一种基于二维振镜的激光雷达装置及系统

摘要

本发明涉及激光雷达技术领域，公开了一种基于二维振镜的激光雷达装置，包括激光发射单元，用于发射激光束；发射端振镜，用于改变发射激光束的方向，实现对目标的扫描，发射端振镜包括一个二维振镜，其在两个相互垂直的方向上偏转；接收端振镜，用于接收被待测目标反射后的激光束，并将其反射至激光接收单元，接收端振镜包括多个二维振镜，组成二维阵列，每个二维振镜在两个相互垂直的方向上偏转，多个二维振镜同步或异步偏转；激光接收单元，用于接收并处理接收端振镜反射的激光束。本发明激光雷达装置能够减少进入装置的背景光辐射，从而有效提高装置的信噪比，且结构简单、紧凑以及生产成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种基于二维振镜的激光雷达装置及系统。

背景技术

激光雷达是一种主动式探测系统，其工作原理是向待测目标主动发射激光信号，并接收目标反射回的激光信号，通过对发射和接收信号的特征进行比较分析，获得待测目标的信息。测距激光雷达是其中一种重要的类型，其通过测量激光从发射端到目标的传输时间实现目标距离和轮廓等信息的测量，在自动驾驶、地形测绘、公路检测、矿场检测、城市三维建模等领域有广泛的应用前景。

为了获得目标的距离和轮廓信息，需要对目标进行空间取样，构建一系列目标点云。按照对目标空间取样方式的不同，可将激光雷达分为机械式、半机械式和全固态三种类型。其中，机械式激光雷达通常采用机械旋转机构带动扫描光学元件，使发射激光束按照一定方式在空间扫描，实现对目标的取样探测。由于机械扫描机构一般较复杂，且对其稳定性和扫描速度等方面要求较高，成本也较高，目前主要用于二维激光雷达中。半机械式也是采用与上述类似的机械扫描机构，但其有多个激光器和接收器，且激光器在空间中是纵向排列并覆盖一定角度的，因此，其只需通过机械旋转即可实现水平方向360°和垂直方向一定角度的探测，这种激光雷达通常信噪比高，探测距离远，精度较高，但由于系统复杂，成本过于高昂，导致该类激光雷达难以普及。全固态式激光雷达则是没有任何机械扫描机构，直接发射一束大发散角的激光束覆盖整个视场，采用面阵探测器进行反射信号的同步接收。该方法由于结构简单，成本可大大降低，但由于其瞬时视场角大，信噪比较低，探测距离较短。

因此，迫切需要提出一种结构相对简单，成本较低，且信噪比较高，探测距离远的激光雷达系统，以弥补现有技术的不足。

发明内容

为解决上述至少一个技术问题，本发明公开了一种基于二维振镜的激光雷达装置，所述激光雷达装置包括：

激光发射单元，用于发射激光束；

所述激光发射单元包括激光器和激光准直子单元，所述激光器用于发射激光束，所述激光准直子单元用于对所述激光发射单元发射的激光束进行准直。

发射端振镜，用于改变所述发射激光束的方向，实现对目标的扫描。所述发射端振镜包括一个二维振镜，所述二维振镜在两个相互垂直的方向上偏转；

接收端振镜，用于接收被待测目标反射后的激光束，并将其反射至激光接收单元，

所述接收端振镜包括多个二维振镜，多个二维振镜组成二维阵列，每个所述二维振镜在两个相互垂直的方向上偏转，多个二维振镜同步或异步偏转；

所述发射端振镜与所述接收端振镜的有效通光孔径大于所述激光束的直径。

所述发射端振镜和所述接收端振镜的振镜上均涂覆有反射膜，所述反射膜的反射波长与所述激光发射单元的输出波长相匹配。

激光接收单元，用于接收并处理所述接收端振镜反射的激光束。

所述激光接收单元包括探测器，所述探测器用于接收激光信号并转换为电信号输出。

所述激光接收单元还包括滤光片，所述滤光片的透射波长以及透射带宽分别与所述激光发射单元的输出波长以及输出带宽相匹配，所述滤光片为窄带滤光片。

进一步的，沿预设光路，所述激光接收单元设置在所述接收端振镜的后方，所述激光接收单元的光接收面面向所述接收端振镜的反射面。

进一步的，所述接收端振镜上各振镜的偏转方向完全一致并同步改变，沿预设光路，所述激光接收单元和所述接收端振镜之间设置有接收透镜单元，探测器置于所述接收透镜单元的焦平面位置，

或，

所述接收端振镜上各振镜异步偏转，通过调节所述接收端振镜上的各振镜的偏转角度实现光束会聚，探测器置于会聚点位置。

进一步的，所述接收端振镜的中心线和所述激光接收单元的光轴重合。

进一步的，所述接收透镜单元的口径、所述接收透镜单元的焦距以及所述探测器尺寸匹配于视场角；

进一步的，所述激光雷达装置还包括振镜驱动单元，用于调整所述发射端振镜以及所述接收端振镜的偏转角度。

进一步的，本发明还提供了一种基于二维振镜的激光雷达系统，所述激光雷达系统包括所述激光雷达装置。

采用上述技术方案，本发明所述的基于二维振镜的激光雷达装置及系统具有如下有益效果：

1)本发明激光雷达装置中接收端振镜的视场能够随着发射端振镜的扫描角度的变化而变化，使得每个时刻的瞬时视场角可以控制得非常小，从而使背景光的影响大大降低，信噪比相应提高，探测距离显著增大；

2)本发明激光雷达装置的发射端和接收端全部采用二维振镜进行调节和扫描，使其在确保较高的扫描频率的前提下，结构更为简单和紧凑；

3)本发明激光雷达装置不需要复杂的机械扫描机构，且只需要一个激光光源和一个探测器即可工作，使成本大大降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1所述的激光雷达装置的光路示意图；

图2是本发明所述的激光雷达装置的发射端振镜示意图；

图3是本发明所述的激光雷达装置的接收端振镜示意图；

图4是本发明实施例2所述的激光雷达装置的光路示意图；

图5是本发明实施例3所述的激光雷达装置的光路示意图；

图6是传统激光雷达装置的视场角的示意图；

图7是本发明所述的激光雷达装置的视场角的示意图；

图中，1－激光发射单元，2－发射端振镜，3－接收端振镜，4－接收透镜单元，5－激光接收单元，6－待测目标，700，800，701，801－发射激光束，702，802，710，720，730，810，820，830－反射激光束，711，721，731，811，821，831－会聚激光束。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“顶”、“底”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。

实施例1：

本实施例公开了一种基于二维振镜的激光雷达装置及系统，所述基于二维振镜的激光雷达系统包括基于二维振镜的激光雷达装置，现结合图1、图2和图3，对所述基于二维振镜的激光雷达装置进行详细介绍。

具体的，所述基于二维振镜的激光雷达装置包括：

激光发射单元1，用于发射激光束，所述激光发射单元1包括激光器和激光准直子单元，所述激光器用于发射激光束，所述激光准直单元用于对所述激光发射单元发射的激光束进行准直；

发射端振镜2，用于改变所述发射激光束的方向，实现对目标的扫描。所述发射端振镜2包括一个二维振镜，所述二维振镜在两个相互垂直的方向上偏转；

接收端振镜3，用于接收所述激光束被待测目标6反射后的激光束，并并将其反射至激光接收单元5，

所述接收端振镜3包括多个二维振镜，多个二维振镜组成二维阵列，每个所述二维振镜可在两个相互垂直的方向上偏转，多个二维振镜同步或异步偏转；

激光接收单元5，用于接收并处理所述接收端振镜3反射的激光束；

接收透镜单元4，用于将所述接收端振镜3反射的光束聚焦于所述激光接收单元5，所述接收透镜单元4的透镜口径以及接收透镜单元4的焦距匹配于视场角，所述接收透镜单元4的透镜表面上涂覆有增透膜，通过涂覆增透膜提高激光透光率。

其中，由于大多数情况下，待测目标物6表面为漫反射面，且表面形状不一定规则，因此，为了便于分析，通常将其作为朗伯反射面考虑。

进一步的，所述激光雷达装置还包括振镜驱动单元，用于调整所述发射端振镜2以及所述接收端振镜3的偏转角度。

具体的，参阅图1所示，激光发射单元1向所述发射端振镜2发射激光束。优选的，所述激光发射单元1包含一激光器和激光准直子单元，优选的，所述激光准直子单元为光束准直透镜，所述激光器可以是半导体激光器。优选的，所述激光器输出的激光束的波长可以为常用的905nm或1550nm，或者采用其它合适的波长。所述激光器发出的激光束经所述光束准直透镜进行准直，从而减小光束的发散角。

所述激光发射单元1发射的激光束入射到所述发射端振镜2上后，光束方向发生改变，具体的，所述发射端振镜2包括一个二维振镜，在所述振镜驱动单元的驱动下，所述二维振镜沿两个相互垂直的方向发生偏转，即实现左右和上下的偏转，从而改变照射到待测目标6上的激光束的方向。所述激光束被待测目标6反射后，其中一束光照射在所述接收端振镜3上。所述接收端振镜3包括多个二维振镜，所述多个二维振镜组成二维阵列，在所述振镜驱动单元的驱动下，每个二维振镜沿两个相互垂直的方向偏转，即实现左右或上下的偏转，使照射在所述接收端振镜3上的光束被反射至所述激光接收单元5。所述接收端振镜3的二维振镜阵列由M×N排布的二维振镜组成，其中M≥2，N≥2。如图3所示，M的取值为4，N的取值也为4。在图1所示的光路中，所述接收端振镜3的中心线、所述接收透镜单元4的光轴和所述激光接收单元5的中心在一条直线上。所述发射端振镜2与所述接收端振镜3的振镜有效通光口径大于所述激光束的直径。所述振镜的反射面上涂覆有反射膜，所述反射膜的反射波长与激光发射单元1的输出波长相匹配。

作为一个优选实施例，本实施给出偏转角度为θ的示例性说明，具体如图1所示，发射激光束100入射到所述发射端振镜2上后，被所述发射端振镜2反射，此时，激光束沿第一条路径：100→701→702进行传输，随后经接收透镜单元4传输至激光接收单元5。当所述发射端振镜2偏转θ角后，所述发射激光束100入射到所述发射端振镜2上后，被所述发射端振镜2反射，此时，激光束沿第一条路径：100→801→802进行传输，然后经接收透镜单元4传输至激光接收单元5。

所述激光接收单元5包含一探测器，所述探测器的响应波长范围覆盖激光器的输出波长，优选的，所述探测器为雪崩二极管(APD)，可以有效提高信号增益。所述激光接收单元5还包括滤光片，所述滤光片设置在所述探测器之前，所述滤光片的透射波长以及透射带宽分别与所述激光发射单元1的输出波长以及输出带宽相匹配，所述滤光片为窄带率滤光片。

具体的，在上述光路路径中，光路从第一反射路径偏转至第二反射路径的过程中，所述接收端振镜3中的所有振镜同步同方向偏转。

需要说明的是，图1作为示意图，为了清晰描述，仅画出了一条沿着光轴传输的光线，且未按照实际比例和角度绘制光路图，而实际应用中，目标到激光雷达的距离L可能达到几米乃至几百米，而激光雷达内部光路尺寸w和h通常仅为厘米量级，与L相比小得多，因此，偏离角度θ实际上非常微小，可能仅为mrad量级或更小。之后，通过同步偏转接收端振镜3上的二维振镜的角度可使该振镜反射的光被接收透镜单元4会聚并被激光接收单元5接收。采用上述方式，依次快速改变发射端振镜2和接收端振镜3的偏转角度，就可以实现对整个被测目标的扫描，获得与目标上不同位置相对应的距离的点云数据。

可知的，所述接收端振镜3上的振镜的偏转方向完全相同且同步改变，这样就可以达到普通的整片反射镜相同的反射效果，进一步的，通过对接收端振镜3上的每一个振镜施加驱动信号，使其工作在谐振频率下，就可以达到几百甚至上千赫兹以上的振动频率，实现对目标高扫描探测，调节更加简单、稳定。

实施例2：

参阅图4所示，本实施例给出了基于二维振镜的激光雷达装置的另一种光路示意图，在本实施例中，与实施例1不同的是，所述接收端振镜3上的各个二维振镜的偏转方向是不完全相同的，通过对接收端振镜3上各个二维振镜的偏转角度的精确调节，实现光束的会聚，这样可使系统更加简化，使激光雷达的装置结构紧凑。

具体的，如图4所示，通过精确调节接收端振镜3上各个二维振镜的偏转角度，使其改变光束波面的形状，将待测目标6的反射光束810、反射光束820以及反射光束830分别变换为反射光束811、反射光束821以及反射光束831，使得所述接收端振镜3达到与凹面反射镜类似的会聚效果，并最终在激光接收单元处会聚。进一步的，由图示可知，沿着预设光路，所述激光接收单元5设置在接收端振镜3后方，且所述激光接收单元5的接收面面向所述接收端振镜3的反射面。

实施例3：

参阅图5所示，本实施例给出了基于二维振镜的激光雷达装置的另一种光路示意图，在本实施例中，与实施例2类似的是，所述接收端振镜3上的各个二维振镜的偏转方向是不完全相同的，通过对接收端振镜3上各个二维振镜的偏转角度的精确调节，实现光束的会聚，使系统简化，使激光雷达的装置结构紧凑。与实施例2不同的是，该实施例3的接收端采用离轴光路布局，即即接收端振镜3的二维振镜上的入射光与反射光是非共轴的，这样可以避免激光接收单元5对光路的遮挡造成接收能量损失。

具体的，如图4所示，通过精确调节接收端振镜3上各个二维振镜的偏转角度，使其改变光束波面的形状，将待测目标物6的反射光束710、反射光束720以及反射光束730分别变换为反射光束711、反射光束721以及反射光束731，使得所述接收端振镜3达到与凹面反射镜类似的会聚效果，并最终在激光接收单元5处会聚。

对于上述实施例2和实施例3中，接收端振镜3的每个振镜的尺寸需要适当减小，并通过提高振镜的密度和数量，来提高光束会聚效果，减少能量损失。

需要说明的是，上述实施中，由于发射端振镜2采用的二维振镜，所述接收端振镜3采用了多个二维振镜组成的二维阵列，使得激光雷达的结构简化、紧凑，并且，瞬时视场角可以设计得足够小，以尽量减小背景光的影响，下面通过图6和图7进行说明。

具体的，图6是传统激光雷达装置的视场角示意图，即在激光雷达装置的接收端中未采用振镜，而是直接采用透镜组来接收。当然，也有的激光雷达装置采用反射镜组或透镜与反射镜的组合来接收，比如卡塞格林系统，其本质上是相同的。此处仅以图6所示的透镜组为例来分析。图6中，发射端采用普通反射镜或振镜接收探测激光束，来改变激光束扫描方向，以实现对整个目标的全覆盖。但在接收端，由于透镜和探测器无法随之而移动和偏转，因此，为了能够接收到目标上各处的漫反射光，其设计的接收端瞬时视场角

而在本发明中，其瞬时视场角可根据图7来分析。由于每个时刻只需要保证接收透镜单元4和激光接收单元5能够接收到接收端振镜3反射的一束发散角很小的激光束即可，而不需要其每个时刻都覆盖全视场，因此，本发明中的所述激光雷达的瞬时视场角

进一步的，本发明所述的基于二维振镜的激光雷达装置的发射端(主要包括激光发射单元1和发射端振镜2)和接收端(主要包括接收端振镜3和激光接收单元5)都采用了二维振镜，既能够达到比传统激光雷达高得多的扫描速度，又能使瞬时视场角大大减小，从而大幅降低了背景光的干扰，使信噪比大大提高。由于全部采用二维振镜扫描代替机械扫描机构，使激光雷达工作更加平稳，且能够避免机械磨损，使用寿命更长。同时，系统重量和体积也大大减小，生产制造成本也大幅降低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。