激光雷达系统、车辆以及激光雷达探测方法与流程

1.本发明涉及激光扫描探测领域，特别是涉及一种激光雷达系统、一种具有该激光雷达系统的车辆以及一种激光雷达探测方法。


背景技术：

2.激光雷达系统是激光技术与雷达技术相结合的产物。激光雷达以激光作介质，发射到目标物上，目标物产生漫反射，反射回来的激光(包含幅值、相位等物理信息)被探测器所接受，从而获取目标物的距离、方位等信息，实现对周围环境的三维探测。激光雷达具有主动探测、抗干扰能力强、探测精度高、全天时工作等优点，广泛应用于自动驾驶领域。
3.目前常见的机械旋转式激光雷达利用多个发射激光器与多个接收探测器实现多线扫描，通过旋转平台实现水平视场360
°
的扫描，但是扫描帧率低且系统结构复杂，需要单独调试激光器与探测器，装配周期长、成本高昂，限制了激光雷达的发展。因此，为了降低激光雷达的成本和体积，作为传统机械式激光雷达的革新者，mems激光雷达受到了越来越广泛的关注，特别是在自动驾驶领域。目前的mems激光雷达大多采用共光路光学系统，存在杂光问题，而且meme微镜口径通常较小，影响测距性能。


技术实现要素：

4.因此，本发明的目的在于提供一种能够避免现有技术中的至少部分缺点的解决方案。
5.本发明第一方面提供了一种激光雷达系统，该激光雷达系统包括发射模块、第一扫描模块、第二扫描模块以及接收模块。发射模块设置用于发射激光光束。第一扫描模块设置用于对激光光束进行一维扫描。第二扫描模块设置用于对从第一扫描模块出射的光束进行一维扫描并投射到目标物上，第二扫描模块与第一扫描模块的扫描方向垂直并结合形成二维扫描。接收模块包括线阵apd(雪崩光电二极管)，经目标物反射回来的光束汇聚到线阵apd上，以产生探测信号。
6.由此，相比于由多个激光器/单点apd配对组合而成的常规机械式激光雷达，例如以16线机械式激光雷达为例，需要对16颗激光器与16颗apd进行一一对应装调，过程复杂，耗时长，本发明通过采用发射模块(例如激光器)匹配线阵apd的方式，使得装调单元少，因此过程简单，耗时短。也就是说，本发明通过采用线阵apd能够解决机械式装调困难和成本高昂的问题。
7.优选地，所述激光雷达系统具有收发非共光路，即激光雷达的投射光线与目标物的反射光线不在同一光路。例如，在本发明的一些实施例中，第二扫描模块包括第一工作部分和第二工作部分，其中，第一工作部分用于对从第一扫描模块出射的光束进行导向，而第二工作部分用于接收经目标物反射回来的光束。通过该第二扫描模块构成的非共光路方案，能够有效地减少杂光的影响。
8.进一步地，在本发明的一些实施例中，所述激光雷达系统还可以包括反射镜，该反
射镜设置用于接收经第二扫描模块反射回来的光束，例如接收经第二扫描模块的第二工作部分反射回来的光束，经反射镜反射回来的光束然后汇聚到线阵apd上。由此，相对于常规的由于扫描器件口径小而限制测距能力的点扫描激光雷达，在这些实施例中，通过上述具有第一工作部分和第二工作部分的大口径第二扫描模块与反射镜的配合作用，能够实现大的接收口径，接收回波能量多，测距远。此外，相对于采用面阵apd的常规设计，在这些实施例中，通过上述方式采用线阵apd与反射镜配合，能够较大程度地降低成本。
9.在本发明的一些实施例中，发射模块可以包括单个激光器或者多个激光器，用来发射激光脉冲或者激光光束。例如，在帧率需求较低的情况下，可以使用单个激光器，以降低成本；而在帧率需要较高的情况下，可以适当增加激光器的数量，以满足帧率需求。备选地，发射模块可以是多通道激光器。
10.在本发明的一些实施例中，第一扫描模块和第二扫描模块构造为可旋转的。例如，第一扫描模块构造为能围绕第一轴线、例如水平轴线旋转的mems微镜(微机电系统，micro-electro-mechanical system)、双面反光镜、多面棱镜以及振镜，但本发明不限于此。进一步地，第二扫描模块构造为能围绕垂直于第一轴线的第二轴线、例如竖直轴线旋转。同样地，第二扫描模块可以为mems微镜或双面反光镜或多面棱镜或振镜，但本发明不限于此。
11.在本发明的一些实施例中，接收模块还包括接收镜组，经目标物反射回来的光束通过接收镜组汇聚到线阵apd上，以产生探测信号。进一步地，当所述激光雷达系统包括上述具有第一工作部分和第二工作部分的第二扫描模块以及包括上述反射镜时，从发射模块出射的光束经第一扫描模块和第二扫描模块形成二维扫描，投射至目标物上的光束发生漫反射，由于光路可逆，其中一部分又经第二扫描模块的第二工作部分反射至反射镜，经反射镜反射的光束再通过接收镜组汇聚到线阵apd上。
12.在本发明的一些实施例中，所述激光雷达系统还包括激光整形模块，设置用于将激光光束准直成平行光束，经准直的平行光束入射到所述第一扫描模块。此时，第一扫描模块对平行光束进行一维扫描，由第一扫描模块反射的光进入第二扫描模块再进行一维扫描，第一扫描模块与第二扫描模块组合实现二维扫描。
13.在本发明的一些实施例中，所述激光雷达系统还包括至少与线阵apd电连接的控制分析模块，该控制分析模块配置用于分析所述探测信号所携带的目标物信息。
14.进一步地，控制分析模块也可以与发射模块、第一扫描模块以及第二扫描模块电连接，以分别控制发射模块发射激光光束以及控制第一扫描模块和第二扫描模块的动作(如旋转)。例如，可以根据所述探测信号所携带的目标物信息来控制激光发射模块、扫描模块等，特别是自动调节激光发射模块和扫描模块的运行及操作状态，以便实时适配于目标物本身的变换或者目标物方位和/或距离的变化。这一点尤其是对于移动目标物的探测具备重要意义。
15.本发明第二方面提供一种车辆，该车辆包括车辆本体和激光雷达系统，该激光雷达系统设置在所述车辆本体中并且设置用于扫描目标物以生成探测信号。该激光雷达系统包括发射模块、第一扫描模块、第二扫描模块以及接收模块。发射模块设置用于发射激光光束。第一扫描模块设置用于对激光光束进行一维扫描。第二扫描模块设置用于对从第一扫描模块出射的光束进行一维扫描并投射到目标物上，第二扫描模块与第一扫描模块的扫描方向垂直并结合形成二维扫描。接收模块包括线阵apd，经目标物反射回来的光束特别是经
过接收镜组汇聚到线阵apd上，以产生探测信号。由此，通过所述激光雷达系统，可以在车辆行驶或者泊车等操作时探测其外部的固定或移动目标物，借此向车辆驾驶员提供相应的通知或者警示信息，和/或供给车辆辅助驾驶系统或者自动驾驶系统决策之用。
16.所述车辆的激光雷达系统为上述根据本发明第一方面提供的激光雷达系统。根据本发明第一方面提供的激光雷达系统的特征和优点同样适用于本发明第二方面提供的车辆。
17.本发明第三方面提供一种激光雷达探测方法，所述激光雷达探测方法包括：
18.步骤一，由发射模块发射激光光束；
19.步骤二，由第一扫描模块对所述激光光束进行一维扫描；
20.步骤三，由第二扫描模块对从所述第一扫描模块出射的光束进行一维扫描并投射到目标物上，所述第二扫描模块与所述第一扫描模块的扫描方向垂直并结合形成二维扫描；
21.步骤四，使经所述目标物反射回来的光束汇聚到所述线阵apd上，以产生探测信号。
22.按照本发明的一些实施例，进一步地，在步骤三中，由所述第二扫描模块的第一工作部分对从所述第一扫描模块出射的光束进行导向并投射到目标物上；在步骤四中，由所述第二扫描模块的第二工作部分对经所述目标物反射回来的光束进行导向，并使经所述第二扫描模块的第二工作部分导向反射后的光束汇聚到所述线阵apd上，以产生探测信号。
23.对此，进一步地，在步骤四中，由反射镜对经所述第二扫描模块的第二工作部分反射后的光束进行导向，并使经所述反射镜导向反射后的光束汇聚到所述线阵apd上，以产生探测信号。
24.按照本发明的一些实施例，进一步地，在步骤四中，使经所述目标物反射回来的光束通过接收镜组汇聚到所述线阵apd上，以产生探测信号。
25.此外，所述激光雷达探测方法还可以包括：由激光整形模块将所述激光光束准直成平行光束，经准直的平行光束入射到所述第一扫描模块。
26.进一步地，所述激光雷达探测方法还可以包括：由控制分析模块分析所述探测信号所携带的目标物信息。对此，所述激光雷达探测方法还可包括：由控制分析模块根据所述探测信号所携带的目标物信息来控制发射模块发射激光光束以及控制第一扫描模块和第二扫描模块的动作。
27.本发明第三方面描述的激光雷达探测方法可应用于本发明第一方面提供的激光雷达系统和/或本发明第二方面提供的车辆。根据本发明第一方面提供的激光雷达系统和根据本发明第二方面提供的车辆的特征和优点同样适用于本发明第三方面提供的激光雷达探测方法。
附图说明
28.下面将结合附图更详细地阐述本发明实施例，其中：
29.图1为现有技术中收发共光路的激光雷达的光学结构示意图；
30.图2为现有技术中收发非共光路的激光雷达的光学结构示意图；
31.图3为本发明实施例提供的成像在线阵apd下端的激光雷达系统的光学结构示意
图；
32.图4为本发明实施例提供的成像在线阵apd中间的激光雷达系统的光学结构示意图；
33.图5为本发明实施例提供的成像在线阵apd上端的激光雷达系统的光学结构示意图；
34.图6为本发明实施例提供的一种激光整形模块的结构示意图；
35.图7为本发明实施例提供的另一种激光整形模块的结构示意图；
36.图8为本发明实施例提供的一种车辆的结构示意图；
37.图9为本发明实施例提供的另一种车辆的结构示意图。
38.图10-12为本发明提供的一种激光雷达探测方法的不同实施例的示意流程图。
具体实施方式
39.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用于更好地理解本发明，而不是用于限制本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。
41.需要说明的是，在本发明实施例中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的方法或者装置不仅包括所明确记载的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为实施方法或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的方法或者装置中还存在另外的相关要素(例如方法中的步骤或者装置中的单元，这里的单元可以是部分电路、部分处理器、部分程序或软件等等)。
42.需要说明的是，本发明实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。因此，在不背离本发明教导的情况下，下文所说的第一工作部分也可以是第二工作部分，而第二工作部分也可以是第一工作部分。
43.现有的激光雷达分为收发共光路和收发非共光路两种类型。
44.如图1所示，收发共光路激光雷达系统是激光雷达投射到目标物的激光与目标物漫反射后反射回来的激光在同一光路。通常情况下，收发共光路激光雷达系统是由激光光源1经过发射镜头2发射激光，经由分光器件3透射、和扫描器件4反射将激光光线向被测目标物5投射。光线投射到被测目标物5后，经目标物5的表面产生漫反射后的激光光束经过相同的光线路径，入射到分光器件3，并由分光器件3将接收到的反射激光光束反射至接收镜头6，最后由激光探测器7将接收到的反射激光光束转换成电信号。收发共光路激光雷达存在杂光问题，而且一般会受到扫描器件口径限制，接收光路入瞳直径较小，只能够接收到较
小口径的反射光信号，因此探测距离短。此外，这种收发共光路激光雷达系统测量的探测精度受到扫描器件角度分辨能力制约，角度分辨率较低，并不能满足正常使用需求。
45.如图2所示，1’表示激光器，2’表示发射镜头，4’表示扫描器件，5’表示目标物，6’表示接收镜头，7’表示探测器。图示系统采取的是非共光路方式，为此需要采用面阵apd作为探测器，但面阵apd成本高昂，影响激光雷达后续发展。
46.因此，为解决机械式装调困难、成本高昂、测距距离小、杂光干扰中的至少一个问题，本发明提供了一种改进的激光雷达系统100，如图3至5所示。激光雷达系统100在发射端110包括发射模块111(例如激光器)、第一扫描模块113和第二扫描模块114。发射模块111用于发射激光光束，第一扫描模块113设置用于对激光光束进行一维扫描，第二扫描模块114设置用于对从第一扫描模块113出射的光束进行一维扫描并投射到目标物200上。第二扫描模块114与第一扫描模块113的扫描方向垂直并结合形成二维扫描。
47.激光雷达系统100在接收端120包括接收模块，该接收模块包括光电探测器121，经目标物200反射回来的光束汇聚到光电探测器121上，以产生探测信号。
48.光电探测器121优选为线阵apd121，从而能够解决机械式装调困难和成本高昂的问题。
49.此外，激光雷达系统100在发射端110还包括设置用于将激光光束准直成平行光束的激光整形模块112、例如准直透镜。激光整形模块112沿激光光束的传播方向设置在发射模块111与第一扫描模块113之间，从发射模块111发射的激光光束经激光整形模块112变为平行光束，该平行光束经由第一扫描模块113进行一维扫描并投射至第二扫描模块114，第二扫描模块114接收激光光束后再次进行一维扫描。
50.如图6所示，激光整形模块112可以包括单个透镜。备选地，如图7所示，激光整形模块112可以包括两个互相垂直放置的柱透镜，即第一柱透镜1121和第二柱透镜1122。
51.进一步地，激光雷达系统100在接收端120还包括接收镜组122，经目标物200反射回来的光束通过接收镜组122汇聚到线阵apd121上，以产生探测信号。
52.在本发明实施例中，第一扫描模块113和第二扫描模块114构造为可旋转的。如图3至5所示，第一扫描模块113构造为能围绕水平轴线h旋转，而第二扫描模块114构造为能围绕垂直于水平轴线h的竖直轴线v旋转。例如，第一扫描模块113为可旋转的mems微镜，第二扫描模块114为双面反光镜。
53.优选地，激光雷达系统100具有收发非共光路。如图3至5所示，第二扫描模块114包括第一工作部分1141和第二工作部分1142。其中，第一工作部分1141作为发射端110的一部分用于对从第一扫描模块113出射的光束进行导向，而第二工作部分1142作为接收端120的一部分用于接收经目标物反射回来的光束，由此构成的非共光路方案能够减少杂光的影响。
54.进一步地，激光雷达系统100在接收端120还包括设置在第二扫描模块114的第二工作部分1142与接收镜组122之间的反射镜123，该反射镜设置用于接收经第二扫描模块114反射回来的光束，例如接收经第二扫描模块114的第二工作部分1142反射回来的光束，经反射镜导向反射回来的激光光束然后通过接收镜组122汇聚到线阵apd上。由此，通过使用线阵apd、双扫描模块以及反射镜组成的非共光路方案，能够有效提高通光口径以及增加测距距离，同时减少杂光的影响。
55.在一个具体示例中，发射模块111构造为四通道激光器，这四个通道可按顺序独立出射激光，经过单整形透镜112进行准直，整形形式如图6所示。准直后的光束入射至第一扫描模块113，第一扫描模块113围绕水平轴线h旋转并提供垂轴方向16
°
的视场扫描。经第一扫描模块113反射之后的光束入射到第二扫描模块114上，该第二扫描模块分为上下两部分工作区域，即第一工作部分1141和第二工作部分1142。上部分工作区域1141用来反射从第一扫描模块113出射的光束，下部分工作区域1142用来接收回波光束、即目标物200反射回来的光束。第二扫描模块114围绕竖直轴线v旋转并提供水平方向70
°
的视场扫描，水平角分辨率为0.2
°
。从上部分工作区域1141出射的扫描光束经目标物200漫反射之后，部分光线沿原路返回，经第二扫描模块114的下部分工作区域1142反射后，反射光束入射至反光镜123，经反光镜123反射的光束再经接收透镜122汇聚至线阵apd上。在该示例中，线阵apd的像元个数为16，因此垂轴视场角分辨率为1
°
，整个激光雷达的帧率为15hz，每秒钟点云数据量为70/0.2*16*15＝84k，能够满足该激光器的重频要求。
56.在另一个具体的示例中，发射模块112同样由一个四通道激光器组成，单个通道可独立出射激光，经过两个互相垂直放置的柱透镜进行光束准直，准直形式如图7所示。准直后的光束入射至第一扫描模块113，第一扫描模块113围绕水平轴线h旋转并提供垂轴方向20
°
的视场扫描。经第一扫描模块113反射之后的光束入射到第二扫描模块114上，该第二扫描模块分为上下两部分工作区域，即第一工作部分1141和第二工作部分1142。上部分工作区域1141用来反射从第一扫描模块113出射的光束，下部分工作区域1142用来接收回波光束、即目标物200反射回来的光束。第二扫描模块114围绕竖直轴线v旋转并提供水平方向50
°
的视场扫描，水平角分辨率为0.1
°
。从上部分工作区域1141出射的扫描光束经目标物200漫反射之后，部分光线沿原路返回，经第二扫描模块114的下部分工作区域1142反射后，反射光束入射至反光镜123，经反光镜123反射的光束再经接收透镜122汇聚至线阵apd上。在该示例中，线阵apd的像元个数为8，因此垂轴视场角分辨率为2.5
°
，整个激光雷达的帧率为20hz，每秒钟点云数据量为50/0.1*8*20＝80k，能够满足该激光器的重频要求。
57.在图3、图4和图5中，θ是光线与水平线的夹角，表示光线的出射方向。若出射光线在水平线以上，则成像在线阵apd的下端，如图3所示；若出射光线与水平线平行，则成像在线阵apd的中间，如图4所示；若出射光线在水平线以下，则成像在线阵apd的上端，如图5所示。
58.此外，激光雷达系统100还包括图中未示出的控制分析模块。该控制分析模块可以与发射模块111、第一扫描模块113、第二扫描模块114以及线阵apd121电连接。该控制分析模块可以配置用于控制发射模块111发射激光光束、控制第一扫描模块113和第二扫描模块114的旋转以及从线阵apd获取探测信号，然后分析探测信号所携带的目标物信息。例如，线阵apd将光信号转化为电信号，控制分析模块可以分析处理电信号所携带的目标物信息，根据信息内容来控制激光发射端、扫描模块等。
59.控制分析模块例如可以包括处理器和存储器。处理器可以为cpu，gpu或其它具有运算能力的芯片。存储器中装有操作系统和应用程序等供处理器执行的各种计算机程序及执行该计算机程序所需的数据，例如从线阵apd获取的探测信号和分析得到的目标物信息。
60.如图8和图9所示，本发明实施例还提供一种车辆，该车辆包括车辆本体300和安装于车辆本体300上的上述激光雷达系统100。该激光雷达系统100设置用于探测车辆主体300
周围的目标物200，例如探测车辆主体300前方、侧方或后方的障碍物(包括固定或移动目标物，例如行人、车辆等其他交通参与者)。激光雷达系统100探测到的探测信息被传输至车辆控制单元，车辆控制单元基于该探测信息计算目标物200的空间位置或相对位置，以供车辆进一步使用，例如在倒车时使用或者用于提示障碍物的存在。
61.如图8所示，激光雷达系统100的发射端110的组件设置在车辆主体300的上部，例如车辆顶盖处，以便形成较大的扫描视场。激光雷达系统100的发射端120的组件同样设置在车辆主体300的上部。可理解的，图8所示的激光雷达系统100的安装位置仅仅是示例性的，而非限制性的。因此，激光雷达系统100还可以被安装于车辆主体300的其他位置处，以探测车辆附近其他空间的目标物。例如可以将激光雷达系统100安装于车辆主体300的后部，以探测车辆主体300后方的目标物，进而为车辆使用人员提供车辆后方的目标物的提示。或者，如图9所示，也可以将将激光雷达系统100安装于车辆主体300的前部，在不影响车辆正常行驶的情况下在车辆前方的形成激光雷达系统100的探测视场。当然，视具体需要和实际情况，还可以考虑将激光雷达系统100安装于车辆主体300的侧方，本发明在此方面没有特别限制。
62.如图10所示，本发明实施例还提供了一种激光雷达探测方法1000，该激光雷达探测方法包括：
63.步骤一s1100，由发射模块111发射激光光束，发射模块111例如为激光器；
64.步骤二s1200，由第一扫描模块113对激光光束进行一维扫描；
65.步骤三s1300，由第二扫描模块114对从第一扫描模块113出射的光束进行一维扫描并投射到目标物200上，其中，第二扫描模块114与第一扫描模块113的扫描方向垂直并结合形成二维扫描；
66.步骤四s1400，使经目标物200反射回来的光束汇聚到线阵apd121上，以产生探测信号。
67.如图11所示，按照本发明的一些实施例，步骤三s1300可以包括：由第二扫描模块114的第一工作部分1141对从第一扫描模块113出射的光束进行导向并投射到目标物200上；相应地，步骤四s1400可以包括：
68.s1410，由第二扫描模块114的第二工作部分1142对经目标物200反射回来的光束进行导向，
69.s1420，使经第二扫描模块114的第二工作部分1142导向反射后的光束汇聚到线阵apd121上，以产生探测信号。
70.此外，如图12所示，关于步骤四，上述分步s1420可以包括：
71.s1421，由反射镜123对经第二扫描模块114的第二工作部分1142反射后的光束进行导向，
72.s1422，使经反射镜123导向反射后的光束汇聚到线阵apd121上，以产生探测信号。
73.进一步具体地，步骤四s1400可以包括：使经目标物200反射回来的光束通过接收镜组122汇聚到线阵apd121上，以产生探测信号。
74.进一步具体地，关于步骤四，特别针对设置有接收镜组的情形，上述分步s1420/s1422可以包括：使经反射镜123导向反射后的光束通过接收镜组122汇聚到线阵apd121上，以产生探测信号。
75.在一些实施例中，所述方法还可以包括未示出的步骤：由激光整形模块112将激光光束准直成平行光束，经准直的平行光束入射到第一扫描模块113。
76.在进一步的实施例中，所述方法还可以包括未示出的步骤：由控制分析模块分析探测信号所携带的目标物信息。对此，所述方法还可包括：由控制分析模块根据所述探测信号所携带的目标物信息来控制发射模块发射激光光束以及控制第一扫描模块和第二扫描模块的动作(如旋转)。
77.本发明提供的激光雷达探测方法1000的其他实施例和优点可参考上文针对本发明实施例提供的激光雷达系统100和车辆的相关描述，在此不再赘述。
78.以上在说明书、附图以及权利要求书中提及的特征或者特征组合，只要在本发明的范围内是有意义的并且不会相互矛盾，均可以任意相互组合使用或者单独使用。针对本发明实施例提供的激光雷达系统所说明的优点和特征以相应的方式适用于本发明实施例提供的车辆和激光雷达探测方法，反之亦然。
79.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。