CN115166693A - 一种混合固态式激光雷达及激光雷达扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合固态式激光雷达及激光雷达扫描方法，涉及激光雷达技术领域。该混合固态式激光雷达包括：N个激光器、光束偏转器、多面体反射镜以及电机控制模组，N为正整数；光束偏转器设置于N个激光器和多面体反射镜之间，多面体反射镜与电机控制模组连接；每个激光器，用于向光束偏转器发射一束探测激光；光束偏转器，用于通过电压调谐的方式偏转每束探测激光，形成N束一维扫描光，一维扫描光为垂直视场或水平视场的扫描光；电机控制模组，用于驱动多面体反射镜旋转；多面体反射镜，用于在旋转时反射N束一维扫描光，形成N束二维扫描光，二维扫描光为垂直视场和水平视场的扫描光。本发明能够提高激光雷达的抗震性和扫描效果。

Description

一种混合固态式激光雷达及激光雷达扫描方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种混合固态式激光雷达及激光雷达扫描方法。

背景技术

在自动驾驶领域中，车辆主要通过混合固态式激光雷达测定车辆与目标物体之间的距离，分析目标物体表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息，从而呈现出目标物体精确的三维结构信息。

现有技术中的混合固态式激光雷达，主要是采用二维微机电***(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)振镜来实现扫描。二维MEMS振镜是一种硅基半导体元器件，其在硅基芯片上集成了体积十分精巧的微振镜。

但是，微振镜的核心结构是尺寸很小的悬臂梁，在车辆长期的震动中，其寿命会受到影响，导致激光雷达的抗震性较差。另外，微振镜面积小且偏转角度有限，导致激光雷达扫描效果较差。

发明内容

本发明提供一种混合固态式激光雷达及激光雷达扫描方法，能够提高激光雷达的抗震性，并提高激光雷达扫描效果。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种混合固态式激光雷达，包括：N个激光器、光束偏转器、多面体反射镜以及电机控制模组，N为正整数；

光束偏转器设置于N个激光器和多面体反射镜之间，多面体反射镜与电机控制模组连接；

每个激光器，用于向光束偏转器发射一束探测激光；

光束偏转器，用于通过电压调谐的方式偏转每束探测激光，形成N束一维扫描光，一维扫描光为垂直视场或水平视场的扫描光；

电机控制模组，用于驱动多面体反射镜旋转；

多面体反射镜，用于在旋转时反射N束一维扫描光，形成N束二维扫描光，二维扫描光为垂直视场和水平视场的扫描光。

在一种可能的实现方式中，混合固态式激光雷达还包括N个接收器；多面体反射镜，还用于接收入射的反射激光，并反射反射激光，形成第一反射光，反射激光为二维扫描光扫描到物体后反射回的激光；光束偏转器，还用于通过电压调谐的方式偏转第一反射光，形成第二反射光；接收器，用于接收第二反射光。

在一种可能的实现方式中，混合固态式激光雷达还包括N个聚焦单元，一个聚焦单元设置在一个接收器和光束偏转器之间；聚焦单元，用于将第二反射光聚焦至接收器。

在一种可能的实现方式中，接收器为雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode，APD)探测器或硅光电倍增管(Silicon Photo Multiplier，SiPM)阵列传感器。

在一种可能的实现方式中，多面体反射镜包括N个反射面，N个激光器以圆周等分方式设置，多面体反射镜的N个反射面以圆周等分方式设置。

在一种可能的实现方式中，电机控制模组包括码盘；码盘，用于确定每束二维扫描光在水平方向的发射角度。

在一种可能的实现方式中，混合固态式激光雷达还包括N个准直单元，一个准直单元设置在一个激光器和光束偏转器之间；准直单元，用于准直激光器发射的探测激光。

第二方面，本发明提供一种激光雷达扫描方法，应用于如第一方面及其任一种可能的实现方式的混合固态式激光雷达，包括：

N个激光器向光束偏转器发射N束探测激光；

光束偏转器通过电压调谐的方式偏转每束探测激光，形成N束一维扫描光，一维扫描光为垂直视场或水平视场的扫描光；

电机控制模组驱动多面体反射镜旋转，以使得多面体反射镜在旋转时反射N束一维扫描光，形成N束二维扫描光，二维扫描光为垂直视场和水平视场的扫描光。

在一种可能的实现方式中，混合固态式激光雷达还包括N个接收器；激光雷达扫描方法，还包括：电机控制模组驱动多面体反射镜旋转，以使得多面体反射镜在旋转时反射反射激光，形成第一反射光，反射激光为二维扫描光扫描到物体后反射回的激光；光束偏转器通过电压调谐的方式偏转第一反射光，形成第二反射光；接收器接收第二反射光。

第三方面，本发明提供一种车辆，该车辆包括至少一个如第一方面及任一种可能的实现方式的混合固态式激光雷达。

本发明实施例提供的混合固态式激光雷达，包括：N个激光器、光束偏转器、多面体反射镜以及电机控制模组，N为正整数；光束偏转器设置于N个激光器和多面体反射镜之间，多面体反射镜与电机控制模组连接；每个激光器，用于向光束偏转器发射一束探测激光；光束偏转器，用于通过电压调谐的方式偏转每束探测激光，形成N束一维扫描光，一维扫描光为垂直视场或水平视场的扫描光；电机控制模组，用于驱动多面体反射镜旋转；多面体反射镜，用于在旋转时反射N束一维扫描光，形成N束二维扫描光，二维扫描光为垂直视场和水平视场的扫描光。本发明采用光束偏转器，以电压调谐的方式先将探测激光偏转为一维扫描光，而后通过旋转的多面体反射镜向外出射二维扫描光，相对于二维MEMS振镜。一方面，本发明能够消除车辆震动对激光雷达产生的不利影响，提高激光雷达的抗震性。另一方面，由于光束偏转器的面积大测距能力强，且光束偏转器配合旋转的多面体反射镜能够形成更大的视场，因此本发明还可以大大提升激光雷达的扫描效果。另外，本发明中整个激光雷达的运动部件只有一个控制多面体反射镜旋转的电机控制模组，成本低、可靠性强。

附图说明

图1为二维MEMS振镜的工作原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一种混合固态式激光雷达的应用场景示意图；

图3为本发明实施例提供的一种混合固态式激光雷达的结构示意图之一；

图4为本发明实施例提供的一种混合固态式激光雷达的结构示意图之二；

图5为本发明实施例提供的一种混合固态式激光雷达的俯视示意图；

图6为本发明实施例提供的一种混合固态式激光雷达的剖面示意图；

图7为本发明实施例提供的一种激光雷达扫描方法的流程示意图之一；

图8为本发明实施例提供的一种激光雷达扫描方法的流程示意图之二。

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，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作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。

以下，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该特征。在本公开实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，“基于”或“根据”的使用意味着开放和包容性，因为“基于”或“根据”一个或多个所述条件或值的过程、步骤、计算或其他动作在实践中可以基于额外条件或超出所述的值。

图1为现有技术中二维MEMS振镜的工作原理示意图。如图1所示，二维MEMS振镜的核心结构是尺寸很小的悬臂梁，其运动方式包括平动和扭转两种机械运动，二维MEMS振镜通过这两种高频的机械运动来操纵激光雷达的激光器发出的探测激光的出射方向，从而得到高分辨率的扫描结果。

但是，一方面，二维MEMS振镜受限于悬臂梁这一核心结构，在车辆长期的震动中，悬臂梁的寿命会受到影响，导致激光雷达的抗震性较差。另一方面，二维MEMS振镜中的微振镜面积小影响测距能力，且偏转角度有限导致视场受限，这都会大大影响激光雷达的扫描效果。此外，二维MEMS振镜的两种机械运动方式需多个电机提供的动力，成本高、可靠性较低。

为了提高激光雷达的抗震性，并提高激光雷达扫描效果，本发明实施例提供了一种混合固态式激光雷达及激光雷达扫描方法，该混合固态式激光雷达包括N个激光器、光束偏转器、多面体反射镜以及电机控制模组，N为正整数；光束偏转器设置于N个激光器和多面体反射镜之间，多面体反射镜与电机控制模组连接；每个激光器，用于向光束偏转器发射一束探测激光；光束偏转器，用于通过电压调谐的方式偏转每束探测激光，形成N束一维扫描光，一维扫描光为垂直视场或水平视场的扫描光；电机控制模组，用于驱动多面体反射镜旋转；多面体反射镜，用于在旋转时反射N束一维扫描光，形成N束二维扫描光，二维扫描光为垂直视场和水平视场的扫描光。本发明实施例采用光束偏转器，以电压调谐的方式先将探测激光偏转为一维扫描光，而后通过旋转的多面体反射镜向外出射二维扫描光。相对于二维MEMS振镜，一方面，本发明实施例能够消除车辆震动对激光雷达产生的不利影响，提高激光雷达的抗震性。另一方面，由于光束偏转器的面积大测距能力强，且光束偏转器配合旋转的多面体反射镜能够形成更大的视场，因此本发明实施例还可以大大提升激光雷达的扫描效果。另外，本发明实施例中整个激光雷达的运动部件只有一个控制多面体反射镜旋转的电机控制模组，成本低、可靠性强。

图2为本发明实施例提供的一种混合固态式激光雷达的应用场景示意图。如图2所示，车辆10中可以设置有多个该混合固态式激光雷达20，从而实现物体探测与规避、物体识别与跟踪、即时定位、地图构建等自动驾驶功能。

图3为本发明实施例提供的一种混合固态式激光雷达的结构示意图之一。如图3所示，该混合固态式激光雷达可以包括激光器100、光束偏转器200、多面体反射镜300以及电机控制模组400。

可以理解的是，激光器100的数量可以为N个，N为正整数。

光束偏转器200可以设置于N个激光器100和多面体反射镜300之间，多面体反射镜300与电机控制模组400连接。

每个激光器100，用于向光束偏转器200发射一束探测激光。

光束偏转器200，用于通过电压调谐的方式偏转每束探测激光，形成N束一维扫描光，一维扫描光为垂直视场或水平视场的扫描光。

电机控制模组400，用于驱动多面体反射镜300旋转。

多面体反射镜300，用于在旋转时反射N束一维扫描光，形成N束二维扫描光，二维扫描光为垂直视场和水平视场的扫描光。

示例性的，如图3所示，1个激光器100发射的探测激光经光束偏转器200偏转后可以形成M°垂直视场的一维扫描光。多面体反射镜300可以为具有n个垂直面的棱镜，该棱镜的n个侧面均为反射面，在电机控制模组400的驱动下，该棱镜可以绕上、下两个平面中心所连成的轴线进行旋转，从而反射M°垂直视场的一维扫描光，形成720/n°(水平视场)×M°(垂直视场)的二维扫描光。

本发明实施例采用光束偏转器200，以电压调谐的方式先将探测激光偏转为一维扫描光，而后通过旋转的多面体反射镜300向外出射二维扫描光。相对于二维MEMS振镜，一方面，本发明实施例能够消除车辆震动对激光雷达产生的不利影响，提高激光雷达的抗震性。另一方面，由于光束偏转器200的面积大测距能力强，且光束偏转器200配合旋转的多面体反射镜300能够形成更大的视场，因此本发明实施例还可以大大提升激光雷达的扫描效果。另外，本发明实施例中整个激光雷达的运动部件只有一个控制多面体反射镜300旋转的电机控制模组400，成本低、可靠性强。

可选的，基于图3，图4为本发明实施例提供的一种混合固态式激光雷达的结构示意图之二。如图4所示，多面体反射镜300可以包括N个反射面，N个激光器100以圆周等分方式设置，多面体反射镜300的N个反射面以圆周等分方式设置。

为便于理解，图5示出了基于图4的混合固态式激光雷达的俯视示意图，图6示出了基于图4的混合固态式激光雷达的剖面示意图。

结合图4、图5和图6，多面体反射镜300可以为具有N个45°倾角面的棱镜，每个45°倾角面的侧边依次连接后，套设于圆柱状的电机控制模组400上。这样，N束探测激光经过光束偏转器偏转后，可以形成圆周上等分位置的N个M°垂直视场一维扫描光，最后经旋转中的具有N个45°倾角面的棱镜反射后形成N个360/N°(水平视场)×M°(垂直视场)的二维扫描光，组合后实现360°的三维扫描。

可选的，如图6所示，混合固态式激光雷达还可以包括N个接收器500；多面体反射镜300，还用于接收入射的反射激光，并反射反射激光，形成第一反射光，反射激光为二维扫描光扫描到物体后反射回的激光；光束偏转器200，还用于通过电压调谐的方式偏转第一反射光，形成第二反射光；接收器500，用于接收第二反射光。

可以理解的是，每个接收器500可以与一个激光器100设置在一起。

可选的，如图6所示，混合固态式激光雷达还可以包括N个聚焦单元600，一个聚焦单元600设置在一个接收器500和光束偏转器200之间；聚焦单元600，用于将第二反射光聚焦至接收器500。

可选的，接收器500可以为APD探测器或SiPM阵列传感器。

可选的，如图6所示，电机控制模组400中可以包括码盘401。具体的，码盘401可以用于确定每束二维扫描光在水平方向的发射角度。

可选的，如图6所示，混合固态式激光雷达还可以包括N个准直单元700，一个准直单元700设置在一个激光器100和光束偏转器200之间。具体的，准直单元700可以用于准直激光器100发射的探测激光。

当然，本发明实施例提供的混合固态式激光雷达包括但不限于上述零部件。

基于上述实施例，图7为本发明实施例提供的一种激光雷达扫描方法之一，应用于上述实施例中的混合固态式激光雷达。如图7所示，该激光雷达扫描方法可以包括以下步骤S701-步骤S703。

S701、N个激光器100向光束偏转器200发射N束探测激光。

S702、光束偏转器200通过电压调谐的方式偏转每束探测激光，形成N束一维扫描光，一维扫描光为垂直视场或水平视场的扫描光。

S703、电机控制模组400驱动多面体反射镜300旋转，以使得多面体反射镜300在旋转时反射N束一维扫描光，形成N束二维扫描光，二维扫描光为垂直视场和水平视场的扫描光。

可选的，混合固态式激光雷达还可以包括N个接收器。基于图7，图8为本发明实施例提供的一种激光雷达扫描方法之二，如图8所示，上述激光雷达扫描方法，还可以包括以下步骤S801-步骤S803。

S801、电机控制模组400驱动多面体反射镜300旋转，以使得多面体反射镜300在旋转时反射反射激光，形成第一反射光，反射激光为二维扫描光扫描到物体后反射回的激光。

S802、光束偏转器200通过电压调谐的方式偏转第一反射光，形成第二反射光。

S803、接收器500接收第二反射光。

本发明另一实施例还提供一种车辆，该车辆包括至少一个如上述实施例所述的混合固态式激光雷达。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种混合固态式激光雷达，其特征在于，包括：N个激光器、光束偏转器、多面体反射镜以及电机控制模组，N为正整数；

所述光束偏转器设置于N个激光器和所述多面体反射镜之间，所述多面体反射镜与所述电机控制模组连接；

每个激光器，用于向所述光束偏转器发射一束探测激光；

所述光束偏转器，用于通过电压调谐的方式偏转每束探测激光，形成N束一维扫描光，所述一维扫描光为垂直视场或水平视场的扫描光；

所述电机控制模组，用于驱动所述多面体反射镜旋转；

所述多面体反射镜，用于在旋转时反射N束一维扫描光，形成N束二维扫描光，所述二维扫描光为垂直视场和水平视场的扫描光。

2.根据权利要求1所述的混合固态式激光雷达，其特征在于，所述混合固态式激光雷达还包括N个接收器；

所述多面体反射镜，还用于接收入射的反射激光，并反射所述反射激光，形成第一反射光，所述反射激光为所述二维扫描光扫描到物体后反射回的激光；

所述光束偏转器，还用于通过电压调谐的方式偏转所述第一反射光，形成第二反射光；

所述接收器，用于接收所述第二反射光。

3.根据权利要求2所述的混合固态式激光雷达，其特征在于，所述混合固态式激光雷达还包括N个聚焦单元，一个聚焦单元设置在一个接收器和所述光束偏转器之间；

所述聚焦单元，用于将所述第二反射光聚焦至所述接收器。

4.根据权利要求2或3所述的混合固态式激光雷达，其特征在于，所述接收器为雪崩光电二极管探测器或硅光电倍增管阵列传感器。

5.根据权利要求1-3任一项所述的混合固态式激光雷达，其特征在于，所述多面体反射镜包括N个反射面，所述N个激光器以圆周等分方式设置，所述多面体反射镜的N个反射面以圆周等分方式设置。

6.根据权利要求1-3任一项所述的混合固态式激光雷达，其特征在于，所述电机控制模组包括码盘；

所述码盘，用于确定每束二维扫描光在水平方向的发射角度。

7.根据权利要求1-3任一项所述的混合固态式激光雷达，其特征在于，所述混合固态式激光雷达还包括N个准直单元，一个准直单元设置在一个激光器和所述光束偏转器之间；

所述准直单元，用于准直所述激光器发射的所述探测激光。

8.一种激光雷达扫描方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7中任一项所述的混合固态式激光雷达，包括：

N个激光器向光束偏转器发射N束探测激光；

所述光束偏转器通过电压调谐的方式偏转每束探测激光，形成N束一维扫描光，所述一维扫描光为垂直视场或水平视场的扫描光；

电机控制模组驱动多面体反射镜旋转，以使得所述多面体反射镜在旋转时反射N束一维扫描光，形成N束二维扫描光，所述二维扫描光为垂直视场和水平视场的扫描光。

9.根据权利要求8所述的激光雷达扫描方法，其特征在于，所述混合固态式激光雷达还包括N个接收器；

所述激光雷达扫描方法，还包括：

电机控制模组驱动多面体反射镜旋转，以使得所述多面体反射镜在旋转时反射反射激光，形成第一反射光，所述反射激光为所述二维扫描光扫描到物体后反射回的激光；

所述光束偏转器通过电压调谐的方式偏转所述第一反射光，形成第二反射光；

所述接收器接收所述第二反射光。

10.一种车辆，其特性在于，所述车辆包括至少一个如权利要求1-7任一项所述的混合固态式激光雷达。

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