CN209979851U - 一种多线扫描激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种多线扫描激光雷达，包括激光发射装置、接收探测装置和驱动器；其中，激光发射装置包括激光发射单元、发射准直单元和发射多面镜旋转单元；所述激光发射单元包括m个发射器，用于发射m束扫描光线；发射扫描多面镜旋转单元具有n面反射面，各反射面与所述旋转轴分别具有不同的俯仰角；任意两个所述反射面的俯仰角的角度差值均小于同一面所述反射面反射输出的m束扫描光线在竖直方向的角分辨率；旋转轴带动所述n面反射面旋转，将所述m束扫描光线反射输出，实现m×n线扫描。本申请的激光雷达既大幅降低了成本，又可在很小的体积内实现更多倍的扫描光线，大大提高了竖直方向分辨率，因此可以达到更远的扫描距离。

Description

一种多线扫描激光雷达

技术领域

本申请涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种多线扫描激光雷达。

背景技术

作为无人驾驶汽车的“眼睛”，对激光雷达具有高分辨率、高稳定性等要求。目前分辨率比较高的Velodyne的64线激光雷达，应用在无人驾驶汽车上仍然存在一些问题：因为点稀疏，对于算法而言有效感知距离不会超过100米，这对于高速卡车场景应用远远不够。

想要提高有效感知距离，就需要进一步提高激光雷达扫描的点密度，即提高分辨率，最直接的就是增加激光器的数量。但是增加激光器的数量，必然大大地增加了激光雷达的成本和体积。

发明内容

本申请的目的在于提供一种多线扫描激光雷达，采用较少的激光器实现较高分辨率的扫描光线，而且成本较低、结构稳定、可靠性高。

为了实现上述目的之一，本申请提供了一种多线扫描激光雷达，包括激光发射装置、接收探测装置和驱动器；

所述激光发射装置包括激光发射单元、发射准直单元和发射多面镜旋转单元；所述激光发射单元包括m个发射器，用于发射m束扫描光线；

所述发射准直单元将所述m个发射器发射的扫描光线准直后射向所述发射多面镜旋转单元；

所述发射多面镜旋转单元包括旋转轴和旋转体，所述旋转体包括围绕所述旋转轴设置的n面反射面，所述n面反射面相对于所述旋转轴分别具有不同的俯仰角；任意两个所述反射面的俯仰角的角度差值均小于同一面所述反射面反射输出的m束扫描光线在竖直方向的角分辨率；

所述m和n均为正整数；

所述激光发射单元发射的m束扫描光线经所述发射准直单元准直后入射到所述发射多面镜旋转单元，所述驱动器驱动所述旋转轴带动所述n面反射面旋转，将所述m束扫描光线反射输出，实现m×n线扫描；

所述接收探测装置用于接收探测所述激光雷达接收到的返回光。

作为实施方式的进一步改进，所述n面反射面的俯仰角由大到小依次相差角度ψ；所述角度ψ＝θ/n，使得所述激光雷达在竖直方向的角分辨率为θ/n，其中θ为同一面所述反射面反射输出的m束扫描光线在竖直方向的角分辨率。

作为实施方式的进一步改进，所述n面反射面根据俯仰角的大小顺序围绕所述旋转轴设置，所述俯仰角取仰角为正值，俯角为负值。

作为实施方式的进一步改进，所述n为奇数时，所述n面反射面的俯仰角分别为0、±ψ、±2ψ……±(n-1)/2ψ；所述n为偶数时，所述n面反射面的俯仰角分别为±1/2ψ、±3/2ψ……±n/2ψ；所述n≥3。

作为实施方式的进一步改进，所述激光发射单元包括两组发射器组，所述两组发射器组分别设于所述发射多面镜旋转单元两侧，所述两组发射器组上的发射器发射的扫描光线经所述发射多面镜旋转单元的反射面反射之后在竖直方向上相互错开；

所述两组发射器组上的发射器总数为m；

所述发射多面镜旋转单元的两侧均设有所述发射准直单元。

作为实施方式的进一步改进，所述m个发射器发射的m束扫描光线经所述发射准直单元准直，并由所述发射多面镜旋转单元反射后输出的m束扫描光线在竖直方向等间距排列。

作为实施方式的进一步改进，所述接收探测装置包括光电探测单元、接收准直单元和接收多面镜旋转单元，所述光电探测单元、接收准直单元和接收多面镜旋转单元分别与所述激光发射装置的激光发射单元、发射准直单元和发射多面镜旋转单元上下叠置。

作为实施方式的进一步改进，所述光电探测单元包括m个光探测器；所述 m个光探测器分别用于接收所述m个发射器发出的扫描光线的返回光。

作为实施方式的进一步改进，所述发射多面镜旋转单元的旋转轴延伸至接收探测装置内，同时作为所述接收多面镜旋转单元的旋转轴；所述发射多面镜旋转单元的旋转体延伸至接收探测装置内，同时作为所述接收多面镜旋转单元的旋转体。

作为实施方式的进一步改进，所述激光雷达还包括一隔板，所述隔板设于所述激光发射装置和所述接收探测装置之间。

本申请的有益效果：通过设计多面镜旋转单元各反射面的俯仰角差值，使得激光发射单元发射的扫描光线经多面镜旋转单元的各反射面反射输出之后，实现更高分辨率的n倍扫描光线，既大幅降低了成本，又可在很小的体积内实现更多倍的扫描光线，大大提高了竖直方向分辨率，因此可以达到更远的扫描距离。

附图说明

图1为本申请实施例激光雷达示意图；

图2为本申请激光发射装置结构示意图；

图3为激光发射单元发射器在发射板上的分布示意图；

图4为本申请接收探测装置结构示意图；

图5为多面镜旋转单元横截面示意图；

图6为部分多线扫描线示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。

在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。

另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。当元件或层被称为在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。

激光雷达是以发射激光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达***。其工作原理是向探测目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从探测目标反射回来的信号(返回光)转换成电信号发送给后端处理***，与发射探测信号进行比较，经过后端***的数据处理后，就可获得目标的方位、动静状态、形状等参数，从而识别自动驾驶汽车前方的路况信息。本申请提供了一种多线扫描激光雷达的硬件装置，采用较少的激光器实现较高分辨率的扫描光线，而且成本较低、结构稳定、可靠性高。

如图1所示为本申请的多线扫描激光雷达的实施例，该激光雷达设于一壳体30内，壳体30面向扫描方向设有光窗口31。壳体30内的激光雷达包括激光发射装置10、接收探测装置20和驱动器。该实施例中，激光发射装置10和接收探测装置30上下叠置，中间设置一隔板32用于隔离激光发射装置10发射的扫描光线和接收探测装置20接收的返回光。图1中激光发射装置10设于隔板 32上方，接收探测装置20设于隔板32下方，在其它实施例中也可以将激光发射装置10设于隔板32下方，接收探测装置20设于隔板32上方，或者省略掉隔板32；激光发射装置和接收探测装置还可以左右设置，分别设于发射多面镜旋转单元的两侧。

如图1-3所示，上述激光发射装置10包括激光发射单元11、发射准直单元 12和发射多面镜旋转单元13。其中，激光发射单元11包括m个发射器111，用于发射m束扫描光线；发射准直单元12将上述m个发射器111发射的扫描光线准直后射向发射多面镜旋转单元13；发射多面镜旋转单元13包括旋转轴132 和旋转体131。该旋转体131包括围绕旋转轴132设置的n面反射面，n面反射面与旋转轴132分别具有不同的俯仰角。其中，任意两个反射面的俯仰角的角度差值均小于同一面反射面反射输出的m束扫描光线在竖直方向的角分辨率。工作时，激光发射单元11发射的m束扫描光线经发射准直单元12准直后入射到发射多面镜旋转单元13，上述驱动器驱动旋转轴132带动n面反射面旋转，将m束扫描光线反射输出，实现m×n线扫描；通过上述接收探测装置20接收探测激光雷达接收到的返回光。该返回光为上述扫描光线在探测区域被探测目标反射或散射后返回的光线。上述m和n均为正整数。

通过设计发射多面镜旋转单元的n面反射面俯仰角的角度差值，将原本m 线的扫描光线扩展为更高角分辨率的m×n线扫描。而且无需增加激光器的数量，既大幅降低了成本，又可在很小的体积内实现更多倍的扫描光线，大大提高了竖直方向的分辨率，因此可以达到更远的扫描距离。

如图2和3所示，该实施例中，激光发射单元11的m个发射器111分成两组，组成两组分别设于发射多面镜旋转单元13两侧的发射器组，两组发射器组分别设于两个发射板112上，发射器111位于发射板112的边缘，并使得两组发射器组上的发射器111发射的扫描光线在竖直方向上相互错开。如图3所示的两侧发射板112上的发射器111，在垂直方向上相互错开。在激光雷达中，如图 2所示，这两个发射板111分别设于发射多面镜旋转单元13的两侧，关于上述壳体30的竖直平分面33左右对称设置。这里壳体30的竖直平分面33是一个虚拟的面，垂直于壳体30的光窗口31所在的平面，并经过发射多面镜旋转单元13的旋转轴132中心。在发射多面镜旋转单元13的两侧均设有发射准直单元12，分别用于将上述两组发射器组发射的扫描光线准直后射向发射多面镜旋转单元13。在其它实施例中，两个发射板112也可以设置为左右不对称，通过反射镜121和透镜122等光路***的设计来使得其发射到发射多面镜旋转单元 13反射面时的扫描光线在竖直方向上相互错开。还可以将m个发射器111全部设置在一个发射板上，从发射多面镜旋转单元13的一侧发射扫描光束。

上述发射多面镜旋转单元13的n面反射面的俯仰角由大到小依次相差角度ψ，这里角度ψ＝θ/n，其中θ为同一面反射面反射输出的m束扫描光线在竖直方向的角分辨率，即未扩展扫描线数前原激光雷达的在竖直方向的角分辨率。旋转轴带动旋转体的n面反射面旋转一圈，n个反射面分别将m束扫描光线在竖直方向上偏转一个小角度ψ后反射输出，使得激光雷达在竖直方向的角分辨率由原来的θ提高到θ/n，实现m×n线扫描。其中，n面反射面可以根据俯仰角的大小按顺序围绕旋转轴设置，取仰角为正值，俯角为负值；n面反射面在水平方向的宽度相等。n为奇数时，n面反射面的俯仰角可以分别为0、±ψ、±2 ψ……±(n-1)/2ψ，如三面反射镜、五面反射镜等；n为偶数时，n面反射面的俯仰角分别为±1/2ψ、±3/2ψ……±n/2ψ，如四面反射镜、六面反射镜等，上述n≥3。当然，各俯仰角也可以取其它角度值，只需要满足各俯仰角由大到小依次相差角度ψ即可。在其它实施例中，上述n面反射面也可以不按俯仰角的大小排；当然，各反射面之间的俯仰角的差值也不一定相等，只要满足如下条件即可：任意两个反射面的俯仰角的角度差值均小于同一面反射面反射输出的m束扫描光线在竖直方向的角分辨率。

该实施例中上述m个发射器发射的m束扫描光线经发射准直单元准直，并由发射多面镜旋转单元反射后输出的m束扫描光线在竖直方向等间距排列，m 束扫描光线在竖直方向的角分辨率即为上述角度θ。等间距排列的m束扫描光线再经上述n面反射镜反射后实现m×n的扫描线，且m×n扫描线在垂直方向的角分辨率ψ＝θ/n，分辨率比原m线扫描激光雷达提高了n倍。

如图4所示，上述接收探测装置20包括光电探测单元21、接收准直单元 22和接收多面镜旋转单元。其中光电探测单元21、接收准直单元22和接收多面镜旋转单元分别与上述激光发射装置10的激光发射单元11、发射准直单元 12和发射多面镜旋转单元13上下叠置。其中，光电探测单元21包括m个光探测器，m个光探测器分别用于接收上述m个发射器111发出的扫描光线的返回光。

上述发射多面镜旋转单元13的旋转轴132延伸至接收探测装置20内，同时作为接收多面镜旋转单元的旋转轴132；发射多面镜旋转单元13的旋转体131 延伸至接收探测装置20内，同时作为接收多面镜旋转单元的旋转体131，保证了发射多面镜旋转单元13的n面反射面与接收多面镜旋转单元的各反射面同步旋转。接收准直单元22也采用与发射准直单元12一样的反射镜221和透镜222 组合的光路***。

如图1-6所示，以原32线激光发射单元配合正五面镜旋转单元为例做进一步的解释说明，即m＝32，n＝5。这里，正五面镜指的是旋转体包括五个围绕旋转轴的反射面，各反射面在水平方向的宽度相等，但是与旋转轴分别具有不同的俯仰角。

两个发射板112上分别各有16个发射器111，两发射板112的发射器111 在竖直方向上相互错开，分别经发射多面镜旋转单元13两侧的发射准直单元12 准直，并由发射多面镜旋转单元13反射后输出的32束扫描光线在竖直方向等间距排列。单侧的发射准直单元12包括一个反射镜121和两个透镜122组成的准直***，各发射器111的发光面位于准直***的焦平面上。各发射器111发射的扫描光线经反射镜121反射后入射到准直***，由准直***准直后入射到发射多面镜旋转单元13。发射多面镜旋转单元13的旋转体131包括5面反射面 S1、S2、S3、S4、S5，5面反射面与旋转轴132分别具有俯仰角0、±ψ、±2 ψ。

如图6所示，该实施例中，原32线扫描激光雷达在竖直方向具有θ＝1.25°的角分辨率，竖直方向的视场为40°，即32个发射器111发射的扫描光线经发射准直单元12准直并由发射多面镜旋转单元13的5面反射面S1、S2、S3、S4、 S5的其中一反射面，如0度俯仰角的反射面S3反射后输出竖直方向角分辨率为 1.25°的32束扫描光线，如图6中的线a3、b3、c3；然后5面反射面旋转至下一个反射面，如俯仰角为ψ的反射面S4，此时ψ＝1.25°/5＝0.25°，原32束扫描光线a3、b3、c3……经该反射面S4反射后在竖直方向向上偏转0.25°后输出，如图6中的线a4、b4、c4；5面反射面再继续旋转至下一个反射面，如俯仰角为 2ψ的反射面S5时，原32束扫描光线a3、b3、c3……经该反射面S5反射后在竖直方向向上偏转0.25°×2＝0.5°后输出，如图6中的线a5、b5、c5；以此类推，经另外两个俯仰角分别为－ψ和－2ψ的反射面S2、S1反射后，原32束扫描光线a3、b3、c3……分别向下偏转0.25°和0.5°后输出，如图6中的线a2、 b2、c2和a1、b1、c1。需要说明的是，图6中采用不同的线型仅为了便于区分不同反射面反射输出的扫描光线，并不表示扫描光线的轨迹为图中所示的线型。发射多面镜旋转单元12旋转一周后，将原竖直方向角分辨率为1.25°的32线扫描光线提高到竖直方向角分辨率为0.25°的160线扫描光线。即通过5面反射面转动一圈之后各反射面反射输出的扫描光线在竖直方向依次错开，使得激光雷达在竖直方向的角分辨率由原来的1.25°提高到0.25°，实现160线扫描。其中，各发射器的发射频率是发射多面镜旋转单元转动频率的5倍。

相应的，在下方的接收探测装置20里，具有分别与上述发射准直单元12 和接收多面镜旋转单元13一致的接收准直单元22和接收多面镜旋转单元。接收多面镜旋转单元的5面反射面均为发射多面镜旋转单元13的各反射面的直接延伸。上述32束扫描光线发射到前方探测区域内，被探测目标反射或散射后返回的光线被接收多面镜旋转单元的相应反射面同步接收并反射到接收准直单元 22，由接收准直单元22聚焦到光电探测单元21的各光探测器上。与激光发射单元11相应的，光电探测单元21包括两个接收板，每个接收板上分别设于16 个光探测器，与上述两个发射板112上的发射器111一一对应。发射板112上的各发射器111为边缘发光，设于发射板111的边缘，发射板111的边缘朝向发射准直单元12；光探测器为面接收光，设于接收板的板面上，面朝接收准直单元 22。

由于多面镜旋转扫描方式输出的扫描光线，在反射面的左右两端极限位置反射输出的扫描光线存在形变，所以在该实施例中采用的是中间形变不明显的水平视场范围内的扫描光线，例如水平方向有效扫描范围在90°水平视场范围内。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多线扫描激光雷达，其特征在于：包括激光发射装置、接收探测装置和驱动器；

所述激光发射装置包括激光发射单元、发射准直单元和发射多面镜旋转单元；

所述激光发射单元包括m个发射器，用于发射m束扫描光线；

所述发射准直单元将所述m个发射器发射的扫描光线准直后射向所述发射多面镜旋转单元；

所述发射多面镜旋转单元包括旋转轴和旋转体，所述旋转体包括围绕所述旋转轴设置的n面反射面，所述n面反射面相对于所述旋转轴分别具有不同的俯仰角；任意两个所述反射面的俯仰角的角度差值均小于同一面所述反射面反射输出的m束扫描光线在竖直方向的角分辨率；

所述m和n均为正整数；

所述激光发射单元发射的m束扫描光线经所述发射准直单元准直后入射到所述发射多面镜旋转单元，所述驱动器驱动所述旋转轴带动所述n面反射面旋转，将所述m束扫描光线反射输出，实现m×n线扫描；

所述接收探测装置用于接收探测所述激光雷达接收到的返回光。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于：所述n面反射面的俯仰角由大到小依次相差角度ψ；所述角度ψ＝θ/n，使得所述激光雷达在竖直方向的角分辨率为θ/n，其中θ为同一面所述反射面反射输出的m束扫描光线在竖直方向的角分辨率。

3.根据权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于：所述n面反射面根据俯仰角的大小顺序围绕所述旋转轴设置，所述俯仰角取仰角为正值，俯角为负值。

4.根据权利要求1或2所述的激光雷达，其特征在于：所述n为奇数时，所述n面反射面的俯仰角分别为0、±ψ、±2ψ……±(n-1)/2ψ；所述n为偶数时，所述n面反射面的俯仰角分别为±1/2ψ、±3/2ψ……±n/2ψ；所述n≥3。

5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于：所述激光发射单元包括两组发射器组，所述两组发射器组分别设于所述发射多面镜旋转单元两侧，所述两组发射器组上的发射器发射的扫描光线经所述发射多面镜旋转单元的反射面反射之后在竖直方向上相互错开；

所述两组发射器组上的发射器总数为m；

所述发射多面镜旋转单元的两侧均设有所述发射准直单元。

6.根据权利要求1或5所述的激光雷达，其特征在于：所述m个发射器发射的m束扫描光线经所述发射准直单元准直，并由所述发射多面镜旋转单元反射后输出的m束扫描光线在竖直方向等间距排列。

7.根据权利要求1或5所述的激光雷达，其特征在于：所述接收探测装置包括光电探测单元、接收准直单元和接收多面镜旋转单元，所述光电探测单元、接收准直单元和接收多面镜旋转单元分别与所述激光发射装置的激光发射单元、发射准直单元和发射多面镜旋转单元上下叠置。

8.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于：所述光电探测单元包括m个光探测器；所述m个光探测器分别用于接收所述m个发射器发出的扫描光线的返回光。

9.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于：所述发射多面镜旋转单元的旋转轴延伸至接收探测装置内，同时作为所述接收多面镜旋转单元的旋转轴；所述发射多面镜旋转单元的旋转体延伸至接收探测装置内，同时作为所述接收多面镜旋转单元的旋转体。

10.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于：所述激光雷达还包括一隔板，所述隔板设于所述激光发射装置和所述接收探测装置之间。

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