发射摆镜反射面适配探测光斑的旁轴式扫描系统的制作方法

本技术涉及激光雷达扫描，特别是涉及旁轴式扫描系统。

背景技术：

1、激光雷达作为车辆自动驾驶系统中的核心环境感知传感技术，通过发射激光束并接收回波信号，实现对车辆周边目标（如车辆、行人、障碍物等）的位置、速度、轮廓等特征量的精准探测，其系统性能直接决定了自动驾驶车辆的环境识别精度、行驶安全性及环境适应性等关键指标。在车载扫描式激光雷达系统中，发射光路负责输出激光束，接收光路负责捕获经周边目标反射后的激光回波，两者的视场对准精度与系统结构复杂度，是影响车载激光雷达整体性能及车辆自动驾驶可靠性的核心因素。

2、为简化车载激光雷达的系统结构、降低硬件成本与安装难度，并确保发射光路与接收光路的视场严格对准，避免因光路偏移导致的探测误差（进而引发自动驾驶决策失误），现有车载扫描式激光雷达普遍采用发射光路与接收光路共用扫描元件的设计方案，如同轴方案、共摆镜方案等。该类设计通过单一扫描元件同时实现发射光束的出射扫描与接收回波的入射扫描，无需额外设置两套独立扫描机构，有效简化了车载激光雷达的光学结构与装配流程，降低了视场对准的调试难度，适配车辆有限的安装空间需求，在各类车载中低成本、小型化激光雷达产品中得到了广泛应用。

3、然而，上述共用扫描元件的设计方案虽具备结构简化、视场对准可靠等优势，但在车辆实际行驶场景中，受限于车载环境的特殊性及发射光路与接收光路的固有特性差异，仍存在诸多难以克服的局限，严重制约了车载扫描式激光雷达的探测性能提升与自动驾驶场景的拓展，具体如下：

4、一方面，存在严重的收发串扰问题。发射光路发射的激光束经共用扫描元件出射后，部分激光能量会通过扫描元件的表面反射、内部散射等方式，直接耦合至接收光路的探测端，形成近场串扰信号。该串扰信号与车辆周边目标反射的真实回波信号叠加，会干扰接收端对真实回波的识别与检测，导致探测精度下降、虚假点云生成等问题，影响车载激光雷达对车辆周边环境的准确感知，进而可能导致自动驾驶系统做出误判，威胁车辆行驶安全，这一问题在车载tof类型激光雷达中尤为突出。目前，行业内虽尝试通过物理格挡方式隔离收发光路，但由于扫描元件（如同摆镜）需进行高速往复运动，物理格挡易与扫描元件发生运动冲突，无法实现有效隔离；部分方案采用时间门控、偏振隔离等技术抑制串扰，但此类方法不仅抑制效果有限，无法彻底消除串扰影响，还会额外增加系统的电路复杂度与硬件成本，不利于车载激光雷达的小型化、低成本化及轻量化发展，难以适配车辆的安装与功耗需求。

5、另一方面，扫描元件的尺寸设计存在难以调和的妥协。接收光路的核心需求是尽可能收集车辆周边目标反射的回波能量，以提升探测距离与回波信号的信噪比，确保对远距离障碍物的及时探测，保障自动驾驶安全，因此需要扫描元件具备较大的通光孔径；而发射光路仅需通过扫描元件实现激光束的方向偏转与基础整形，无需过大的反射面即可满足使用要求，较小的反射面反而更利于降低扫描元件的转动惯量。在共用扫描元件的设计中，需同时兼顾发射光路与接收光路的需求，导致扫描元件的尺寸不得不设计为适配接收光路的大通光孔径，进而使得扫描元件的转动惯量显著增加。转动惯量的增大不仅会降低扫描元件的扫描速度，影响车载激光雷达的探测刷新率，无法及时捕捉车辆周边动态目标的变化，还会增加系统的功耗，同时可能导致扫描元件在高速运动过程中产生更多热量，影响车载激光雷达的热稳定性（车辆行驶过程中环境温度变化较大，进一步加剧该问题），进而降低扫描精度与长期工作可靠性，这与车载激光雷达向高速扫描、低功耗、高稳定性、高可靠性方向发展的趋势相悖，也限制了其在高级别自动驾驶场景中的应用。

6、综上，现有车载扫描式激光雷达中发射光路与接收光路共用扫描元件的设计方案，虽能简化系统结构、保证视场对准，适配车辆的部分安装需求，但存在的收发串扰、扫描元件尺寸妥协等局限，严重影响了车载激光雷达的探测性能、工作稳定性及工程化应用潜力，进而制约了车辆自动驾驶系统的可靠性与安全性提升，因此，亟需提出一种能够解决上述技术缺陷的技术方案，以推动车载扫描式激光雷达的性能提升与车辆自动驾驶产业的发展。

技术实现思路

1、本技术提供一种发射摆镜反射面适配探测光斑的旁轴式扫描系统，用于降低其转动惯量，进而支持更高的响应速度，适配高速扫描需求。

2、第一方面，本技术实施例提供一种发射摆镜反射面适配探测光斑的旁轴式扫描系统，包括：发射模组、接收模组、发射摆镜、接收摆镜、共用转镜以及同步控制系统；所述发射模组用于产生探测光束；所述接收模组用于接收目标回波；所述发射摆镜设于所述发射模组的光路下游，用于对所述发射模组产生的探测光束进行垂直方向偏折；所述发射摆镜的反射面尺寸适配所述探测光束的光斑直径；所述接收摆镜设于所述接收模组的光路上游，用于对所述目标回波进行垂直方向偏折；所述共用转镜设于所述发射摆镜与所述接收摆镜的反射光路交汇处，对所述发射摆镜发射的探测光束进行水平扫描后出射至目标空间，并对所述目标回波进行水平解扫描后投射到所述接收摆镜；所述同步控制系统用于控制所述共用转镜的转动，并根据所述共用转镜的转动控制所述发射摆镜和所述接收摆镜同步。

3、在所述第一方面的一种实现方式中，所述发射摆镜与所述接收摆镜之间设置有光学隔挡结构，所述光学隔挡结构用于阻断所述探测光束经所述发射摆镜散射后直接进入接收光路的路径。

4、在所述第一方面的一种实现方式中，所述同步控制系统包括：主控模块、转镜控制模块、发射摆镜控制模块及接收摆镜控制模块；所述转镜控制模块用于控制所述共用转镜的转动和获取所述共用转镜的转动相位信号，并向主控模块实时上报所述共用转镜的转动相位信号；所述主控模块用于根据所述共用转镜的转动相位信号生成摆镜角度切换指令，并将所述摆镜角度切换指令同时下发至所述发射摆镜控制模块与和所述接收摆镜控制模块；所述发射摆镜控制模块用于驱动所述发射摆镜运动，并获取所述发射摆镜的实际转动角度；所述接收摆镜控制模块；用于驱动所述接收摆镜运动，并获取所述接收摆镜的实际转动角度。

5、在所述第一方面的一种实现方式中，所述发射摆镜控制模块包括：发射摆镜控制芯片、发射摆镜驱动电机以及设置于所述发射摆镜驱动电机上的第一码盘；所述发射摆镜控制芯片通过从所述主控模块接收到的所述摆镜角度切换指令驱动所述发射摆镜驱动电机转动，所述发射摆镜驱动电机驱动所述发射摆镜运动，所述第一码盘实时采集所述发射摆镜的实际转动角度，并将所述发射摆镜的实际转动角度传输至所述发射摆镜控制芯片；所述接收摆镜控制模块包括：接收摆镜控制芯片、接收摆镜驱动电机以及设置于所述接收摆镜驱动电机上的第二码盘；所述接收摆镜控制芯片通过从所述主控模块接收到的所述摆镜角度切换指令驱动所述接收摆镜驱动电机转动，所述接收摆镜驱动电机驱动所述接收摆镜运动，所述第二码盘实时采集所述接收摆镜的实际转动角度，并将所述接收摆镜的实际转动角度传输至所述接收摆镜控制芯片。

6、在所述第一方面的一种实现方式中，在所述发射摆镜的转动惯量小于所述接收摆镜的转动惯量时，所述发射摆镜采用满足预设高速响应需求的电机驱动，所述接收摆镜采用满足预设输出力矩需求的电机驱动；在所述发射摆镜的转动惯量大于所述接收摆镜的转动惯量时，所述发射摆镜采用满足预设输出力矩需求的电机驱动，所述接收摆镜采用满足预设高速响应需求的电机驱动。

7、在所述第一方面的一种实现方式中，所述发射摆镜的反射面尺寸适配所述探测光束的光斑直径，所述接收摆镜的反射面尺寸适配所述接收光学系统的通光孔径，且所述接收摆镜的反射面尺寸大于所述发射摆镜的反射面尺寸。

8、在所述第一方面的一种实现方式中，还包括：摆镜电机标定模块，所述摆镜电机标定模块用于对所述发射摆镜驱动电机和所述接收摆镜驱动电机进行静态角度偏差标定与动态响应特性标定，以补偿所述发射摆镜驱动电机和所述接收摆镜驱动电机的静态及动态误差。

9、在所述第一方面的一种实现方式中，所述静态角度偏差标定的方式为：控制发射摆镜与接收摆镜同步设定至预设的目标角度，发射激光并记录发射光斑在远场探测面上的实际位置信息，同时通过接收探测目标回波记录接收视场的实际指向位置；根据记录的所述实际位置信息和所述实际指向位置计算发射摆镜与接收摆镜在所述目标角度下的指向偏差；重复上述过程，遍历所有预设的目标角度，获取不同角度下的指向偏差序列；对获取的所述指向偏差序列进行拟合处理，建立发射摆镜指令角度与接收摆镜补偿量之间的函数关系；在线运行过程中，根据所述函数关系计算接收摆镜的补偿量，对接收摆镜的指令角度进行补偿。

10、在所述第一方面的一种实现方式中，采用线性插值或多项式拟合建立所述函数关系，所述函数关系采用线性拟合函数。

11、在所述第一方面的一种实现方式中，所述动态响应特性标定的方式为：将发射摆镜与接收摆镜设置至初始角度，再同时向两者下发角度切换指令，记录两摆镜从所述初始角度稳定至预设目标角度的角度响应曲线；从所述角度响应曲线中提取反映摆镜动态响应能力的关键特性参数；通过遍历所有预设目标角度的跳变组合，获取不同角度切换方向下发射摆镜与接收摆镜的动态响应特性。

12、在所述第一方面的一种实现方式中，基于所述动态响应特性分别检测发射摆镜与接收摆镜的实际角度与目标角度的偏差，若偏差均小于预设到位阈值，控制所述发射模组和所述接收模组进入正常运行模式，若任一偏差超标，控制所述发射模组和所述接收模组进入异常运行模式。

13、本技术实施例提供的发射摆镜反射面适配探测光斑的旁轴式扫描系统，具有以下有益效果：

14、1、本技术采用发射摆镜与接收摆镜分离设计，并未共用单一扫描元件，同时在两者之间专门设置了光学隔挡结构，该光学隔挡结构固定设置于发射摆镜与接收摆镜之间，其设置位置既不影响发射光束经发射摆镜、共用转镜的正常传播路径，也不影响目标回波经共用转镜、接收摆镜的正常传播路径，能够从根本上阻断发射光束经摆镜表面或边缘散射后直接进入接收光路的路径，彻底抑制近场串扰信号的产生。相较于现有技术中依赖物理格挡易产生运动冲突、时间门控或偏振隔离手段抑制效果有限且增加系统复杂度的方案，本技术无需额外设置复杂的串扰抑制组件，在简化系统结构的同时，大幅提升了串扰抑制的可靠性与有效性，避免串扰信号干扰真实回波探测，保障激光雷达的探测精度。

15、2、本技术对发射摆镜与接收摆镜采用差异化设计，两者可根据各自光路的核心需求独立设计、分别选型，无需相互妥协。其中，发射摆镜可采用小尺寸、轻量化的反射面设计，仅需适配发射光束的光斑直径即可，有效降低其转动惯量，进而支持更高的响应速度，适配高速扫描需求；接收摆镜可独立设计为大通光孔径，适配接收光学系统的通光孔径要求，能够最大限度收集目标回波能量，提升回波信号的信噪比与探测距离。同时，两者的驱动电机可根据各自转动惯量的差异进行差异化选型，例如发射摆镜可选用高速响应的微型电机，接收摆镜可选用输出力矩充足的电机，或根据实际发射功率、阵面面积需求灵活调整电机选型，实现各自性能与功耗的最优匹配，最终达成整个激光雷达系统扫描速度、探测效率与功耗的平衡优化，克服了现有共用扫描元件因尺寸妥协导致的扫描速度慢、功耗高、稳定性差等问题。