CN113655462A - 激光雷达收发光路水平对置*** - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种激光雷达收发光路水平对置***，其包括用于发出在第三方向上具有预设发散角的线激光的发射装置、用于接收被测物表面产生的漫反射回波的接收装置以及用于将线激光反射至被测物表面、将漫反射回波反射至接收装置的反射装置。本申请具有有效降低雷达高度的效果。

Description

激光雷达收发光路水平对置***

技术领域

本申请涉及雷达技术领域，尤其是涉及一种激光雷达收发光路水平对置***。

背景技术

三维环境测量和感知具有重要的民用和军事应用价值。在ADAS辅助驾驶和自动驾驶***中，对车辆周边环境进行空间距离测量和三维环境重建，是实现高精度自动驾驶控制的前提条件。毫米波雷达和摄像头三维视觉重建是比较常见的距离测量技术，但在自动驾驶应用场景下，毫米波雷达的横向分辨率难以达到要求，且易受金属物体干扰；摄像头三维视觉重建的测距精度较低，对于远距离的目标，也较难实现精准的距离测量。激光雷达通过主动发射脉冲式红外激光束，照射到被测物体后，形成漫反射回波，由接收***收集；通过测量发射脉冲和接收回波之间的时间差，可以获得被测物体的距离信息。激光雷达具有测距精度高、横向分辨率高的优点，在辅助驾驶和自动驾驶领域有广阔的应用前景。

现有激光雷达常用技术路线中，收发***多是单点光源对应单点探测器、单点光源对应面阵探测器或者多点光源对应面阵探测器，其问题在于成本高昂，装调困难，难以实现量产目标。正如专利CN208506242U所提出的，使用线阵探测器作为接收器件，激光发射***产生线状激光光斑与接收视场匹配，可以快速获得多个距离测量点，提高***的测量速度和适用范围。此外，由于使用单个光束与阵列器件进行匹配，***的装调难度大大减小，有利于控制激光雷达产品的整体成本。

但线激光发射对应线阵探测器的***存在高度难以降低的问题，其发射***和接收***同轴堆叠放置。随着激光雷达竖直视场角的增大，激光器的出光角度逐渐增大，在相同光程情况下，雷达的高度会随之增加。若激光器的发散角度小于雷达的竖直视场角，还要对激光器的发散角度进行扩束处理，进一步增加雷达高度。随着自动驾驶的发展，对雷达的高度要求越来越严苛，降低激光雷达高度成了迫切的需求。

发明内容

为了有效降低雷达高度，本申请提供一种激光雷达收发光路水平对置***。

本申请提供的一种激光雷达收发光路水平对置***，采用如下的技术方案：

一种激光雷达收发光路水平对置***，包括：

用于发出在第三方向上具有预设发散角的线激光的发射装置、用于接收被测物表面产生的漫反射回波的接收装置以及用于将所述线激光反射至被测物表面、将所述漫反射回波反射至所述接收装置且至少具有呈预设角度的两个反射面的反射装置，接收装置为线阵探测器；

其中，所述反射装置能够在第一方向和第二方向所在的平面内以第三方向为轴转动来实现对被测物的扫描，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向相互垂直；

所述线激光与所述第一方向的夹角、经由所述反射装置反射后的所述漫反射回波与所述第一方向的夹角以及所述预设角度三者之间满足如下关系：

其中，α为预设角度，θ为线阵激光脉冲与第一方向的夹角或经由反射装置反射后的漫反射回波与第一方向的夹角。

通过采用以上技术方案，将发射装置和接收装置分别布置在反射装置的两侧，发射装置发出在第三方向具有预设发散角的线激光，经反射装置反射后打到被测物表面发生漫反射，通过反射装置将漫反射回波反射至接收装置。反射装置能够在第一方向和第二方向所在的平面内以第三方向为轴旋转，从而实现对被测物的扫描，有效地降低了雷达的高度。因发射装置和接收装置位于转镜两侧，因此无需额外设置挡光结构，反射装置充当了光分仓的功能，同时使用线阵光斑和线阵探测器匹配，在显著降低雷达高度的同时又不增加***的装调难度，有利于控制激光雷达成品的整体成本。

优选的，所述两个反射面均垂直于所述第一方向和所述第二方向所在的平面，所述发射装置的出光方向朝向其中一个反射面，所述接收装置的入光方向朝向其中另一个反射面。

通过采用以上技术方案，反射装置至少具有呈预设角度的两个反射面，其中一个朝向发射装置的出光方向，用于反射来自发射装置的脉冲激光；另一个反射面朝向接收装置的入光方向，用于反射来自被测物表面的漫反射回波。

优选的，所述预设角度的大小能够改变以改变激光雷达在所述第一方向上的视场角。

通过采用以上技术方案，通过改变反射装置上的预设角度，就能够改变激光雷达在第一方向上的视场角，从而改变激光雷达的扫描范围。

优选的，所述线激光与所述第一方向之间的夹角的大小或所述漫反射回波与所述第一方向之间的夹角的大小均能够改变以改变激光雷达在所述第一方向上的视场角，其中，所述线激光与所述第一方向之间的夹角和所述漫反射回波与所述第一方向之间的夹角相等。

通过采用以上技术方案，改变线激光与第一方向之间的夹角的大小、漫反射回波与第一方向之间的夹角的大小，能够改变激光雷达在所述第一方向上的视场角，从而改变激光雷达的扫描范围。

优选的，所述反射装置为转镜。

通过采用以上技术方案，反射装置采用转镜，通过旋转转镜在第一方向和第二方向所在平面内以第三方向为轴转动，实现激光雷达在第一方向上的扫描。

优选的，所述反射装置包括正棱柱反射镜和驱动结构，所述驱动结构能够驱动所述正棱柱反射镜在第一方向和第二方向所在的平面内以第三方向为轴转动。

通过采用以上技术方案，反射装置采用正棱柱反射镜，正棱柱反射镜通过驱动结构转动。发射装置发出的脉冲激光通过旋转的正棱柱反射镜发射后，在被测物表面移动，激光雷达实现第一方向的扫描。

优选的，所述正棱柱反射镜至少包括正四棱柱反射镜、正五棱柱反射镜以及正六棱柱反射镜。

通过采用以上技术方案，选用不同的正棱柱反射镜，在同等帧率下可以降低电机转速，延长电机使用寿命，提升激光雷达运行的稳定性。

优选的，所述发射装置包括边缘发射激光器和光束整形镜，所述边缘发射激光器的快轴用于发射激光，所述光束整形镜用于对所述激光进行准直形成所述线激光。

通过采用以上技术方案，利用边缘发射激光器发光面的特性，对容易准直的快轴进行准直，形成线激光。

优选的，所述接收装置包括激光探测器和接收透镜，所述接收透镜用于将漫反射回波成像在所述激光探测器表面。

通过采用以上技术方案，漫反射产生的脉冲激光透过接受透镜打在激光探测器上。

在本申请实施例提供的激光雷达收发光路水平对置***至少具有以下有益效果：

发射装置发出激光脉冲，经由反射装置的一个反射面反射至被测物体表面，反射装置的另一个反射面将被测物表面的漫反射回波发射至接收装置，发射与接收水平对置放置。反射装置能够转动，扩大激光雷达的扫描范围，可以有效降低雷达高度。

附图说明

图1示出了相关技术中的激光雷达***的结构示意图。

图2示出了本申请实施例的激光雷达收发光路水平对置***的结构示意图。

图3示出了本申请实施例的三种正棱柱反射镜的结构示意图。

附图标记说明：10、发射***；11、发射激光器；12、整形镜；20、接收***；21、线阵APD；22、透镜；30、反射镜；40、发射装置；41、边缘发射激光器；42、光束整形镜；50、接收装置；51、激光探测器；52、接收透镜；60、反射装置。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。

三维环境测量和感知具有重要的民用和军事应用价值。在ADAS辅助驾驶和自动驾驶***中，对车辆周边环境进行空间距离测量和三维环境重建，是实现高精度自动驾驶控制的前提条件。

毫米波雷达和摄像头三维视觉重建是比较常见的距离测量技术，但在自动驾驶应用场景下，毫米波雷达的横向分辨率难以达到要求，且易受金属物体干扰；摄像头三维视觉重建的测距精度较低，对于远距离的目标，也较难实现精准的距离测量。

激光雷达通过主动发射脉冲式红外激光束，照射到被测物体后，形成漫反射回波，由接收***收集；通过测量发射脉冲和接收回波之间的时间差，可以获得被测物体的距离信息。

图1示出了相关技术中的激光雷达***的结构示意图。参见图1，激光雷达***包括发射***10、接收***20和反射镜30。其中，发射***10包括发射激光器11和整形镜12；接收***20包括线阵APD 21和透镜22。

由图1可知，发射***10和接收***20在反射镜30的同侧堆叠放置，即该激光雷达***的发射***10和接收***20在激光雷达***的高度方向的同一轴线上堆叠放置，那么随着激光雷达竖直视场角的增大，发射激光器11的出光角度逐渐增大，在相同光程情况下，激光雷达***的高度也会随之增加。若发射激光器11的发散角度小于激光雷达***的竖直视场角，则需要对发射激光器11的发散角度进行扩束处理，进一步增加雷达高度。

但是，随着自动驾驶的发展，对雷达的高度要求越来越严苛，降低激光雷达的高度成为了迫切的需求。为此，本申请的实施例提供了一种激光雷达，能够有效降低其高度。

图2示出了本申请实施例的激光雷达的结构示意图。参见图2，激光雷达包括发射装置40、接收装置50和反射装置60。其中，发射装置40用于发出在第三方向具有预设发散角的线激光，接收装置50用于接收被测物表面产生的漫反射回波，反射装置60用于将发射装置40发出的线激光反射至被测物表面及将被测物表面产生的漫反射回波反射至接收装置50。

在本申请实施例中，反射装置60能够在第一方向和第二方向所在的平面内以第三方向为轴转动来实现对被测物的扫描，且第一方向、第二方向以及第三方向相互垂直。

下面以第一方向为三维坐标系的x轴、以第二方向为三维坐标系的y轴、以第三方向为三维坐标系的z轴为例来说明本申请实施例提供的激光雷达如何实现对被测物的扫描。在这个例子中，被测物竖直设置在x轴和z轴形成的平面内。

由前述可知，发射装置40用于发出在第三方向具有预设发散角的线激光，也就是说，发射装置40能够发出线激光，即发射装置40发出的线激光能够实现在z轴方向来扫描被测物。

反射装置60能够在第一方向和第二方向所在的平面内以第三方向为轴转动，也就是说，反射装置60能够在x轴和y轴形成的平面内以z轴为轴转动，由于反射装置60能够将发射装置40发出的线激光反射至被测物表面，在反射装置60转动过程中，能够实现在x轴方向来扫描被测物，并且反射装置60在转动过程中还能够将被测物表面产生的漫反射回波反射至接收装置50。因此，通过反射装置60的转动能够实现对被测物的扫描。

在本申请实施例中，由于发射装置40和接收装置50对置设置于反射装置60两侧，从而降低雷达高度。

在一些实施例中，反射装置60至少具有呈预设角度的两个反射面，两个反射面均垂直于第一方向和第二方向所在的平面，在这种情况下，发射装置40的出光方向朝向其中一个反射面，接收装置50的入光方向朝向其中另一个反射面。

下面结合具体的例子来说明发射装置40、接收装置50以及反射装置60之间的位置关系。

示例地，反射装置可以为转镜。需要说明的是，转镜为利用旋转运动的驱动源(例如电动机)拖动一块多面反射体实现光偏转的结构。将转镜相邻两反射镜形成的顶角朝向被测物，发射装置40设置在其中一个反射镜的一侧(即发射装置40的出光方向朝向其中一个反射镜)，接收装置50设置在其中另一个反射镜的一侧(即接收装置50的入光方向朝向其中另一个反射镜)。

示例地，反射装置包括正棱柱反射镜(如图3所示)和驱动结构，驱动结构能够驱动正棱柱反射镜在第一方向和第二方向所在的平面内以第三方向为轴转动。在采用正棱柱反射镜时，发射装置40和接收装置50的设置方式与采用转镜时相同，此处不再赘述。在这个例子中，正棱柱反射镜包括但不限于正四棱柱反射镜、正五棱柱反射镜以及正六棱柱反射镜。驱动结构可以选用电动机。

在反射装置为正棱柱反射镜和驱动结构时，线激光与第一方向的夹角、经由反射装置反射后的漫反射回波与第一方向的夹角以及预设角度三者之间满足如下关系：

其中，α为预设角度，θ为线阵激光脉冲与第一方向的夹角或经由反射装置反射后的漫反射回波与第一方向的夹角。

需要说明的是，使用正棱柱反射镜可以在电机同等转速下提升帧率，增加点云有效点数，且采用多棱柱反射镜时，在同等帧率下可以降低电机转速，延长电机使用寿命，提升激光雷达运行的稳定性。

在一些实施例中，在需要改变激光雷达在x轴方向上的视场角时，可以采用以下两种方式。

方式一：通过改变反射装置60垂直于x轴方向和y轴方向所在的平面的两个反射面之间的夹角α来改变激光雷达在x轴方向上的视场角。具体地，继续参见图2，在增大两个反射面之间的夹角时，发射装置40发出的线激光在反射面上的入射点会向靠近发射装置40的方向移动，同理，漫反射回波在反射面上的入射点也会向靠近接收装置50的方向移动，此时激光雷达的视场角增大；反之则激光雷达的视场角会减小。

方式二：通过改变线激光与x轴方向之间的夹角θ的大小和漫反射回波与x轴方向之间的夹角θ的大小来改变激光雷达在x轴方向上的视场角。具体地，继续参见图2，在减小发射装置40发出的线激光与x轴方向之间的夹角θ时，同样地减小漫反射回波与x轴方向之间的夹角θ，线激光在反射面上的入射点会沿y轴反方向移动，同样地，漫反射回波在反射面上的入射点也会沿y轴反向方移动，此时激光雷达的视场角增大；反之则激光雷达的视场角会减小。需要说明的是，在改变线激光与x轴方向之间的夹角和漫反射回波与x轴方向之间的夹角过程中，需要保证线激光与x轴方向之间的夹角和漫反射回波与x轴方向之间的夹角始终相同。

在一些实施例中，发射装置40包括边缘发射激光器41和光束整形镜42，边缘发射激光器41的快轴用于发射线激光，光束整形镜42用于对线激光进行准直。接收装置50包括激光探测器51和接收透镜52，接收透镜52用于将漫反射回波成像在激光探测器51表面。

边缘发射激光器41的快慢轴发散角不一样，快轴发散角大于慢轴发散角，且快轴发光长度小于慢轴发光长度，对慢轴和快轴方向的发散光线进行准直时，快轴更容易准直的更好，而慢轴准直则相对困难很多，因此，本申请实施例中采用边缘发射激光器41的快轴发出脉冲激光，并通过光束整形镜42进行准直来形成线激光。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光雷达收发光路水平对置***，其特征在于，包括：

用于发出在第三方向上具有预设发散角的线激光的发射装置、用于接收被测物表面产生的漫反射回波的接收装置以及用于将所述线激光反射至被测物表面、将所述漫反射回波反射至所述接收装置且至少具有呈预设角度的两个反射面的反射装置，接收装置为线阵探测器；

其中，所述反射装置能够在第一方向和第二方向所在的平面内以第三方向为轴转动来实现对被测物的扫描，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向相互垂直；

所述线激光与所述第一方向的夹角、经由所述反射装置反射后的所述漫反射回波与所述第一方向的夹角以及所述预设角度三者之间满足如下关系：

其中，α为预设角度，θ为线阵激光脉冲与第一方向的夹角或经由反射装置反射后的漫反射回波与第一方向的夹角。

2.根据权利要求1所述的激光雷达收发光路水平对置***，其特征在于，所述两个反射面均垂直于所述第一方向和所述第二方向所在的平面，所述发射装置的出光方向朝向其中一个反射面，所述接收装置的入光方向朝向其中另一个反射面。

3.根据权利要求2所述的激光雷达收发光路水平对置***，其特征在于，所述预设角度的大小能够改变以改变激光雷达在所述第一方向上的视场角。

4.根据权利要求2所述的激光雷达收发光路水平对置***，其特征在于，所述线激光与所述第一方向之间的夹角的大小或所述漫反射回波与所述第一方向之间的夹角的大小能够改变以改变激光雷达在所述第一方向上的视场角，其中，所述线激光与所述第一方向之间的夹角和所述漫反射回波与所述第一方向之间的夹角相等。

5.根据权利要求2所述的激光雷达收发光路水平对置***，其特征在于，所述反射装置为转镜。

6.根据权利要求2所述的激光雷达收发光路水平对置***，其特征在于，所述反射装置包括正棱柱反射镜和驱动结构，所述驱动结构能够驱动所述正棱柱反射镜在第一方向和第二方向所在的平面内以第三方向为轴转动。

7.根据权利要求6所述的激光雷达收发光路水平对置***，其特征在于，所述正棱柱反射镜至少包括正四棱柱反射镜、正五棱柱反射镜以及正六棱柱反射镜。

8.根据权利要求1至7任一项所述的激光雷达收发光路水平对置***，其特征在于，所述发射装置包括边缘发射激光器和光束整形镜，所述边缘发射激光器的快轴用于发射激光，所述光束整形镜用于对所述激光进行准直形成所述线激光。

9.根据权利要求1至7任一项所述的激光雷达收发光路水平对置***，其特征在于，所述接收装置包括激光探测器和接收透镜，所述接收透镜用于将漫反射回波成像在所述激光探测器表面。

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