一种激光雷达系统和激光测距方法与流程

本发明涉及激光探测和测距技术领域，尤其涉及一种激光雷达系统和激光测距方法。

背景技术：

激光探测和测距(lightdetectionandranging，lidar)系统通常被称为激光雷达系统。激光雷达的基本工作原理是激光发射器发射激光到目标物体，接收器接收目标物体的发射光，激光雷达根据激光测距原理计算从激光雷达到目标物体的距离。其中，一个激光发射器和一个接收器组成一个激光测距通道。当激光对目标物体不断地扫描，可获得该目标物体上全部目标点的数据，对该数据进行成像处理后可得到该目标物体的三维立体图像。

常见的三维激光雷达是机械旋转式激光雷达，其包含多对激光发射器和接收器，每对激光发射器和接收器朝向不同的空间角度位置，形成扇面覆盖，然后用单轴旋转机构，驱动上述多对激光发射器和接收器整体旋转，实现三维激光扫描。

由于上述机械旋转式激光雷达的激光发射器和接收器的数量多、尺寸大，因此相邻激光测距通道间存在较大的物理间距，从而导致整个激光雷达的尺寸较大、角分辨率较低。同时，由于每个激光测距通道的激光发射器和接收器都需要进行精确校准，以保证对焦准确、发射和接收光轴精确平行，且需要保证相邻激光测距通道之间微小而精确的角度间隔，使得这类激光雷达组装和调校的工作量大、生产效率低，从而导致很高的生产成本。另外，当各激光测距通道的调校工作完成后，需要将所有激光发射器和接收器胶合固定，因此，一旦出现某个或某几个激光测距通道损坏时，需要对所有激光测距通道重新进行组装和调校，维修成本极大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种激光雷达系统，包含：激光扫描部件和旋转部件，上述旋转部件用于旋转上述激光扫描部件；上述激光扫描部件包含：发射组件、发射透镜、接收组件和接收透镜，上述发射组件包含多个发射器模组、多个多芯光纤连接器和第一光纤阵列，上述多个发射器模组中的每个发射器模组包含多个激光发射器，其中每个激光发射器对应一条光纤，并通过该光纤进行光传导，上述多个激光发射器对应的多条光纤通过一个多芯光纤连接器连接到上述第一光纤阵列；上述发射透镜用于将来自上述第一光纤阵列的激光准直后发射；上述接收组件包含多个接收器模组、多个多芯光纤连接器和第二光纤阵列，上述多个接收器模组中的每个接收器模组包含多个接收器，其中每个接收器对应一条光纤，并接收该光纤传导的反射光，上述多个接收器对应的多条光纤通过一个多芯光纤连接器连接到上述第二光纤阵列；和接收透镜，用于接收上述激光的反射光，并将该反射光汇聚到上述第二光纤阵列。

进一步地，上述每个发射器模组还包含多个光束整形器，上述多个光束整形器与上述发射器模组中的多个激光发射器一一对应，上述光束整形器用于将激光发射器发射的激光耦合到对应的光纤中。可选地，上述光束整形器可以是双柱面透镜，该双柱面透镜的两个柱面的母线相互正交。

或者，上述光束整形器可以是一种基于光学衍射的光束整形器，包括：准直透镜，用于将激光发射器发射的光束在快轴方向进行准直，变成细长条形光束；第一衍射元件，用于将上述细长条形光束分成若干光束，除中心光束外，其余各光束分别偏转向不同的空间方位；和第二衍射元件，用于对上述其余各光束进行校正，使上述其余各光束与上述中心光束重叠，并聚焦到对应光纤的端面。

可选地，上述光束整形器还可以是另一种基于光学衍射的光束整形器，包括：第一透镜，用于将上述激光发射器发射的光束在快轴方向进行准直，变成细长条形光束；第一衍射元件，用于将上述细长条形光束分成若干光束，除中心光束外，其余各光束分别偏转向不同的空间方位；第二衍射元件，用于对上述其余各光束进行校正，使上述其余各光束与上述中心光束平行；和第二透镜，用于将来自上述第二衍射元件的上述其余各光束和上述中心光束重叠并聚焦到对应光纤的端面。

进一步地，上述每个接收器模组还包含多个微透镜，上述多个微透镜与该接收器模组中的多个接收器一一对应，用于将光纤传导的反射光汇聚到对应的接收器。

进一步地，上述第一光纤阵列的端面在上述发射透镜的焦平面上，上述第二光纤阵列的端面在上述接收透镜的焦平面上。上述第一光纤阵列和上述第二光纤阵列是一维光纤阵列或二维光纤阵列。

可选地，上述发射组件的多个发射器模组安装在一个电路板上，或者每个发射器模组安装在一个电路板上，或者上述多个发射器模组分组安装在多个电路板上。

可选地，上述接收组件的多个接收器模组安装在一个电路板上，或者每个接收器模组安装在一个电路板上，或者上述多个接收器模组分组安装在多个电路板上。

本发明实施例还提供一种激光测距方法，使用激光雷达系统进行激光测距，该激光雷达系统的结构同上述激光雷达系统的结构。

其中，上述激光雷达系统的旋转部件旋转上述激光雷达系统的激光扫描部件；上述激光雷达系统的每个激光发射器发射激光，上述激光通过对应的光纤进行光传导，并从上述第一光纤阵列发射；上述激光雷达系统的发射透镜将来自上述第一光纤阵列的激光准直后发射；上述激光雷达系统的接收透镜接收上述激光的反射光，并将该反射光汇聚到上述第二光纤阵列；上述激光雷达系统的每个接收器接收对应光纤传导的反射光。

进一步地，上述激光测距方法还包括：上述激光雷达系统的每个发射器模组包含多个光束整形器，上述多个光束整形器与该发射器模组中的多个激光发射器一一对应，上述光束整形器将激光发射器发射的激光耦合到对应的光纤中。

可选地，上述光束整形器是双柱面透镜，该双柱面透镜的两个柱面的母线相互正交。

可选地，上述光束整形器是一种基于光学衍射的光束整形器，包括：准直透镜，第一衍射元件和第二衍射元件；上述光束整形器将激光发射器发射的激光耦合到对应的光纤中，包含：上述准直透镜将上述激光发射器发射的光束在快轴方向进行准直，变成细长条形光束；上述第一衍射元件将上述细长条形光束分成若干光束，除中心光束外，其余各光束分别偏转向不同的空间方位；上述第二衍射元件对上述其余各光束进行校正，使上述其余各光束与上述中心光束重叠，并聚焦到对应光纤的端面。

可选地，上述光束整形器是另一种基于光学衍射的光束整形器，包括：第一透镜，第一衍射元件、第二衍射元件和第二透镜；上述光束整形器将激光发射器发射的激光耦合到对应的光纤中，包含：上述第一透镜将上述激光发射器发射的光束在快轴方向进行准直，变成细长条形光束；上述第一衍射元件将上述细长条形光束分成若干光束，除中心光束外，其余各光束分别偏转向不同的空间方位；上述第二衍射元件对上述其余各光束进行校正，使上述其余各光束与上述中心光束平行；上述第二透镜将来自上述第二衍射元件的上述其余各光束和上述中心光束重叠并聚焦到对应光纤的端面。

进一步地，上述激光雷达系统的每个接收器模组还包含多个微透镜，上述多个微透镜与该接收器模组中的多个接收器一一对应，上述微透镜将光纤传导的反射光汇聚到对应的接收器。

进一步地，上述第一光纤阵列的端面在上述发射透镜的焦平面上，上述第二光纤阵列的端面在上述接收透镜的焦平面上。

可选地，上述第一光纤阵列是一维光纤阵列或二维光纤阵列；上述第二光纤阵列是一维光纤阵列或二维光纤阵列。

本发明实施例提供的激光雷达系统，通过使用光纤阵列作为发射组件的激光发射端和接收组件的反射光入射端，可以减小激光雷达的体积，降低生产成本；另外，通过多芯光纤连接器将激光发射器和接收器分组连接到光纤阵列，可以实现激光雷达结构的模块化，从而降低激光雷达的维护成本。

附图说明

为了清楚地说明本发明实施例提供的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述的附图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附图。

图1是本发明实施例提供的激光雷达系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的激光雷达系统中发射组件的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的激光雷达系统中双柱面透镜的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的激光雷达系统中一种基于光学衍射的光束整形器的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的激光雷达系统中另一种基于光学衍射的光束整形器的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的激光雷达系统的接收组件的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行详细地描述，显然，以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于以下实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1所示，本实施例提供一种激光雷达系统，包括旋转部件11和激光扫描部件12。上述旋转部件11用于旋转上述激光扫描部件12。具体地，该旋转部件11可以使上述激光扫描部件12实现360度快速连续旋转。上述激光扫描部件12包含发射组件21、发射透镜22、接收透镜23和接收组件24。

进一步地，上述激光扫描部件12的发射组件21包含多个发射器模组、多个多芯光纤连接器和第一光纤阵列，接收组件24包含多个接收器模组、多个多芯光纤连接器和第二光纤阵列。

如图2所示，作为一个可选实施例，本实施例中的发射组件21包含m个发射器模组，m个多芯光纤连接器和第一光纤阵列230。其中，m为大于等于2的自然数。

例如，上述m个发射器模组包含发射器模组211、发射器模组212、……发射器模组21m；上述m个多芯光纤连接器包含多芯光纤连接器221、多芯光纤连接器222、……多芯光纤连接器22m。

具体地，上述发射组件21中的每个发射器模组包含多个激光发射器，其中每个激光发射器对应一条光纤，并通过该光纤进行光传导，每个发射器模组的多个激光发射器对应的多条光纤通过一个多芯光纤连接器连接到上述第一光纤阵列230。如图2所示：

发射器模组211中包含n1个激光发射器，例如激光发射器211-1、激光发射器211-2、……激光发射器211-n1，并且上述n1个激光发射器与n1条光纤一一对应，该n1条光纤通过多芯光纤连接器221连接到第一光纤阵列230，形成从n1个激光发射器到第一光纤阵列230的n1条光通路；

发射器模组212中包含n2个激光发射器，例如激光发射器212-1、激光发射器212-2、……激光发射器212-n2，并且上述n2个激光发射器与n2条光纤一一对应，该n2条光纤通过多芯光纤连接器222连接到第一光纤阵列230，形成从n2个激光发射器到第一光纤阵列230的n2条光通路；

发射器模组21m中包含nm个激光发射器，例如激光发射器21m-1、激光发射器21m-2、……激光发射器21m-nm，并且上述nm个激光发射器与nm条光纤一一对应，该nm条光纤通过多芯光纤连接器22m连接到第一光纤阵列230，形成从nm个激光发射器到第一光纤阵列230的nm条光通路。

上述实施例提供的激光雷达系统，发射组件21共包含n1+n2+…+nm个激光发射器，该n1+n2+…+nm个激光发射器发射的n1+n2+…+nm条激光，经过n1+n2+…+nm条光通路到达第一光纤阵列230，并从第一光纤阵列230的端面发出，即第一光纤阵列230的端面成为发射组件21的激光出射端。

本实施例中上述n1、n2、…、nm为大于等于2的自然数。

作为可选的实施方式，发射组件的多个发射器模组可以安装在一个电路板上；或者每个发射器模组安装在一个电路板上，例如发射组件包含8个发射器模组，分别安装在8个电路板上；或者多个发射器模组分组安装在多个电路板上，例如发射组件包含8个发射器模组，每2个发射器模组为一组，安装在4个电路板上。

作为一个优选实施例，上述每个发射器模组还包含多个光束整形器，上述多个光束整形器与该发射器模组中的多个激光发射器一一对应，用于将激光发射器发射的激光耦合到对应的光纤中。如图2所示：

发射器模组211中包含n1个光束整形器，例如光束整形器201-1、光束整形器201-2、……光束整形器201-n1，并且上述n1个光束整形器分别与激光发射器211-1、激光发射器211-2、……激光发射器211-n1一一对应，用于将上述n1个激光发射器发射的激光分别耦合到对应的n1条光纤中；

发射器模组212中包含n2个光束整形器，例如光束整形器202-1、光束整形器202-2、……光束整形器202-n2，并且上述n2个光束整形器分别与激光发射器212-1、激光发射器212-2、……激光发射器212-n2一一对应，用于将上述n2个激光发射器发射的激光分别耦合到对应的n2条光纤中；

发射器模组21m中包含nm个光束整形器，例如光束整形器20m-1、光束整形器20m-2、……光束整形器20m-nm，并且上述nm个光束整形器与激光发射器21m-1、激光发射器21m-2、……激光发射器21m-nm一一对应，用于将上述nm个激光发射器发射的激光分别耦合到对应的nm条光纤中。

本实施例中上述n1、n2、…、nm为大于等于2的自然数。

作为一个具体实施方式，上述光束整形器可以是图3所示的双柱面透镜，该双柱面透镜的两个柱面的母线相互正交，即双柱面透镜的柱面a的母线l1和柱面b的母线l2相互正交。

多线激光雷达常用的高功率脉冲激光二极管是边发射半导体激光二极管(edgeemittinglaserdiode)，其发光源是芯片p/n结(p-njunction)的端面，即p/n结两个平面交界的狭缝。这种激光发射器的特性是：平行于p/n结平面的方向，光束的线性尺寸较大(例如50um至数百um)，发散角较小(例如10度)；垂直于p/n结平面的方向，光束的线性尺寸较小(例如1um-10um)，发散角较大(例如45度)。线性尺寸大、发散角小的方向，被称为慢轴(slowaxis)；线性尺寸小、发散角大的方向，被称为快轴(fastaxis)。

本实施例采用的图3所示的双柱面透镜对激光光束的快轴和慢轴分别构成两个独立的光学系统。激光发射器发出的激光经过上述双柱面透镜，快轴的发散角减小、慢轴的发散角增加，从而实现光束在快轴和慢轴的发散角均衡、接近。因此，本实施例采用的双柱面透镜可以将快轴和慢轴两个方向差异性很大的椭圆形光斑，整形为快轴和慢轴两个方向的差异性较小的圆形或方形光斑，使光束高效耦合到光纤中。

可选地，上述光束整形器还可以是基于光学衍射的光束整形器。作为一种实现方式，如图4所示，一种基于光学衍射的光束整形器包括：准直透镜41，第一衍射元件42和第二衍射元件43。准直透镜41用于将激光发射器发射的光束在快轴方向进行准直，将光束变成细长条形光束。作为一个可选实施方案，该准直透镜可以是微型柱面镜。第一衍射元件42用于将上述细长条形光束分成若干光束，除中心光束外，其余各光束分别偏转向不同的空间方位；第二衍射元件43用于对上述其余各光束进行校正，使上述其余各光束与中心光束重叠，并聚焦到对应光纤的端面。

具体地，如图4所示，激光光束经过准直透镜41后变成细长条形光束，该细长条形光束被第一衍射元件42分成3个光束：光束1、光束2(中心光束)和光束3，光束1向下、向右偏转；光束2是中心光束，保持与系统光轴平行的传播方向；光束3向上、向左偏转。第二衍射元件43对光束1和光束3进行校正，使上述光束1和光束3与中心光束2重叠，形成快轴和慢轴两个方向的线性尺寸和发散角都相对均衡的方形光斑，并聚焦到对应光纤的端面。上述基于光学衍射的光束整形器可以使光束高效地耦合到光纤中。

作为另一种实现方式，如图5所示，另一种基于光学衍射的光束整形器包括：第一透镜51，第一衍射元件52、第二衍射元件53和第二透镜54。第一透镜51用于将激光发射器发射的光束在快轴方向进行准直，变成细长条形光束；第一衍射元件52用于将上述细长条形光束分成若干光束，除中心光束外，其余各光束分别偏转向不同的空间方位；第二衍射元件53用于对上述其余各光束进行校正，使上述其余各光束与上述中心光束平行；第二透镜54用于将来自上述第二衍射元件53的上述其余各光束和上述中心光束重叠并聚焦到对应光纤的端面。上述基于光学衍射的光束整形器可以使光束高效地耦合到光纤中。

具体地，如图5所示，激光光束经过准直透镜51后变成细长条形光束，该细长条形光束被第一衍射元件52分成3个光束：光束1、光束2(中心光束)和光束3，光束1向下、向右偏转；光束2是中心光束，保持与系统光轴平行的传播方向；光束3向上、向左偏转。第二衍射元件53对光束1和光束3进行校正，使上述光束1和光束3与中心光束2平行。第二透镜54将平行的光束1、光束2和光束3重叠，形成快轴和慢轴两个方向的线性尺寸和发散角都相对均衡的方形光斑，并聚焦到对应光纤的端面。上述基于光学衍射的光束整形器可以使光束高效地耦合到光纤中。

本实施例提供的激光雷达系统的发射透镜22用于将来自上述第一光纤阵列230的激光准直后发射。例如，上述发射透镜22从上述第一光纤阵列230接收来自上述多个发射器模组的激光，准直后，形成一个扇形分布的激光束阵列，照射到目标物体上。

作为一种具体实施方式，上述第一光纤阵列230是一维光纤阵列或二维光纤阵列，上述第一光纤阵列230的端面在上述发射透镜22的焦平面上。

如图6所示，作为一个可选实施例，本实施例中的接收组件24包含：m个接收器模组、m个多芯光纤连接器和第二光纤阵列260。其中，m为大于等于2的自然数。

例如，上述m个接收器模组包含接收器模组241、接收器模组242、……接收器模组24m；上述m个多芯光纤连接器包含多芯光纤连接器251、多芯光纤连接器252、……多芯光纤连接器25m。

本实施例提供的接收组件中的每个接收器模组包含多个接收器，其中每个接收器对应一条光纤，并接收该光纤传导的反射光，每个接收器模组的多个接收器对应的多条光纤通过一个多芯光纤连接器连接到上述第二光纤阵列260。例如图6所示：

接收器模组241包含n1个接收器，例如接收器241-1、接收器241-2、…接收器241-n1，并且上述n1个接收器与n1条光纤一一对应，该n1条光纤通过多芯光纤连接器251连接到上述第二光纤阵列260，形成从n1个接收器到第二光纤阵列260的n1条光通路；

接收器模组242包含n2个接收器，例如接收器242-1、接收器242-2、……接收器242-n2，并且上述n2个接收器与n2条光纤一一对应，该n2条光纤通过多芯光纤连接器252连接到上述第二光纤阵列260，形成从n2个接收器到第二光纤阵列260的n2条光通路；

接收器模组24m包含nm个接收器，例如接收器24m-1、接收器24m-2、……接收器24m-nm，并且上述nm个接收器与nm条光纤一一对应，该nm条光纤通过多芯光纤连接器25m连接到上述第二光纤阵列260，形成从nm个接收器到第二光纤阵列260的nm条光通路。

本实施例中上述n1、n2、…、nm为大于等于2的自然数。

本发明实施例中一个激光发射器和对应的一个接收器组成一个激光测距通道，因此上述实施例中共有n1+n2+…+nm个激光测距通道。

作为可选的实施方式，接收组件24的多个接收器模组可以安装在一个电路板上；或者每个接收器模组安装在一个电路板上，例如接收组件24包含8个接收器模组，分别安装在8个电路板上；或者多个接收器模组分组安装在多个电路板上，例如接收组件24包含8个接收器模组，每2个接收器模组为一组，安装在4个电路板上。

作为一个优选实施例，上述每个接收器模组还包含多个微透镜，上述多个微透镜与该接收器模组中的多个接收器一一对应，用于将光纤传导的反射光汇聚到对应的接收器。如图5所示：

接收器模组241中包含n1个微透镜，例如微透镜271-1、微透镜271-2、……微透镜271-n1，并且上述n1个微透镜分别与接收器241-1、接收器241-2、……接收器241-n1一一对应；

接收器模组242中包含n2个微透镜，例如微透镜272-1、微透镜272-2、……微透镜272-n2，并且上述n2个微透镜分别与接收器242-1、接收器242-2、……接收器242-n2一一对应；

接收器模组24m中包含nm个微透镜，例如微透镜27m-1、微透镜27m-2、……微透镜27m-nm，并且上述nm个微透镜与接收器24m-1、接收器24m-2、……接收器24m-nm一一对应。

接收透镜23用于接收激光的反射光，并将反射光汇聚到第二光纤阵列260，即第二光纤阵列260的端面成为接收组件24的激光入射端。具体地，接收透镜23接收经目标物体反射的光，即反射光，该反射光是上述第一个光纤阵列230发射出的n1+n2+…+nm条激光的反射光。上述反射光经接收透镜汇聚后，到达上述第二光纤阵列260的端面，并经过n1+n2+…+nm条光通路到达n1+n2+…+nm个接收器。例如，根据光路可逆性，由发射透镜21发射出的扇形分布的激光束阵列，经目标物体反射后，反射光仍成扇形阵列进入接收透镜23并被聚焦，进入第二光纤阵列260。

本实施例中上述n1、n2、…、nm为大于等于2的自然数。

作为一个具体实施方式，上述第二光纤阵列260是一维光纤阵列或二维光纤阵列，上述第二光纤阵列260的端面在上述接收透镜23的焦平面上。

本发明实施例还提供一种激光测距方法，该激光测距方法使用前述实施例提供的激光雷达系统进行激光测距，该激光雷达系统的具体结构和工作过程如上述实施例所述，此处不再赘述。

本发明实施例提供的激光雷达系统，由于所有激光发射器到发射透镜、接收透镜到接收器的光通路都是通过纤细、柔软的光纤连接，并且激光的出射端和反射光的入射端都是光纤阵列的端面，因此，只要将发射组件的光纤阵列安装在发射透镜的焦平面上、将接收组件的光纤阵列安装在接收透镜的焦平面上，激光发射器和接收器的排列就可以不受发射和接收角度的限制，布局在激光扫描部件的任何位置。同时，由于光纤阵列尺寸小、光纤集成度高，因此，将光纤阵列作为发射组件中激光的出射端和入射组件中激光的入射端时，发射端和接收端仅各需要一个小口径的透镜窗口，就可实现数十通道的多线激光雷达。综上所述，通过本实施例提供的技术方案，可以减小机械旋转式激光雷达的体积。

另一方面，由于采用了光纤阵列作为发射组件的激光出射端和接收组件的激光入射端，实现了多个激光测距通道的相对角度位置精确地固定。因此，无论本实施例提供的激光雷达系统有多少个激光测距通道，仅需任意选取两个激光测距通道进行对焦和光轴对准工作，即可实现其余所有激光测距通道的精准对焦和光轴对准，不需要对所有激光测距通道进行逐一调校，也无须对相邻通路的角度间隔进行逐一调整，极大地提升了多线激光雷达的组装和调校效率，降低了生产成本。

此外，本发明实施例提供的激光雷达系统，由于激光发射器与第一光纤阵列间的光纤是通过多个多芯光纤连接器分组连接，接收器与第二光纤阵列之间的光纤也是通过多个多芯光纤连接器分组连接，所以当某个激光发射器或接收器发生故障时，只需将连接该激光发射器或接收器的那个多芯光纤连接器分离，把相应的发射器模组或接收器模组拆下来进行检修或更换即可，而不需要拆解所有激光发射器或接收器。同时，由于多芯光纤连接器的连接，使激光发射器与发射组件的光纤阵列是相对独立的模块、接收器与接收组件的光纤阵列也是相对独立的模块，所以拆解、检修激光发射器或接收器不会影响光纤阵列的布局和位置，检修工作完成后也就不需要重新进行激光测距通道的对焦和光轴对准工作，降低了激光雷达的检修成本。综上所述，本实施例提供的激光雷达系统，通过多个多芯光纤连接器将多个激光发射器分组连接到发射组件的光纤阵列，通过多个多芯光纤连接器将多个接收器分组连接到接收组件的光纤阵列，使激光雷达的发射组件和接收组件实现模块化结构，从而实现发射组件和接收组件的分组拆装和即插即用，降低了激光雷达的维护成本。

以上实施例和附图仅为本发明技术方案的示例性说明，并非用于限定本发明的保护范围。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。