一种混合固态激光雷达及其扫描方法与流程

1.本发明涉及激光雷达领域，特别涉及一种混合固态激光雷达及其扫描方法。


背景技术：

2.现有技术中的激光雷达，主要分为三大类，机械式车载激光雷达，混合固态式车载激光雷达，全固态车载激光雷达。
3.第一类机械式车载激光雷达优点是技术成熟，探测性能优越，分辨率高，360
°
视场，但由于在垂直方向上的分辨率和激光发射器及接收器数量成正比，量产过程中必须对每个发射器和接收器进行精密的光学对准装配及标定，工作量大，产品良率低，成本高。
4.第二类混合固态式车载激光雷达，通过镜子或多面体棱镜旋转来控制激光束方向完成扫描，主要技术是采用微型mems扫描镜来控制激光束方向完成扫描，优点是mems扫描镜比较成熟，可以降低成本，缺点是会受震动影响，且扫描镜偏转角度受限，扫描方向不是360
°
。
5.第三类，全固态激光雷达为两种，一为光学相控阵(opa)方案，采用光学相控阵的技术来控制激光束，而无需任何运动部件；二为泛光(flash)成像lidar，无需光束转向，只需一次闪光即可照明整个场景，再通过类似于数码相机的二维阵列图像传感器探测反射回来的光线。全固态激光雷达其内部没有任何运动部件，可芯片化，量产可大幅降低成本，但技术还不成熟，测距距离短，同样只能扫描一个方向，实现360
°
视场角需多个拼接。
6.激光雷达及激光雷达控制方法发明专利cn107703510a公开了一种激光雷达及激光雷达控制方法，采用垂直振镜和旋转多面镜配合完成三维扫描，采用一个发射器通过振镜实现垂直方向扫描，代替多个发射器以求降低成本及结构的复杂性，但由于无人驾驶对激光雷达水平分辨率要求0.1
°
及刷新频率10帧或以上，并且测量距离要达到200m，根据这技术要求水平方向每扫过0.1
°
的时间为27μs，而每一次测量时间至少2μs，在垂直方向上只能测量13次，即垂直分辨率只能做到2.2
°
，所以达不到第一类多发射器/接收器激光雷达的技术参数要求，无法完全替代。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供了一种混合固态激光雷达及其扫描方法，以解决高成本、低分辨率等问题。
8.根据本发明第一方面实施例的一种混合固态激光雷达，包括：n组激光发射器和激光接收器，分别用于发射、接收探测激光，所述n≥2；第一多面体棱镜，所述第一多面体棱镜具有n个反射面或折射面，n个所述反射面或折射面与所述n组激光发射器和激光接收器的位置一一对应，用于将所述激光发射器发射的探测激光反射或折射至第二多面体棱镜、以及将所述第二多面体棱镜回传的探测激光反射或折射至所述激光接收器，且n个所述反射面或折射面具有相同或不同倾角差，倾角差合计为m1
°
；第二多面体棱镜，与所述第一多面体棱镜结构相同，倾角差合计为m2
°
，且镜像对称设置于所述第一多面体棱镜上方，用于将
所述第一多面体棱镜反射或折射的探测激光反射或折射至被探测区域、以及将被探测区域反射回传的探测激光反射给所述第一多面体棱镜；电机控制模组，用于控制所述第一多面体棱镜与所述第二多面体棱镜实施不同的旋转模式。
9.根据本发明第一实施例的混合固态激光雷达，至少具有如下有益效果：通过各激光发射器发出的激光经两个转镜不同旋转方式及不同倾斜度反射面组合两次反射在一个周期后形成n个具有水平视场360/n度、垂直视场场2*m1
°
的二维扫描光，经组合后在一个周期内形成水平视场360度、垂直视场2(m1
°
m2
°
)的三维扫描光。且整机只有两个水平旋转棱镜，结构简单，通过水平转镜分为n个不同倾斜角度的反射面及不同旋转方式组合后形成n个方向的二维扫描光，代替n个mems振镜，大幅降低成本。
10.根据本发明第一方面的一些实施例，所述电机控制模组包括第一电机控制模组和第二电机控制模组，分别用于控制所述第一多面体棱镜和第二多面体棱镜的连续式旋转和间歇式旋转。
11.根据本发明第一方面的一些实施例，所述n组激光发射器和激光接收器以圆周等分方式设置于所述第一多面体棱镜的周侧。
12.根据本发明第一方面的一些实施例，所述激光发射器的出射方向设置有准直透镜。
13.根据本发明第一方面的一些实施例，所述激光接收器的入射方向设置有聚焦透镜。
14.根据本发明第一方面的一些实施例，所述激光接收器的入射方向设置有聚焦透镜，且该聚焦透镜与所述准直透镜为同一透镜。
15.根据本发明第一方面的一些实施例，所述激光发射器与所述第一多面体棱镜的对应反射面之间设置有第一反射镜，所述第一反射镜倾斜布置以用于将水平发射的探测激光垂直反射给所述第一多面体棱镜。
16.根据本发明第二方面实施例的一种混合固态激光雷达的扫描方法，应用于所述的一种混合固态激光雷达，包括以下步骤：
17.n个激光发射器发射探测激光；
18.控制第一多面体棱镜每旋转一周、第二多面体棱镜对应旋转360/n度和停留，实施交替间歇式旋转；
19.第一多面体棱镜将所述激光发射器发射的探测激光反射或折射，形成n个具有水平视场360/n度、垂直视场2*m1
°
的二维扫描光并发送至所述第二多面体棱镜；
20.第二多面体棱镜将所述第一多面体棱镜发送的探测激光反射或折射，当第二多面体棱镜转动一周，形成水平视场360度、垂直视场2(m1
°
m2
°
)
°
的三维扫描光；
21.三维扫描光照射至被探测区域，然后探测激光反射回传依次经过所述第二多面体棱镜、第一多面体棱镜至所述激光接收器来接收。
22.根据本发明第三方面实施例的一种混合固态激光雷达的扫描方法，应用于所述的一种混合固态激光雷达，包括以下步骤：
23.n个激光发射器发射探测激光；
24.控制第一多面体棱镜和第二多面体棱镜同步旋转一转后，第一多面体棱镜继续原速度旋转，第二多面体棱镜在360
°
/n角度内完成减速并加速回到原来转速，第二多面体棱
镜与第一多面体棱镜形成错位360
°
/n位置后继续同速度旋转，循环n转之后第一多面体棱镜和第二多面体棱镜复位；
25.激光发射器发射的探测激光通过第一多面体棱镜反射或折射到第二多面体棱镜再次反射或折射，形成在水平视场360/n度上n个不同角度的二维扫描光；
26.通过第二多面体棱镜和第一多面体棱镜错位变化组合在n转后形成水平视场360度、垂直视场2(m1
°
m2
°
)的三维扫描光；
27.三维扫描光照射至被探测区域，然后探测激光反射回传依次经过所述第二多面体棱镜、第一多面体棱镜至所述激光接收器来接收。
28.根据本发明第四方面实施例的一种混合固态激光雷达的扫描方法，应用于所述的一种混合固态激光雷达，包括以下步骤：
29.n个激光发射器发射探测激光；
30.控制第一多面体棱镜和第二多面体棱镜以一定的速度比旋转，激光发射器发射的探测激光通过第一多面体棱镜折射或反射到第二多面体棱镜再次反射或折射，形成在水平视场360/n度上n个不同角度的二维扫描光；
31.通过第二多面体棱镜和第一多面体棱镜错位变化组合在n转后形成水平视场360度、垂直视场2(m1
°
m2
°
)的三维扫描光；
32.三维扫描光照射至被探测区域，然后探测激光反射回传依次经过所述第二多面体棱镜、第一多面体棱镜至所述激光接收器来接收。
33.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
34.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
35.图1为本发明第一方面实施例的系统光路图；
36.图2为本发明第一方面实施例的激光雷达俯视图；
37.图3为本发明第一方面实施例的激光雷达主视图；
38.图4为本发明第四方面一实施例的激光雷达主视图；
39.图5为本发明第四方面另一实施例的激光雷达主视图。
具体实施方式
40.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
42.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所
属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
43.参考1至图3所示，为本发明第一方面实施例的一种混合固态激光雷达，包括：
44.n组激光发射器100和激光接收器500，分别用于发射、接收探测激光，所述n≥2，本实施例中优选n为10，激光接收器500为apd或sipm传感器；
45.第一多面体棱镜200，所述第一多面体棱镜200具有n个反射面n个反射面，n个所述反射面n个所述反射面与所述n组激光发射器100和激光接收器500的位置一一对应，用于将所述激光发射器100发射的探测激光反射至第二多面体棱镜反射至第二多面体棱镜300、以及将所述第二多面体棱镜300回传的探测激光反射至所述激光接收器反射至所述激光接收器500，且n个所述反射面n个所述反射面具有相同或不同倾角差，倾角差合计为m1
°
，即相邻反射面与水平面之间的夹角之差，相比没有倾角差的n个反射面n个反射面，可以提高棱镜在垂直视场的n倍分辨率；
46.第二多面体棱镜300，与所述第一多面体棱镜200结构相同，倾角差合计为m2
°
且镜像对称设置于所述第一多面体棱镜200上方，用于将所述第一多面体棱镜200反射的探测激光反射至被探测区域、以及将被探测区域反射回传的探测激光反射给所述第一多面体棱镜200；
47.电机控制模组，用于控制所述第一多面体棱镜100与所述第二多面体棱镜200实施不同的旋转模式。
48.可以看出，本实施例通过各激光发射器发出的激光经两个转镜不同旋转方式及不同倾斜度反射面组合两次反射在一个周期后形成n个具有水平视场360/n度、垂直视场场2*m1
°
的二维扫描光，经组合后在一个周期内形成水平视场360度、垂直视场2(m1
°
m2
°
)的三维扫描光。且整机只有两个水平旋转棱镜，结构简单，通过水平转镜分为n个不同倾斜角度的反射面及不同旋转方式组合后形成n个方向的二维扫描光，代替n个mems振镜，大幅降低成本。
49.此外，上述的倾角差还可以不一定是按固定角度差递增或递减，可以通过设置不同的角度差形成扫描轨迹不同间隔的组合。
50.在本发明第一方面的一些实施例中，所述电机控制模组包括第一电机控制模组401和第二电机控制模组402，分别用于控制所述第一多面体棱镜200和第二多面体棱镜300的连续式旋转和间歇式旋转，由于第二多面体棱镜300与第一多面体棱镜200镜像是对称设置，所以可以择一选择一个是连续式旋转，另一个是间歇式旋转。
51.进一步，在本发明第一方面的一些实施例中，所述第一电机控制模组401和第二电机控制模组402皆设置有码盘以及读取所述码盘刻度的读码器403以实现转动角度的采集，便于准确控制第一多面体棱镜200和第二多面体棱镜300的旋转。
52.优选的，在本发明第一方面的一些实施例中，n组激光发射器100和激光接收器500以圆周等分方式设置于所述第一多面体棱镜200的周侧，并一起装配于激光雷达的壳体600内，如图2、图3所示，n个单发单收模式，通过多面体棱镜a及多面体棱镜b的n个面反射或折射，将水平方向分割为n个二维扫描光，n个激光发射器100同步发射提高了分辨率，单发单收模式又保证了结构简单，装配容易，元器件少及装配简单大幅减低成本。
53.进一步，在本发明第一方面的一些实施例中，所述激光发射器100的出射方向设置
有准直透镜710，可以对激光束进行约束校正，减少发散。
54.在本发明第一方面的一些实施例中，所述激光发射器100与所述第一多面体棱镜200的对应反射面之间设置有第一反射镜800，所述第一反射镜倾斜布置以用于将垂直发射的探测激光水平反射给所述第一多面体棱镜200，此90度光路转向设计可以节约产品占用空间，使得结构更加紧凑。
55.此外，在本发明第一方面的一些实施例中，所述激光接收器500的入射方向设置有聚焦透镜720，便于成像更加清晰。
56.进一步，在本发明第一方面的一些实施例中，所述激光接收器500与所述第一多面体棱镜200的对应反射面之间设置有第二反射镜900，所述第二反射镜900倾斜布置以用于将水平回传的探测激光垂直反射给所述激光接收器500，同理此90度光路转向设计可以节约产品占用空间，使得结构更加紧凑。并且，为了避免阻挡探测激光的出射，第二反射镜开设有通孔供出射的探测激光通过。
57.本发明还包括与上述第一方面实施例同一发明构思的第二方面实施例，即一种混合固态激光雷达的扫描方法，应用于上述混合固态激光雷达，包括以下步骤：
58.n个激光发射器发射探测激光；
59.控制第一多面体棱镜每旋转一周、第二多面体棱镜对应旋转360/n度和停留，实施交替间歇式旋转；
60.第一多面体棱镜将所述激光发射器发射的探测激光反射，形成n个具有水平视场360/n度、垂直视场2*m1
°
的二维扫描光并发送至所述第二多面体棱镜；
61.第二多面体棱镜将所述第一多面体棱镜发送的探测激光反射，当第二多面体棱镜转动一周，形成水平视场360度、垂直视场2(m1
°
m2
°
)
°
的三维扫描光；
62.三维扫描光照射至被探测区域，然后探测激光反射回传依次经过所述第二多面体棱镜、第一多面体棱镜至所述激光接收器来接收。
63.本发明还包括与上述第一方面实施例同一发明构思的第三方面实施例，即一种混合固态激光雷达的扫描方法，应用于上述混合固态激光雷达，包括以下步骤：
64.n个激光发射器发射探测激光；
65.控制第一多面体棱镜和第二多面体棱镜同步旋转一转后，第一多面体棱镜继续原速度旋转，第二多面体棱镜在360
°
/n角度内完成减速并加速回到原来转速，第二多面体棱镜与第一多面体棱镜形成错位360
°
/n位置后继续同速度旋转，循环n转之后第一多面体棱镜和第二多面体棱镜复位；
66.激光发射器发射的探测激光通过第一多面体棱镜反射到第二多面体棱镜再次反射，形成在水平视场360/n度上n个不同角度的二维扫描光；
67.通过第二多面体棱镜和第一多面体棱镜错位变化组合在n转后形成水平视场360度、垂直视场2(m1
°
m2
°
)的三维扫描光；
68.三维扫描光照射至被探测区域，然后探测激光反射回传依次经过所述第二多面体棱镜、第一多面体棱镜至所述激光接收器来接收。
69.相比第二方面实施例中的第一多面体棱镜连续旋转时而间歇式转动的第二多面体棱镜是不转的，形成了n条水平线，第二多面体棱镜每转一个面因为倾斜角不同n条水平线会按倾斜角差同步偏转，间歇式第二多面体棱镜n个角度差就偏转n次，扩大了垂直扫描
视场，而第三方面实施例的第一多面体棱镜和第二多面体棱镜是在同步转，在下一个周期开始时用360
°
/n的(角度)时间进行错位，因为每个面的倾斜角不同，所以组合出n*n个组合，即n*n个角度，分辨率进一步得到提高。
70.如图4所示，为本发明上述反射模式外的第四方面实施例，即折反射模式，第二多面体棱镜以折射棱镜替代以上实施例的反射棱镜，仅需调整激光接收器和发射器的位置即可，同时准直透镜和聚焦透镜采用二合一透镜替代，相应扫描控制方法与上述第二第三方面实施例一致，可以达到同样的效果。具体包括以下步骤：
71.n个激光发射器发射探测激光；
72.控制第一多面体棱镜和第二多面体棱镜以一定的速度比旋转，激光发射器发射的探测激光通过第一多面体棱镜折射到第二多面体棱镜再次反射，形成在水平视场360/n度上n个不同角度的二维扫描光；
73.通过第二多面体棱镜和第一多面体棱镜错位变化组合在n转后形成水平视场360度、垂直视场2(m1
°
m2
°
)的三维扫描光；
74.三维扫描光照射至被探测区域，然后探测激光反射回传依次经过所述第二多面体棱镜、第一多面体棱镜至所述激光接收器来接收。
75.如图5所示，为本发明上述反射模式外的第四方面的另一实施例，即另一折反射模式，第二多面体棱镜以反射棱镜替代以上实施例的折射棱镜，仅需调整激光接收器和发射器的位置即可，同时准直透镜和聚焦透镜采用二合一透镜替代，相应扫描控制方法与上述第二第三方面实施例一致，可以达到同样的效果。具体包括以下步骤：
76.n个激光发射器发射探测激光；
77.控制第一多面体棱镜和第二多面体棱镜以一定的速度比旋转，激光发射器发射的探测激光通过第一多面体棱镜反射到第二多面体棱镜再次折射，形成在水平视场360/n度上n个不同角度的二维扫描光；
78.通过第二多面体棱镜和第一多面体棱镜错位变化组合在n转后形成水平视场360度、垂直视场2(m1
°
m2
°
)的三维扫描光；
79.三维扫描光照射至被探测区域，然后探测激光反射回传依次经过所述第二多面体棱镜、第一多面体棱镜至所述激光接收器来接收。
80.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
81.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。