降低激光雷达高度的发射系统及调光方法与流程

1.本发明涉及激光雷达技术领域，特别是关于一种降低激光雷达高度的发射系统及调光方法。


背景技术：

2.三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系统中，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，由接收系统收集；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。
3.现有激光雷达常用技术路线中，收发系统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。目前线激光扩束通用方法为在激光器后加扩束柱透镜，母线与线激光方向垂直，如图1所示，光线从发射系统射出后，随着光程的增加，竖直方向所需的高度会逐渐增加。正如发明专利cn110161511a专利所述使用线阵探测器作为接收器件，激光发射系统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，提高系统的测量速度和适用范围。
4.但是线激光发射对应线阵探测器的系统存在高度难以降低的问题，其发射系统和接收系统同轴堆叠放置。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，如图1所示。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。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的之一是提供一种能够显著降低激光雷达高度的发射系统，能够降低发射和接收在竖直方向堆叠放置系统的高度。
6.本发明的目的之二是提供一种降低激光雷达高度的发射系统的调光方法，能够简单而有效的将线激光光斑进行准直且完全重合。
7.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供的降低激光雷达高度的发射系统，该发射系统包括：
9.激光器，采用间隔平行放置的四组激光器；
10.快轴准直镜，数量为4个，设置在每一组所述激光器出光方向，所述快轴准直镜的母线方向与慢轴方向平行，被配置为对所述激光器出射光束进行准直；
11.慢轴扩束镜，设置在所述快轴准直镜的出光方向，所述慢轴扩束镜的母线与线激光方向垂直，被配置为对所述激光器慢轴角度进行处理使光束先会聚再扩束。
12.进一步地，所述快轴准直镜和慢轴扩束镜材料均为h
‑
k9l；所述快轴准直镜与慢轴扩束镜间隔2.1mm；所述快轴准直镜有效焦距为4.5mm，所述慢轴扩束镜有效焦距为58.95mm。
13.进一步地，所述快轴准直镜采用平凸非球柱面镜，尺寸为6mm*6mm，中心厚度为2.708mm，在竖直方向中心间隔7mm排列；所述慢轴扩束镜采用球面柱面镜，尺寸为29mm*8mm，中心厚度为6mm；所述激光器采用边发射激光器，每组激光器发光面总长度为3200μm，宽度为600μm。
14.第二方面，本发明还提供一种降低激光雷达高度的发射系统的调光方法，包括：
15.将激光器全部固定在激光板上，并在激光板背面涂抹导热胶后固定在发射系统设定位置；
16.对发射系统的快轴准直镜位置进行平移和/或旋转调整，使所有激光器的光斑完全重合且在预设位置清晰可见，并固定快轴准直镜；
17.将慢轴扩束镜安装在预定位置；
18.烘烤加固和应力释放，完成发射系统的调光过程；
19.其中，定义出光方向为z轴，水平方向为x轴，竖直方向为y轴。
20.进一步地，固定快轴准直镜的过程包括：
21.平移快轴准直镜，如果第一组激光器的光斑经第一快轴准直镜准直后不能重合，通过调整第一快轴准直镜旋转和平移，使得光斑重合且看到清晰靶条；
22.若出现一边有“光晕”状的光斑，则继续调整第一快轴准直镜旋转配合平移，使光斑清晰且左右对称，两边都没有“光晕”；
23.若光斑出现中间靶条清晰，四周有对称的“光晕”状的光斑，则继续调整第一快轴准直镜旋转配合平移，使光斑清晰且左右对称；
24.若光斑清晰且左右对称，调整第一快轴准直镜上边沿超过定位位置设定距离，使光斑清晰位于光屏上的预设位置，此时固定第一快轴准直镜；
25.其他组激光器对应的快轴准直镜调节固定重复上述过程，确保其他组激光器光斑将相应快轴准直镜准直后与第一组激光器光斑完全重合。
26.进一步地，若出现一边有“光晕”状的光斑，则继续调整第一快轴准直镜旋转配合平移，使光斑清晰且左右对称，两边都没有“光晕”的调节过程包括：
27.通过调整z轴方向平移出现一边有“光晕”状的光斑，则调整第一快轴准直镜绕y轴旋转，配合x、y、z的平移，使光斑清晰且左右对称。
28.进一步地，若光斑出现中间靶条清晰，四周有对称的“光晕”状的光斑，则继续调整第一快轴准直镜旋转配合平移，使光斑清晰且左右对称的调节过程包括：
29.若四周有对称的“光晕”(余辉)状的光斑，则调整第一快轴准直镜绕x轴旋转，配合x、y、z的平移，使光斑清晰且左右对称。
30.进一步地，其他组激光器对应的快轴准直镜调节固定重复上述过程，确保其他组激光器光斑将相应快轴准直镜准直后与第一组激光器光斑完全重合过程包括：
31.以第一组激光器准直后位置为标准，固化前其他组激光器与第一组激光器相比均
向左偏出一根靶条，呈现4根靶条状态，通过固化的伸缩使固化后成为3根靶条，依次类推，每一个靶条调节均重复第一快轴准直镜准直调节操作过程，使4个激光器的光斑完全重合。
32.进一步地，调整第一快轴准直镜上边沿超过定位位置设定距离过程包括：
33.调整y方向平移使得第一快轴准直镜上边沿超过定位位置小于0.5mm。
34.进一步地，在快轴准直镜的安装位置以及慢轴扩束镜的安装位置预先涂定量紫外胶，并通过紫外灯照射施胶部位让胶固化以固定快轴准直镜和慢轴扩束镜。
35.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
36.1、本发明利用两组柱面镜组合系统对光束进行整形，实现水平方向(快轴)准直，竖直方向(慢轴)高度降低的效果，同时能够覆盖竖直方向不同大小的视场角度，发射系统高度不会随雷达垂直视场角增大而增加；
37.2、本发明通过优化慢轴扩束镜后，显著降低了发射端高度，从而降低雷达整体体积；
38.3、本发明能够实现竖直30
°
视场角的覆盖，且每个角度的使用区域内的激光能量比较平均，光能利用率超过90％，使得所有角度测距能力一致，克服了线激光器中间角度测距能力强，边缘角度测距能力弱的问题，而且可以通过调整慢轴扩束镜来匹配不同的竖直视场角度；
39.4、本发明的调光方法，简单而有效的将多个线激光准直好且完全重合，满足激光雷达系统的要求；
40.综上所述，本发明可以广泛应用在激光雷达中。
附图说明
41.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
42.图1是现有技术的线激光扩束通用方法示意图；
43.图2是本发明实施例的降低高度发射系统示意图；
44.图3是本发明实施例的降低高度发射系统详细设计图
45.图4是本发明实施例的发射系统镜片摆放与尺寸
46.图5是本发明实施例的单个8芯激光器发光面
47.图6是本发明实施例的不同竖直视场角的能量分布图
48.图7是本发明实施例的快轴准直镜安装示意图；
49.图8是本发明实施例的整体效果工装图；
50.图9是本发明实施例的调节过程光斑效果示意图；
51.图10是本发明实施例的调节过程光斑效果示意图；
52.图11是本发明实施例的调节过程光斑效果示意图；
53.图12是本发明实施例的准直柱透镜安装位置限位效果图；
54.图13是本发明实施例的激光器光斑固化前效果示意图；
55.图14是本发明实施例的激光器光斑固化后效果示意图；
56.图15是本发明实施例的扩束柱透镜安装效果示意图。
具体实施方式
57.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
58.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
59.尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
60.为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
61.本发明提供的降低激光雷达高度的发射系统及调光方法，该发射系统包括：激光器，采用间隔平行放置的四组激光器；快轴准直镜，数量为4个，设置在每一组激光器出光方向，快轴准直镜的母线方向与慢轴方向平行，被配置为对激光器出射光束进行准直；慢轴扩束镜，设置在快轴准直镜的出光方向，慢轴扩束镜的母线与线激光方向垂直，被配置为对激光器慢轴角度进行处理使光束先会聚再扩束。本发明能够实现竖直30
°
视场角的覆盖，且每个角度的使用区域内的激光能量比较平均，光能利用率超过90％，使得所有角度测距能力一致，克服了线激光器中间角度测距能力强，边缘角度测距能力弱的问题，而且可以通过调整慢轴扩束镜来匹配不同的竖直视场角度。
62.实施例一
63.如图2、图3所示，本实施例提供的降低激光雷达高度的发射系统，包括多组激光器1，激光器1出光方向设置有光束整形部件2，使得光束在发射系统内部先会聚再扩散后经窗口3出射。
64.光束整形部件2可以采用快轴准直器21和扩束柱透镜22，本实施例采用四组8芯激光器1间隔平行放置，每一组激光器1出光方向均设置快轴准直镜21，快轴准直镜21的母线方向与慢轴方向平行。快轴准直镜21的出光方向设置慢轴扩束镜22，慢轴扩束镜22被配置为对激光器1慢轴角度进行处理使光束先会聚再扩束，激光器1经过快轴准直后再进行慢轴扩束，母线与线激光方向垂直，使得光束先在激光雷达内部先会聚再扩束。
65.本发明的一些优选实施例中，快轴准直镜21和慢轴扩束镜22材料均为h
‑
k9l。
66.本发明的一些优选实施例中，快轴准直镜21有效焦距为4.5mm，慢轴扩束镜22有效焦距为58.95mm。
67.本发明的一些优选实施例中，如图4所示，快轴准直镜21可以采用平凸非球柱面镜，尺寸为6mm*6mm，中心厚度为2.708mm，在竖直方向中心间隔7mm排列。慢轴扩束镜22可以采用球面柱面镜，尺寸为29mm*8mm，中心厚度为6mm。快轴准直镜21与慢轴扩束镜22间隔为2.1mm。
68.本发明的一些优选实施例中，如图5所示，激光器1选用4组8芯激光器，每组8芯激光器发光面总长度为3200μm，宽度为600μm，优选地，每个激光器采用边发射激光器。
69.通过如上参数设计，可以使本实施例的每组8芯激光器分别射向空间中的不同位置，且覆盖30
°
的竖直视场角，使用区域内的激光能量比较平均。
70.其中，单组激光器通过平凸非球柱面镜可以准直成线光斑，原理如下：在快轴方向，通过平凸非球柱面镜准直成平行光，在慢轴方向的发散角并不做处理，故激光器1经过快轴准直后就形成了线激光。快轴准直镜21对激光器1快轴发散角进行准直，此时慢轴扩束镜22相当于平行平板，不影响快轴发散角；慢轴扩束镜22对激光器慢轴进行扩束时，快轴准直镜21相当于平行平板，不影响慢轴发散角。
71.综上所述，采用本实施例的发射系统对光束进行处理后，在不同的竖直视场角内的能量分布如图6所示，横坐标为竖直方向角度，纵坐标为激光能量，每组8芯激光器覆盖7.5
°
视场，能量利用达到90％以上；4组8芯激光器共同完成30
°
竖直视场角的覆盖。本发明的发射系统使得每个角度内的能量分布相对均匀，进而测距能力表现一致，克服了线激光器中间角度测距能力强，边缘角度测距能力弱的问题。
72.实施例二
73.需要说明的是本领域技术人员在对光路进行调整时需要用到旋转平台、移动平台以及光学器件安装工装组件等，未经详细说明的均为本领域常规工具，在此不做赘述，如图8所示，本实施例定义出光方向为z轴，水平方向为x轴，竖直方向为y轴。
74.针对实施例一的发射系统，本实施例提出一种与之匹配的调光方法，使得每组8芯激光器1经过快轴准直镜21后准直成平行光，且四组8芯激光器1在水平方向重合，再经过慢轴扩束镜22将每组激光器覆盖相应的竖直视场角，具体过程为：
75.s1、固定激光器位置
76.将所有激光器1固定在激光板上，将固定有激光器1的激光板贴设在发射系统机芯结构预设位置处，可以通过现有电路驱动激光板来使激光器1发光。
77.一些实现中，在激光板背面可以均匀涂抹导热胶，增强散热，以降低激光器受温度的影响，并将激光板固定在发射系统的设定位置处，并采用螺丝进行紧固。
78.s2、在快轴准直镜21的安装位置以及慢轴扩束镜22的安装位置预先涂定量紫外胶用来粘贴快轴准直镜21和慢轴扩束镜22，如图7所述的箭头所示，优选地，紫外胶可以涂覆0.1mm厚，以此为例，不限于此。
79.s3、如图8所示，采用现有安装平台对发射系统的快轴准直镜21进行准直调整，具体过程为：
80.s31、若通过安装平台的平移，第一组激光器1经相应快轴准直镜21准直后的光斑
如图9所示，第一组8个激光器光斑不能重合，调整相应快轴准直镜21旋转配合平移，使得光斑重合且看到清晰靶条。
81.具体地，如果通过调整快轴准直镜沿z轴方向平移，第一组8个激光器1光斑不能重合，通过调整快轴准直镜21绕z轴旋转，配合x、y、z的平移，使得光斑重合且看到清晰靶条。
82.s32、若光斑出现如图10所示的一边有“光晕”(余辉)状的光斑，则继续调整快轴准直镜21旋转配合x、y、z的平移，使的光斑清晰且左右对称，两边都没有光晕。
83.具体地，通过调整安装平台z轴方向平移一边有“光晕”(余辉)状的光斑，则调整快轴准直镜21绕y轴旋转，配合x、y、z的平移，使的光斑清晰且左右对称。
84.s33、若光斑如图11所示中间靶条清晰，四周有对称的“光晕”(余辉)状的光斑，则调整快轴准直镜绕x轴旋转配合x、y、z的平移，使的光斑清晰且左右对称。
85.具体地，光斑如图11所示中间靶条清晰，四周有对称的“光晕”(余辉)状的光斑，则调整快轴准直镜绕x轴旋转，配合x、y、z的平移，使的光斑清晰且左右对称。
86.s34、为了使得快轴准直镜21能够在预设位置，不影响其他快轴准直镜的调节，本实施例调整快轴准直镜21上边沿使其超过定位位置设定距离。
87.具体地，调整y方向平移使得快轴准直镜21上边沿超过定位位置小于0.5mm，如图12所示。
88.s35、调整安装平台的移动，使光斑位于光屏上的预设位置，采用紫外灯照射施胶部位大约10s，让胶固化使第一个快轴准直镜21固定，然后取下安装平台。
89.具体地，调整安装平台x方向平移，使光斑位于光屏上的预设位置。
90.s36、第一快轴准直镜21固定后，其他快轴准直镜21的固定重复上述s31～s35，直到完成所有快轴准直镜21的固定。
91.具体地，第一快轴准直镜21准直后以第一组8芯激光器位置为标准，调整使其他组激光器与第一组激光器1重合；考虑到胶的固化伸缩，固化前其他组激光器应与第一组激光器重叠位置如图13，即a2^a3^a4号向左偏出一根靶条，使得第一组激光器向右偏出一根靶条，呈现4根靶条状态，以便紫外胶固化后4组靶条完全重合如图14所示，让第一组激光器向右偏出一根靶条通过调节安装平台的平移实现，通过固化的伸缩使固化后成为3根靶条，依次类推，每一个靶条调节都重复s31～s35的操作，使4组激光器的光斑经相应快轴准直镜后完全重合。
92.s4、如图15所示，将慢轴扩束镜22直接使用紫外胶安装在预定位置。
93.因设计时已经充分考虑加工和安装误差，因此慢轴扩束镜22无需调节即可满足设计要求。
94.s5、烘烤加固和应力释放，例如烘烤时间50min，温度80℃，即完成发射系统的调光过程。
95.最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。