光雷达的处理装置根据探测光束的发射时间和回波的接收时间之间的时间差，即飞行时间TOF(Time of Flight)，就可以计算获得目标物的距离。

电机15用作驱动机构，导轨16用作直线导引机构，二者共同配合，从而引导所述激光发射单元11和回波探测单元14相对于所述发射透镜12和接收透镜13沿着第一方向(如图1中所示)进行上下运动。在沿着第一方向的其中一个位置处，所述激光器111同时或依次进行发射，所述探测器141进行接收。由于该上下运动的范围中包括多个位置，从而激光器111可以进行多组发射，探测器141的阵列可以进行多组接收，因而能够显著提高激光雷达的角度分辨率和点云密度。下面将详细描述。

如图1所示，所述电机15包括固定部分151和活动部分152，通过控制所述电机15的驱动电流和电压，所述活动部分152可相对于固定部分151沿着图1中的第一方向运动。所述活动部分152与所述电路板17固定在一起，并且与所述导轨16相接合，从而在所述导轨16的引导下沿着第一方向运动，并且带动所述电路板17以及其上的激光发射单元11和回波探测单元14上下运动。优选的，如图1所示，所述电机15还包括导轨结合部分153，该导轨结合部分153固定在所述活动部分152上，并且用于与所述导轨16相接合，并且与所述电路板17固定连接在一起。

图1中的实施例中，电机15和导轨16相配合从而改变所述激光发射单元11和回波探测单元14的位置。可替换的，所述电机15和导轨16可以配置成改变所述发射透镜12、接收透镜13的位置，而所述激光发射单元11和回波探测单元14保持不动。例如使得所述导轨结合部分153与所述发射透镜12、接收透镜13固定连接在一起，从而随着电机15的驱动，所述发射透镜12、接收透镜13沿着第一方向运动。本领域技术人员容易理解，本发明中，通过改变激光发射单元11和回波探测单元14相对于发射透镜12和接收透镜13的位置，即可实现加密扫描。

如图1中所示，所述激光发射单元11和回波探测单元14集成在共同的电路板17上。本发明不限于此，激光发射单元11和回波探测单元14也可以集成在分立的电路板上。在此情况下，同样可以使用一组电机15和导轨16同时改变所述激光发射单元11和回波探测单元14相对于所述发射透镜12、接收透镜13的位置，这些都在本发明的保护范围内，此处不再赘述。或者可替换的，可以设置两组驱动机构和两组直线引导机构，分别用于引导所述激光发射单元11和回波探测单元14。例如第一驱动机构配置成驱动所述激光发射单元11沿着所述第一直线导引机构平动，第二驱动机构配置成驱动所述回波探测单元14沿着第二直线导引机构平动。

另外，根据本发明的一个实施例，无需同时平动所述激光发射单元11和回波探测单元14，可以仅仅使得所述激光发射单元11或者回波探测单元14进行平动即可。以激光发射单元11平动为例，回波探测单元14的探测器的数目例如可等于激光器的数目*阶跃运动的位数。根据本发明的一个实施例，所述电机为直线电机，例如音圈电机。

图2示出了根据本发明的另一个实施例，如图2所示，其中直线引导机构16为光杆，光杆与所述电机15的活动部门152固定在一起，在套筒(未示出)上下运动，并且通过陶瓷环等结构连接到固定部分151，用作导轨。光杆的成本较直线导轨更低，体积紧凑，装配简单，比较适用用于行程较短，负载较低的工作形态。或者可替换的，所述驱动机构15包括旋转电机，所述直线导引机构包括滚珠丝杠，滚珠丝杠上套有带有内部螺纹的连接件，连接件与所述电路板17固定连接。当旋转电机旋转时，带动滚珠丝杠旋转，从而使得套设于其上的连接件上下运动，带动电路板17沿着第一方向进行平动，此处不再赘述。

图1和图2所示的实施例中，激光发射单元11和回波探测单元14进行一维方向的运动。本发明不限于此，激光发射单元11和回波探测单元14也可以进行二维方向的运动。图3示出了这样的一个实施例。其中，除了第一驱动机构15和第一直线引导机构16用于沿着第一方向引导以外，所述激光雷达还包括第三驱动机构15’和第三直线导引机构16’，用于沿着第二方向进行引导，其中所述第一方向垂直于第二方向。如图3所示，所述第三驱动机构15’可类似于所述第一驱动机构15，其活动部分与所述电路板17固定在一起，第三直线导引机构16’沿着所述第二方向，从而当第三驱动机构15’工作时，可以引导所述电路板17沿着第二方向平动。另外，所述第三驱动机构15’也可驱动所述发射透镜12或所述接收透镜13进行平动，以改变所述激光发射单元11与所述发射透镜12之间沿着第二方向的相对位置、和/或所述回波探测单元14与所述接收透镜13之间沿第二方向的相对位置，此处不再赘述。

根据本发明的一个实施例，所述的激光雷达10还包括位置传感器18，如图1-3所示。所述位置传感器18配置成可检测所述激光发射单元11与所述发射透镜12之间的相对位置。图1中示出了PSD位置传感器；图5示出了光栅尺作为位置传感器。以PSD位置传感器为例，如图1所示，其固定在所述电路板17上，例如固定在电路板17的与所述激光器111相反的一侧上，同时在激光雷达的固定部分上(例如导轨16)上设置有激光器19。当电路板17沿着第一方向平动时，PSD位置传感器随之运动，因而激光器19的光斑将照射在PSD位置传感器上的不同位置处，根据光斑的照射位置，可确定所述电路板17的当前位置，进而确定所述激光发射单元11与所述发射透镜12之间的相对位置，以及所述回波探测单元14与所述接收透镜13之间的相对位置。对于图1和图2的实施例，采用一维位置传感器即可；而对于图3所示的实施例，由于电路板在二维方向上运动，因此可以采用二维位置传感器。

图2和图3中示意性示出了电机15，本领域技术人员理解，本发明中可采用各种形式的电机，如图4A、4B和4C所示，其中示出了多种形式的电机。图4A示出了圆柱形直线电机，即上面图2和图3中使用的电机。也可以使用更扁平更紧凑的其他结构的电机，例如图4B和4C所示的。在图4B中，在一平面上交替布置磁体的S极和N极，将通电线圈置于该磁体上方并通电，通电的线圈将受到交错的吸引力和排斥力，从而改变激光发射单元11和/或回波探测单元14的位置。在图4C中，线圈置于磁体的S极和N极之间，当通电时，线圈将受到洛伦茨力F的作用，从而沿着洛伦茨力F的方向运动，从而改变激光发射单元11和/或回波探测单元14的位置。另外，驱动装置(即电机)也可以与导轨集成在一起，例如线圈或磁铁本身与滑块(例如导轨结合部分153)固定在一起，以适应不同***的体积要求，这些都在本发明的保护范围内。

根据本发明的一个实施例，如图6所示，所述平动采取阶跃运动的形式，在所述阶跃运动的稳定状态下，所述激光器发光。图中的点表示一次发光或测量，类似于“位”(或者如果多个激光器不能在同一点同时发光，那么整个稳定段都可以被用于不同的激光器进行发光)。需要说明的是，此处的阶跃运动表征运动前和运动后的激光器相对位置状态不相同，阶跃运动的位数等于激光器相对位置状态的个数，比如激光器可处于位置状态1、位置状态2及位置状态3，则阶跃运动的位数为3。激光器可处于位置状态1、位置状态2、位置状态3以及位置状态4，则阶跃运动的位数为4。并且，如果lidar***中存在不少于1个的扫描器，2个扫描器彼此之间可以有扫描的配合关系，比如在扫描器1处于位置状态11达时长Δt1，扫描器2在时长Δt1内可以从位置状态21转变至位置状态22。如果再配合第二扫描器，第二扫描器为低速扫描器(比如多面转镜)，为了提高点云的规整性，比较适合采用阶跃运动。具体地，在转镜切换一个反射面时，第一扫描器可以阶跃一个位置，激光器在每次第一扫描器阶跃后的稳定状态下发光。

根据本发明的一个实施例，如图7所示，其中所述平动采取正弦运动的形式，所述激光器在所述正弦运动过程中采用等角度发光。围绕初始位置做往复固定轨迹的正弦运动，由于扫描形态通过位置传感器可确定，因此可以采用等角度出光方式。

根据本发明的一个实施例，如图8所示，由于往复运动时存在加减速时间，因此匀速运动时总的位移量需要大于平动扫描所需的FOV，所述平动可以包括匀速运动段和位于所述匀速运动段两端的冗余段，所述激光器在所述匀速运动段发光，在所述冗余段不发光。

在以上几种运动方式中既可以采取单方向运动为一帧，也可以往复运动合并作为一帧，回扫段可以和正扫段运动形态相似，正扫段与回扫段发光位置间隔错开，也可以形成锯齿波形态。或者回扫段为一个不做利用的高速返回过程，不进行发光探测。这里仅描述几种常规的运动形态，但本发明可采用的平动以及***发光形态不限于此

图9示出了根据本发明一个优选实施例的激光器111的排布，其中所述激光器111的阵列包括沿着所述第一方向的多列激光器，所述多列激光器在与所述第一方向垂直的第二方向上错位排布。根据本发明的一个优选实施例，所述激光器的阵列包括沿着所述第一方向的多列激光器，每一列上的激光器配置成同时发光，或者每一列上的激光器配置成分批次发光，其中相邻的激光器不同时发光。图10示出了图9所示的激光器阵列根据上述平动的方法进行扫描获得的点云分布示意图，其中深色圆圈为没有进行平动时获得的点云分布，浅色圆圈为通过平动进行加密后的点云分布。图9所示的一个维度上激光器以错位方式排列，在另一个维度上错位的阵列集群呈现周期性排布，错位排布可以在发光面较大时仍然实现较高的分辨率；另一个方向上利用平动扫描，扫描行程为该维度上相邻周期的跨度，扫描的步进量根据该维度上所需的分辨率确定。该实施例可以在雷达视场角在几十度范围内时实现垂直和水平角分辨率均小于0.1°的准固态雷达(竖直方向上通过错位提高分辨率，水平方向通过微动提高分辨率)。

图11A和11B分别示出了激光器阵列的两种平动的方式。其中在图11A中，激光器阵列平动的幅度较小，通过小幅平动，加密了激光雷达的分辨率。因此，可以减少物理层面实际使用的收发通道数，以较少的物理通道数实现较高的雷达线数，可实现超分辨率的效果，如果在发射或接收单元以可能的最紧密方式排列时，可进一步提升雷达所能达到的极限分辨率。

图11B中，激光器阵列平动的幅度较大，相当于拓展了激光雷达的视场。图11B中，以虚线框处的三个激光器为例，假设这三个激光器分别对应5度的探测FOV，那么整体平动一次，结合平动前与平动后，就会产生10度的探测FOV。另外，通过图11B的方式，可以实现视场的翻倍或更高倍，从而可以以较小的收发单元芯片，在不缩短焦距时仍可以在运动方向上实现较大的视场角，比较利于芯片化制造。

图12示出了根据本发明的一个优选实施例，其中所述激光雷达还包括第二扫描器，所述第二扫描器位于所述发射透镜和接收透镜的外侧，以改变所述探测激光束和回波的方向。所述第二扫描器是多面转镜。

上述实施例采用了平动的方式进行扫描，例如使用导轨来引导直线运动。在给定使用条件下，最终寿命主要取决于导轨的基本额定动负载，该额定负载属于产品的已知参数，大体范围从几百到几十千牛顿不等，其使用寿命非常长久，稳定度高。

本发明还涉及一种使用如上所述的激光雷达10进行探测的方法。

如图13所示，本发明还涉及一种激光雷达的平动扫描方法100，其中所述激光雷达的转子包括多个激光器的阵列，所述平动扫描方法包括：

S101：在水平面中的一角度位置处，控制所述多个激光器发射探测激光束。

S102：驱动所述多个激光器在所述水平面中平动到一个或多个位置上，在每个位置上控制所述多个激光器发射探测激光束。现有技术的激光雷达在每个角度位置处，激光器仅进行一次发光。而根据本发明，在每一个角度位置上，激光器通过平动运动到不同的位置上进行多次发光，从而有效提高了激光雷达的角分辨率和探测精度。

S103：将所述转子旋转到水平面中的下一角度位置处，重复所述步骤S101和S102。

如图14所示，本发明还涉及一种激光雷达的平动扫描方法200，其中所述激光雷达的转子包括多个探测器的阵列，所述平动扫描方法包括：

S201：在水平面中的一角度位置处，控制所述多个探测器接收雷达回波；

S202：驱动所述多个探测器在所述水平面中平动到一个或多个位置上，在每个位置上控制所述多个探测器接收雷达回波；

S103：将所述转子旋转到水平面中的下一角度位置处，重复所述步骤S101和S102。

本发明的实施例中，通过驱动机构(例如音圈电机)和直线导引机构(例如滑轮导轨或滚珠导轨，也包含光杆或滚珠丝杠等其他具有直线运动方向限定特征的机构)，成本低、行程大，并且可靠性高。优选的也可以采用导轨或滑杆方式的平动，在理想情况下***没有刚度，因此不易受环境激励而产生不必要的扰动；另一方面，不管是导轨还是滑杆，均可使得运动限定在所需的方向上，不会存在摆动等在另一个维度额外的运动造成的扰动；此外，直线导轨方式的可靠性已经被工业界充分验证，在给定***需求以及负载下，导轨的理论寿命可以被比较准确地评估，从而基于此的雷达的可靠性水平可以被充分地提前掌控

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种激光雷达，包括：

激光发射单元，所述激光发射单元包括多个激光器的阵列，配置成可发射出探测激光束；

发射透镜，所述发射透镜设置在所述激光发射单元的光路下游，配置成可接收所述探测激光束并整形后出射，以探测目标物；

接收透镜，所述接收透镜可接收所述探测激光束在目标物上反射的回波并进行汇聚；

回波探测单元，所述回波探测单元包括多个探测器的阵列，设置在所述接收透镜的光路下游并接收由所述接收透镜汇聚的回波；和

驱动机构和直线导引机构，其中所述驱动机构配置成(1)可驱动所述激光发射单元或所述发射透镜沿着所述直线导引机构进行平动，以改变所述激光发射单元与所述发射透镜之间沿第一方向的相对位置，和/或(2)可驱动所述回波探测单元或所述接收透镜沿着所述直线导引机构进行平动，以改变所述回波探测单元与所述接收透镜之间沿第一方向的相对位置。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其中所述驱动机构包括直线电机，所述直线导引机构包括直线导轨或光杆。

3.根据权利要求1所述的激光雷达，其中所述驱动机构包括旋转电机，所述直线导引机构包括滚珠丝杠。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的激光雷达，其中所述激光发射单元和回波探测单元集成在相同的电路板上，所述驱动机构驱动所述激光发射单元和回波探测单元沿着所述直线导引机构同步运动。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的激光雷达，其中所述激光发射单元和回波探测单元集成在单独的电路板上，所述激光雷达包括第一驱动机构、第二驱动机构、第一直线导引机构和第二直线引导机构，其中所述第一驱动机构配置成驱动所述激光发射单元沿着所述第一直线导引机构平动，所述第二驱动机构配置成驱动所述回波探测单元沿着所述第二直线导引机构平动。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的激光雷达，其中所述激光雷达还包括第三驱动机构和第三直线导引机构，其中所述第三驱动机构配置成(1)可驱动所述激光发射单元或所述发射透镜沿着所述第三直线导引机构进行平动，以改变所述激光发射单元与所述发射透镜之间沿第二方向的相对位置，和/或(2)可驱动所述回波探测单元或所述接收透镜沿着所述第三直线导引机构进行平动，以改变所述回波探测单元与所述接收透镜之间沿第二方向的相对位置，其中所述第一方向垂直于第二方向。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的激光雷达，还包括位置传感器，所述位置传感器配置成可检测所述激光发射单元与所述发射透镜之间的相对位置，其中所述位置传感器包括PSD位置传感器或者光栅尺，所述位置传感器是一维位置传感器或者二维位置传感器。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的激光雷达，其中所述平动包括阶跃运动，在所述阶跃运动的稳定状态下，所述激光器发光。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的激光雷达，其中所述平动包括正弦运动，所述激光器在所述正弦运动过程中采用等角度发光。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的激光雷达，所述平动包括匀速运动段和位于所述匀速运动段两端的冗余段，所述激光器在所述匀速运动段发光，在所述冗余段不发光。

11.根据权利要求1-3中任一项所述的激光雷达，其中所述激光器的阵列包括沿着所述第一方向的多列激光器，所述多列激光器在与所述第一方向垂直的第二方向上错位排布。

12.根据权利要求1-3中任一项所述的激光雷达，其中所述激光器的阵列包括沿着所述第一方向的多列激光器，每一列上的激光器配置成同时发光，或者每一列上的激光器配置成分批次发光，其中相邻的激光器不同时发光。

13.根据权利要求1-3中任一项所述的激光雷达，还包括第二扫描器，所述第二扫描器位于所述发射透镜和接收透镜的外侧，以改变所述探测激光束和回波的方向。

14.根据权利要求13所述的激光雷达，其中所述第二扫描器是多面转镜。

15.一种如使用权利要求1-14中任一项所述的激光雷达进行探测的方法。

16.一种激光雷达的平动扫描方法，其中所述激光雷达的转子包括多个激光器的阵列，所述平动扫描方法包括：

S101：在水平面中的一角度位置处，控制所述多个激光器发射探测激光束；

S102：驱动所述多个激光器在所述水平面中平动到一个或多个位置上，在每个位置上控制所述多个激光器发射探测激光束；

S103：将所述转子旋转到水平面中的下一角度位置处，重复所述步骤S101和S102。

17.一种激光雷达的平动扫描方法，其中所述激光雷达的转子包括多个探测器的阵列，所述平动扫描方法包括：

S201：在水平面中的一角度位置处，控制所述多个探测器接收雷达回波；

S202：驱动所述多个探测器在所述水平面中平动到一个或多个位置上，在每个位置上控制所述多个探测器接收雷达回波；

S103：将所述转子旋转到水平面中的下一角度位置处，重复所述步骤S101和S102。

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