激光雷达及其发射系统、激光雷达的发射系统的设计方法与流程

本发明涉及激光探测领域，特别涉及一种激光雷达及其发射系统、激光雷达的发射系统的设计方法。

背景技术：

激光雷达是一种常用的测距传感器，具有探测距离远、分辨率高、受环境干扰小等特点，广泛应用于智能机器人、无人机、无人驾驶等领域。激光雷达的工作原理与微米波雷达的工作原理类似，都是利用光波往返于雷达和目标之间所用的时间来评估距离的大小。

早期的激光雷达是单线激光雷达，也就是只有一个激光器和探测器，其扫描的目标范围有限，容易造成检测目标的缺失。为了弥补单线激光雷达的缺点，多线激光雷达越来越成为研究和商用的焦点。

但是现有多线激光雷达往往存在成本高昂、能耗过大的问题。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种激光雷达及其发射系统、激光雷达的发射系统的设计方法，根据所述垂直视场方向上各预设探测距离之间的比例设置所述衍射光学元件的分光比例，从而实现激光雷达功率的较佳分配比例，以降低成本、简化结构、降低安装难度、提高能量分配稳定性。

为解决上述问题，本发明提供一种激光雷达的发射系统，包括：

光源，所述光源包括至少一个激光器，所述激光器用于发射第一探测光束；发射光学组件，所述发射光学组件用于将所述第一探测光束准直为平行光；衍射光学元件，所述衍射光学元件在所述激光雷达的垂直视场方向上将经准直的每一束所述第一探测光束分成n束第二探测光束，所述衍射光学元件的各衍射角度之间的分光比例被设置为，所述各衍射角度对应的所述垂直视场方向上的各预设探测距离之间的比例。

可选的，所述衍射光学元件为光栅。

可选的，所述衍射光学元件为达曼光栅。

可选的，所述垂直视场方向上的预设探测距离被设置为：

垂直视场内的视场方向角为0度时，预设探测距离为d；

垂直视场内的视场方向角大于0度时，预设探测距离dh被设置为：

其中，α为垂直视场内的视场方向角，h为所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角的方向与预设的所述激光雷达的最大探测高度所对应位置之间的垂直距离；

垂直视场内的视场方向角小于0度时，预设探测距离dl被设置为：

其中，α为垂直视场内的视场方向角，l为沿垂直视场的方向所述激光雷达发射系统的安装高度。

可选的，所述垂直视场方向上的预设探测距离被设置为：

垂直视场内的视场方向角为0度时，预设探测距离所对应的最远探测位置为d；

垂直视场内的视场方向角为最大垂直视场内的视场方向角αmax时，预设探测距离所对应的最远探测位置为dh，预设探测距离dh’为：

其中，h为所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角的方向与预设的所述激光雷达的最大探测高度所对应位置之间的垂直距离；

垂直视场内的视场方向角为最小垂直视场内的视场方向角αmin时，预设探测距离所对应的最远探测位置为dl，预设探测距离dl’被设置为：

其中，l为沿垂直视场的方向所述激光雷达发射系统的安装高度；

所述垂直视场方向上的预设探测距离所对应的最远探测位置的包络线为经过d、dh以及dl的抛物线。

可选的，所述光源包括至少一列激光器，所述至少一列激光器沿所述激光雷达的垂直视场方向排布，每个所述激光器的光轴与所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角方向呈不同的预设夹角，且所述激光器沿所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角方向呈轴对称分布。

可选的，相邻的激光器的所述预设夹角之间的角度差值为固定值。

可选的，所述角度差值为大于等于0.1度且小于等于5度的任一固定值。

可选的，相邻的激光器的所述预设夹角之间的角度差值为变化值。

可选的，所述角度差值随着所述预设夹角的增大而增大。

相应的，本发明还提供一种激光雷达，包括：发射系统，所述发射系统为本发明的发射系统；接收系统，所述接收系统接收所述第二探测光束在三维空间内的反射光。

此外，本发明还提供一种激光雷达的发射系统的形成方法，所述激光雷达的发射系统包括：光源，所述光源包括至少一个激光器，所述激光器用于发射第一探测光束；发射光学组件，所述发射光学组件用于将所述第一探测光束准直为平行光；衍射光学元件，所述衍射光学元件在所述激光雷达的垂直视场方向上将经准直的每一束所述第一探测光束分成n束第二探测光束；所述设计方法包括：所述衍射光学元件的各衍射角度之间的分光比例设置为所述各衍射角度对应的所述垂直视场方向上的各预设探测距离之间的比例。

可选的，所述垂直视场方向上的预设探测距离设置为：

垂直视场内的视场方向角为0度时，预设探测距离为d；

垂直视场内的视场方向角大于0度时，预设探测距离dh被设置为

其中，α为垂直视场内的视场方向角，h为所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角的方向与预设的所述激光雷达的最大探测高度所对应位置之间的垂直距离；

垂直视场内的视场方向角小于0度时，预设探测距离dl被设置为

其中，α为垂直视场内的视场方向角，l为沿垂直视场的方向所述激光雷达发射系统的安装高度。

可选的，所述垂直视场方向上的预设探测距离设置为：

垂直视场内的视场方向角为0度时，预设探测距离所对应的最远探测位置为d；

垂直视场内的视场方向角为最大垂直视场内的视场方向角αmax时，预设探测距离所对应的最远探测位置为dh，预设探测距离dh’为：

其中，h为所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角的方向与预设的所述激光雷达的最大探测高度所对应位置之间的垂直距离；

垂直视场内的视场方向角为最小垂直视场内的视场方向角αmin时，预设探测距离所对应的最远探测位置为dl，预设探测距离dl’被设置为：

其中，l为沿垂直视场的方向所述激光雷达发射系统的安装高度；

所述垂直视场方向上的预设探测距离所对应的最远探测位置的包络线为经过d、dh以及dl的抛物线。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明技术方案中，所述衍射光学元件的各衍射角度之间的分光比例被设置为，所述各衍射角度对应的所述垂直视场方向上的各预设探测距离之间的比例。所述衍射光学元件的使用，能够通过一个激光器形成多个第二探测光束，从而能够有效减少激光雷达中激光器的数量，达到降低成本、简化结构、降低安装难度的目的；而且所述衍射光学元件的分光比例被设置为，所述各衍射角度对应的所述垂直视场方向上的各预设探测距离之间的比例，也就是说，所述衍射光学元件的分光比例依据所述激光雷达的探测需求设置，从而能够在保证预设探测距离的前提下，有效控制所述激光雷达的发射功率，有利于优化激光雷达的资源分配，有利于实现探测距离和能耗控制的兼顾。

本发明可选方案中，所述衍射光学元件为达曼光栅。采用达曼光栅作为所述衍射光学元件，能够在满足衍射光学元件分光比例要求的前提下，有效降低设计难度，简化设计过程，从而降低所述分光装置的形成难度。

附图说明

图1是本发明激光雷达的发射系统一实施例的光路结构示意图；

图2是图1所示激光雷达的发射系统的实施例的垂直视场的示意图；

图3是图1所示激光雷达的发射系统实施例中所述衍射光学元件130的最佳分光比例。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中的多线激光雷达存在成本高昂、能耗过大的问题。

现有的多线激光雷达是采用多个激光器和相应的探测器在垂直方向进行排列，以增加垂直方向上的探测范围及垂直视场角分辨率。但是由于每一个探测通道都需要一个激光器，因此这种激光雷达的成本较高；而且，由于一个探测通道均包括一个激光器，即所述激光雷达内包括的激光器数量相当多，因此也造成了内部结构复杂、安装难度较大的问题。

为解决所述技术问题，本发明提供一种激光雷达的发射系统，包括：光源，所述光源包括至少一个激光器，所述激光器用于发射第一探测光束；发射光学组件，所述发射光学组件用于将所述第一探测光束准直为平行光；衍射光学元件，所述衍射光学元件在所述激光雷达的垂直视场方向上将经准直的每一束所述第一探测光束分成n束第二探测光束，所述衍射光学元件的各衍射角度之间的分光比例被设置为，所述各衍射角度对应的所述垂直视场方向上的各预设探测距离之间的比例。

所述衍射光学元件的使用，能够通过一个激光器形成多个第二探测光束，从而能够有效减少激光雷达中激光器的数量，达到降低成本、简化结构、降低安装难度的目的；而且所述衍射光学元件的分光比例被设置为，所述各衍射角度对应的所述垂直视场方向上的各预设探测距离之间的比例，也就是说，所述衍射光学元件的分光比例依据所述激光雷达的探测需求设置，从而能够在保证预设探测距离的前提下，有效控制所述激光雷达的发射功率，有利于优化激光雷达的资源分配，有利于实现探测距离和能耗控制的兼顾。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图1，示出了本发明激光雷达的发射系统一实施例的光路结构示意图。

所述激光雷达的发射系统包括：

光源110，所述光源110包括至少一个激光器111，所述激光器111用于发射第一探测光束112；发射光学组件120，所述发射光学组件120用于将所述第一探测光束112准直为平行光；衍射光学元件130，所述衍射光学元件130在所述激光雷达的垂直视场方向上将经准直的每一束所述第一探测光束112分成n束第二探测光束131。

所述衍射光学元件130的使用，能够通过一个激光器形成多个第二探测光束131，从而能够有效减少激光雷达中激光器111的数量，达到降低成本、简化结构、降低安装难度的目的。

所述光源110用于产生用以进行探测的激光。

所述光源110包括多个激光器111，且所述激光器111为脉冲激光器；因此，所述激光雷达的发射系统为多线发射系统，即所述激光雷达为多线激光雷达，而且所述光源110向三维空间发射的是一系列脉冲激光。具体的，所述多个激光器111可以为半导体激光器，例如边发射半导体激光器或垂直腔面发射半导体激光器。

发射光学组件120用于准直所述光源110所产生的激光。

具体的，所述发射光学组件120包括至少一个光学透镜以实现准直的功能。本实施例中，所述发射光学组件120包括至少一个准直透镜。

衍射光学元件130用于将每一束第一探测光束112沿垂直视场方向分为多束第二探测光束131。

需要说明的是，本实施例中，所述激光雷达的发射系统具有转轴(图中未示出)，所述光源110、所述发射光学组件120和所述衍射光学元件130绕所述转轴130转动。具体的，包括至少一个激光器111的光源110、包括至少一个光学透镜的发射光学组件120以及所述衍射光学元件130整体绕所述转轴130呈360°旋转。

本实施例中，所述激光雷达包括转子(图中未示出)，所述转子通过轴承由电机驱动绕所述转轴呈360°转动。所述光源110、所述发射光学组件120和所述衍射光学元件130固定于一个或多个承载体上(图中未示出)；所述多个承载体固定装配于所述转子中。

所述激光雷达具有平行所述转轴的垂直视场，垂直视场方向就是指平行所述垂直视场的方向，即垂直视场方向是指沿转轴延伸方向。所以，所述衍射光学元件130将每一束所述第一探测光束112沿转轴延伸方向分成多束第二探测光束131。

还需要说明的是，如图1所示，所述光源110包括至少一列激光器111，所述至少一列激光器111沿所述激光雷达的垂直视场方向排布，每个所述激光器111的光轴与所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角方向呈不同的预设夹角，且所述激光器沿所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角方向呈轴对称分布。其中，所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角方向为，垂直视场内，垂直所述转轴延伸的方向。

使激光器111沿所述垂直视场方向排布呈列，且以预设角度调整每个激光器的光轴，能够使经所述衍射光学元件130分光后，所述一列激光器111中不同激光器111所形成的第二探测光束131沿垂直视场方向相互分开，以扩大垂直视场范围，增大垂直视场角，实现视场拼接的目的。

具体的，相邻的激光器的所述预设夹角之间的角度差值为固定值，以降低所述光源110的装配难度。本实施例中，所述角度差值为大于等于0.1度且小于等于5度的任一固定值。将所述预设夹角之间的差值控制在合理范围内，不仅能够使所形成的第二探测光束131沿垂直视场方向相互分开，而且还能够使分光后不同衍射角度之间的视场相邻接，从而实现视场拼接的目的。

本发明其他实施例中，相邻的激光器的所述预设夹角之间的角度差值为变化值，以配合不同垂直视场角要求。具体的，根据衍射光学元件分光原理，所述角度差值随着所述预设夹角的增大而增大，从而获得合适大小的视场角，进而达到视场拼接的效果。

衍射光学元件130作为分光装置，能够使一个激光器111形成多个第二探测光束131；因此所述衍射光学元件130的采用能够在保证所述第二探测光束131数量的前提下，有效减少激光雷达中激光器111的数量，达到降低成本、简化结构、降低安装难度的目的。

结合参考图2，示出了图1所示激光雷达的发射系统的实施例的垂直视场的示意图。

所述衍射光学元件130的各衍射角度之间的分光比例被设置为，所述各衍射角度对应的所述垂直视场方向上的各预设探测距离之间的比例。

激光的探测距离与激光的发射功率相关，从而与激光雷达的能耗相关；因此所述衍射光学元件130的分光比例依据所述激光雷达的探测需求设置，能够在保证预设探测距离的前提下，有效控制所述激光雷达的发射功率，有利于优化激光雷达的资源分配，有利于实现探测距离和能耗控制的兼顾。

如图2所示，基于所述衍射光学元件130的各衍射角度之间的分光比例所形成的第二探测光束在所述垂直视场方向上的预设探测距离被设置为：

垂直视场内的视场方向角为0度时，预设探测距离为d；

垂直视场内的视场方向角大于0度时，预设探测距离dh被设置为：

其中，α为垂直视场内的视场方向角，h为所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角的方向与预设的所述激光雷达的最大探测高度所对应位置之间的垂直距离；

垂直视场内的视场方向角小于0度时，预设探测距离dl被设置为：

其中，α为垂直视场内的视场方向角，l为沿垂直视场的方向所述激光雷达发射系统的安装高度。

使所述衍射光学元件130的各衍射角度之间的分光比例如此设置，能够使经所述衍射光学元件130分光所形成的第二探测光束131在所述垂直视场中的正前方具有较大的探测距离，即在垂直视场中，所述第二探测光束131在视场方向角为0度及0度附近的区域具有较大的探测距离；使所述第二探测光束131在所述垂直视场中的上方和下方具有较小的探测距离，即在垂直视场中，所述第二探测光束131在垂直视场方向角绝对值较大的区域具有相对较小的探测距离，从而能够有效控制所述激光雷达在垂直视场内的上方和下方分配的资源，避免激光雷达资源浪费。

本实施例中，所述激光雷达还具有垂直所述垂直视场的水平视场。具体的，所述激光雷达具有转轴，所述垂直视场平行所述转轴，所述水平视场垂直所述垂直视场，因此所述水平视场垂直所述转轴延伸方向；而且，所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角方向为，垂直视场内，垂直所述转轴延伸的方向，由此可见，垂直视场内的视场方向角为0度时的预设探测距离d与所述水平视场的预设探测距离相等。

本实施例中，所述水平视场的预设探测距离与水平视场内的视场方向角相关，所以，所述垂直视场内的视场方向角为0度时的预设探测距离d亦与所述水平视场内的视场方向角相关。

使所述垂直视场内的视场方向角为0度时的预设探测距离d与所述水平视场内的视场方向角相关，从而能够结合水平视场的探测需求实现激光雷达资源分配的进一步优化，能够从三维空间的角度进一步降低能量浪费，使所述激光雷达的预设探测距离更贴合无人驾驶的需求。

此外，本实施例中，所述光源110、所述发射光学组件120和所述衍射光学元件130设置于激光雷达的转子内绕所述转轴转动，因此所述转子的转动角度与所述第二探测光束131在所述水平视场内的视场方向角相关。

还需要说明的是，本实施例中，所述激光雷达发射系统还包括：码盘(图中未示出)，所述码盘能够获得所述转子的转动角度，所以所述码盘还能够用于获得水平视场内的视场方向角。

具体的，在所述水平视场内，所述激光雷达的探测区域的设置具有前后不对称、上下不对称的特点；因此所述水平视场内的预设探测距离被设置为：所述水平视场内的视场方向角为0度时(即激光雷达的正前方，也是装载激光雷达的车辆的正前方)，预设探测距离为f；所述水平视场内的视场方向角为180度时(即激光雷达的正后方，也是装载激光雷达的车辆的正后方)，预设探测距离为r；所述水平视场内的视场方向角为θ时，预设探测距离d为：

所以，所述水平视场内的视场方向角为0度时，所述光源110所产生的一系列激光的最远探测位置为f点；所述水平视场内的视场方向角为180度时，所述光源110所产生的一系列激光的最远探测位置为r点；所述激光雷达的中心位置为o点；所述水平视场内的最远探测位置所形成的包络线为以o点为一个焦点，且经过f点和r点的椭圆，其中f点和r点位于所述椭圆的长轴上，且f点至o点的距离大于r点至o点的距离。

此外，所述水平视场内的预设探测距离dh与所述水平视场内的视场方向角动态相关，因此，垂直视场内的视场方向角为0度时的预设探测距离d与水平视场内的视场方向角也动态相关，从而能够针对不同探测要求合理分配激光雷达资源，进一步优化激光雷达的资源分配，以达到兼顾探测距离和能耗控制的目的。

需要说明的是，当所述激光雷达应用于无人驾驶领域时，所述垂直视场内的视场方向角为0度的方向为无人汽车的前进方向，垂直视场内的视场方向角为±90度为指向天空的方向和指向地面的方向，所以使所述衍射光学元件130的各衍射角度之间的分光比例上述设置能够使得激光雷达的探测区域更贴近于无人驾驶领域的探测需求，实现能耗和探测需求的兼顾。

还需要说明的是，如图2所示，本实施例中，所述激光雷达应用于无人驾驶领域，所述激光雷达的安装高度是指，垂直视场内的视场方向角为0度的方向与地面之间的垂直距离。

由此可见，如图2所示，基于所述衍射光学元件130的各衍射角度之间的分光比例所形成的第二探测光束在所述垂直视场方向上的预设探测距离被设置为：

垂直视场内的视场方向角为0度时，预设探测距离所对应的最远探测位置为d；

垂直视场内的视场方向角为最大垂直视场内的视场方向角αmax时，预设探测距离所对应的最远探测位置为dh，预设探测距离dh’为：

其中，h为所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角的方向与预设的所述激光雷达的最大探测高度所对应位置之间的垂直距离；

垂直视场内的视场方向角为最小垂直视场内的视场方向角αmin时，预设探测距离所对应的最远探测位置为dl，预设探测距离dl’被设置为：

其中，l为沿垂直视场的方向所述激光雷达发射系统的安装高度。

所以，在范围内时，在垂直视场方向上的预设距离所对应的最远探测距离与垂直视场内的视场方向角为0度时的预设探测距离相等；在和范围内时，在垂直视场方向上的预设距离所对应的最远探测距离与所述垂直视场内的视场方向角相关。

需要说明的是，本发明其他实施例中，所述垂直视场方向上的预设探测距离所对应的最远探测位置的包络线为经过d、dh以及dl的抛物线，以降低激光雷达的发射系统的设计难度和控制难度，控制制造成本。

还需要说明的是，本实施例中，所述衍射光学元件130设置为光栅，在保证分光效果的前提下，简化所述衍射光学元件130的结构，降低所述激光雷达光路的复杂程度。

具体的，所述衍射光学元件130设置为达曼光栅。采用达曼光栅作为所述衍射光学元件130，能够在满足衍射光学元件130分光比例要求的前提下，有效降低设计难度，简化设计过程，从而降低分光元件的制造难度。

所以，本实施例中，所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角的方向与预设的所述激光雷达的最大探测高度所对应位置之间的垂直距离h为4米，沿垂直视场的方向所述激光雷达发射系统的安装高度l为4米，垂直视场内的视场方向角为0度时，预设探测距离为50m。此外，所述激光雷达的垂直视场分布在垂直视场方向角±30度的范围内。所述衍射光学元件130设置为分光角度为8°的二元达曼光栅。

结合参考图3，示出了图1所示激光雷达的发射系统实施例中所述衍射光学元件130的最佳分光比例。

其中，横轴表示所形成第二探测光束131的衍射角度，纵轴表示分光比例。可见，在衍射角度相对较小，即在视场方向角为0度的方向上，分光比例较大，所形成第二探测光束131的光强较大，所形成第二探测光束131具有较大的预设探测距离；在衍射角度相对较大，即在视场方向角为±30度的方向上，分光比例较小，所形成第二探测光束131的光强较小，所形成第二探测光束131具有较小的预设探测距离。

所述衍射光学元件130的设计参数参考表1。

表1

基于上述设计参数所形成的二元达曼光栅，能够使所述衍射光学元件130的分光比例依据所述激光雷达的探测需求设置，从而能够在保证预设探测距离的前提下，有效控制所述激光雷达的发射功率，有利于优化激光雷达的资源分配，有利于实现探测距离和能耗控制的兼顾。

相应的，本发明还提供一种激光雷达。

所述激光雷达包括：发射系统，所述发射系统为

本发明的发射系统；接收系统，所述接收系统接收所述第二探测光束在三维空间内的反射光。

参考图1，示出了本发明激光雷达一实施例的结构示意图。

所述激光雷达的发射系统为本发明的发射系统。所述激光雷达的发射系统的具体技术方案参考前述激光雷达的发射系统的实施例。本发明在此不再赘述。

结合参考图2，示出了如图1所示激光雷达的实施例的垂直视场的示意图。

如图2所示，所述激光雷达的发射系统中，所述衍射光学元件130在所述激光雷达的垂直视场方向上将经准直的每一束所述第一探测光束112分成n束第二探测光束131，所述衍射光学元件130的各衍射角度之间的分光比例被设置为，所述各衍射角度对应的所述垂直视场方向上的各预设探测距离之间的比例。

通过所述衍射光学元件130实现分光，不仅能够通过一个激光器111形成多个第二探测光束131，从而能够有效减少激光雷达中激光器111的数量，达到降低成本、简化结构、降低安装难度的目的；而且所述衍射光学元件130的分光比例依据所述激光雷达的探测需求设置，从而能够在保证预设探测距离的前提下，有效控制所述激光雷达的发射功率，有利于优化激光雷达的资源分配，有利于实现探测距离和能耗控制的兼顾。

此外，所述激光雷达还包括：接收系统(图中未示出)，所述接收系统接收所述发射系统所产生的一系列激光在三维空间内的反射光。

本实施例中，所述接收系统包括：接收光学组件，所述接收光学组件用于接收并汇聚所述反射光；探测装置，所述探测装置包括至少一个探测器，所述探测器用于对所接收的反射光进行光电转换。

需要说明的是，上述激光雷达的接收系统的具体结构仅为一示例，本发明其他实施例中，所述激光雷达还可以包括其他元件，本发明对此并不限定。

此外，本发明还提供一种激光雷达的发射系统的设计方法。

参考图1，示出了本发明激光雷达的发射系统的控制方法一实施例中，所述激光雷达的发射系统的结构示意图。

所述激光雷达的发射系统包括：光源110，所述光源110包括至少一个激光器111，所述激光器111用于发射第一探测光束112；发射光学组件120，所述发射光学组件120用于将所述第一探测光束112准直为平行光；衍射光学元件130，所述衍射光学元件130在所述激光雷达的垂直视场方向上将经准直的每一束所述第一探测光束112分成n束第二探测光束131。

其中，所述光源110用于产生用以进行探测的激光。

所述光源110包括多个激光器111，且所述激光器111为脉冲激光器；因此，所述激光雷达的发射系统为多线发射系统，即所述激光雷达为多线激光雷达，而且所述光源110向三维空间发射的是一系列脉冲激光。具体的，所述多个激光器111可以为半导体激光器，例如边发射半导体激光器或垂直腔面发射半导体激光器。

发射光学组件120用于准直所述光源110所产生的激光。

具体的，所述发射光学组件120包括至少一个光学透镜以实现准直的功能。本实施例中，所述发射光学组件120包括至少一个准直透镜。

衍射光学元件130用于将每一束第一探测光束112沿垂直视场方向分为多束第二探测光束131。

需要说明的是，本实施例中，所述激光雷达的发射系统具有转轴(图中未示出)，所述光源110、所述发射光学组件120和所述衍射光学元件130绕所述转轴转动。具体的，包括至少一个激光器111的光源110、包括至少一个光学透镜的发射光学组件120以及所述衍射光学元件130整体绕所述转轴呈360°旋转。

本实施例中，所述激光雷达包括转子(图中未示出)，所述转子通过轴承由电机驱动绕所述转轴呈360°转动。所述光源110、所述发射光学组件120和所述衍射光学元件130固定于一个或多个承载体上(图中未示出)；所述多个承载体固定装配于所述转子中。

所述激光雷达具有平行所述转轴的垂直视场，垂直视场方向就是指平行所述垂直视场的方向，即垂直视场方向是指沿转轴延伸方向。所以，所述衍射光学元件130将每一束所述第一探测光束112沿转轴延伸方向分成多束第二探测光束131。

还需要说明的是，如图1所示，设置所述光源110的过程中，所述光源110包括至少一列激光器111，所述至少一列激光器111沿所述激光雷达的垂直视场方向排布，每个所述激光器111的光轴与所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角方向呈不同的预设夹角，且所述激光器沿所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角方向呈轴对称分布。其中，所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角方向为，垂直视场内，垂直所述转轴延伸的方向。

使激光器111沿所述垂直视场方向排布呈列，且以预设角度调整每个激光器的光轴，能够使经所述衍射光学元件130分光后，所述一列激光器111中不同激光器111所形成的第二探测光束131沿垂直视场方向相互分开，以扩大垂直视场范围，增大垂直视场角，实现视场拼接的目的。

具体的，相邻的激光器的所述预设夹角之间的角度差值为固定值，以降低所述光源110的装配难度。本实施例中，所述角度差值为大于等于0.1度且小于等于5度的任一固定值。将所述预设夹角之间的差值控制在合理范围内，不仅能够使所形成的第二探测光束131沿垂直视场方向相互分开，而且还能够使分光后不同衍射角度之间的视场相邻接，从而实现视场拼接的目的。

本发明其他实施例中，相邻的激光器的所述预设夹角之间的角度差值为变化值，以配合不同垂直视场角要求。具体的，根据衍射光学元件130分光原理，所述角度差值随着所述预设夹角的增大而增大，从而获得合适大小的视场角，进而达到视场拼接的效果。

设置所述衍射光学元件130作为分光装置，能够使一个激光器111形成多个第二探测光束131；因此所述衍射光学元件130的采用能够在保证所述第二探测光束131数量的前提下，有效减少激光雷达中激光器111的数量，达到降低成本、简化结构、降低安装难度的目的。

所述设计方法包括：所述衍射光学元件130的各衍射角度之间的分光比例设置为所述各衍射角度对应的所述垂直视场方向上的各预设探测距离之间的比例。

结合参考图2，示出了图1所示激光雷达的发射系统的实施例的垂直视场的示意图。

激光的探测距离与激光的发射功率相关，从而与激光雷达的能耗相关；因此所述衍射光学元件130的分光比例依据所述激光雷达的探测需求设置，能够在保证预设探测距离的前提下，有效控制所述激光雷达的发射功率，有利于优化激光雷达的资源分配，有利于实现探测距离和能耗控制的兼顾。

如图2所示，设置所述衍射光学元件130各衍射角度之间分光比例的步骤包括：所述垂直视场方向上的预设探测距离设置为：

垂直视场内的视场方向角为0度时，预设探测距离为d；

垂直视场内的视场方向角大于0度时，预设探测距离dh设置为：

其中，α为垂直视场内的视场方向角，h为所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角的方向与预设的所述激光雷达的最大探测高度所对应位置之间的垂直距离；

垂直视场内的视场方向角小于0度时，预设探测距离dl设置为：

其中，α为垂直视场内的视场方向角，l为沿垂直视场的方向所述激光雷达发射系统的安装高度。

上述设置所述分光比例的做法，能够使经所述衍射光学元件130分光所形成的第二探测光束131在所述垂直视场中的正前方具有较大的探测距离，即在垂直视场中，所述第二探测光束131在视场方向角为0度及0度附近的区域具有较大的探测距离；使所述第二探测光束131在所述垂直视场中的上方和下方具有较小的探测距离，即在垂直视场中，所述第二探测光束131在垂直视场方向角绝对值较大的区域具有相对较小的探测距离，从而能够有效控制所述激光雷达在垂直视场内的上方和下方分配的资源，避免激光雷达资源浪费。

本实施例中，所述激光雷达还具有垂直所述垂直视场的水平视场。具体的，所述激光雷达具有转轴，所述垂直视场平行所述转轴，所述水平视场垂直所述垂直视场，因此所述水平视场垂直所述转轴延伸方向；而且，所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角方向为，垂直视场内，垂直所述转轴延伸的方向，由此可见，垂直视场内的视场方向角为0度时的预设探测距离d与所述水平视场的预设探测距离相等。

本实施例中，所述水平视场的预设探测距离与水平视场内的视场方向角相关，所以，设置所述衍射光学元件130各衍射角度之间分光比例的步骤还包括：根据水平视场内的视场方向角调整所产生的一系列激光在所述水平视场内的预设探测距离。

使所述垂直视场内的视场方向角为0度时的预设探测距离d与所述水平视场内的视场方向角相关，从而能够结合水平视场的探测需求实现激光雷达资源分配的进一步优化，能够从三维空间的角度进一步降低能量浪费，使所述激光雷达的预设探测距离更贴合无人驾驶的需求。

此外，本实施例中，所述光源110、所述发射光学组件120和所述衍射光学元件130设置于激光雷达的转子内绕所述转轴转动，因此所述转子的转动角度与所述第二探测光束131在所述水平视场内的视场方向角相关。

还需要说明的是，本实施例中，所述激光雷达发射系统还包括：码盘(图中未示出)，所述码盘能够获得所述转子的转动角度，所以所述码盘还能够用于获得水平视场内的视场方向角。

具体的，在所述水平视场内，所述激光雷达的探测区域的设置具有前后不对称、上下不对称的特点；因此根据水平视场内的视场方向角调整所产生的一系列激光在所述水平视场内的预设探测距离的步骤中，所述水平视场内的预设探测距离设置为：所述水平视场内的视场方向角为0度时(即激光雷达的正前方，也是装载激光雷达的车辆的正前方)，预设探测距离为f；所述水平视场内的视场方向角为180度时(即激光雷达的正后方，也是装载激光雷达的车辆的正后方)，预设探测距离为r；所述水平视场内的视场方向角为θ时，预设探测距离d为：

所以，所述水平视场内的视场方向角为0度时，所述光源110所产生的一系列激光的最远探测位置为f点；所述水平视场内的视场方向角为180度时，所述光源110所产生的一系列激光的最远探测位置为r点；所述激光雷达的中心位置为o点；所述水平视场内的最远探测位置所形成的包络线为以o点为一个焦点，且经过f点和r点的椭圆，其中f点和r点位于所述椭圆的长轴上，且f点至o点的距离大于r点至o点的距离。

此外，所述水平视场内的预设探测距离dh与所述水平视场内的视场方向角动态相关，因此，垂直视场内的视场方向角为0度时的预设探测距离d与水平视场内的视场方向角也动态相关，从而能够针对不同探测要求合理分配激光雷达资源，进一步优化激光雷达的资源分配，以达到兼顾探测距离和能耗控制的目的。

需要说明的是，当所述激光雷达应用于无人驾驶领域时，所述垂直视场内的视场方向角为0度的方向为无人汽车的前进方向，垂直视场内的视场方向角为±90度为指向天空的方向和指向地面的方向，所以使所述衍射光学元件130的各衍射角度之间的分光比例上述设置能够使得激光雷达的探测区域更贴近于无人驾驶领域的探测需求，实现能耗和探测需求的兼顾。

继续参考图2，本实施例中，所述激光雷达应用于无人驾驶领域，所述激光雷达的安装高度是指，垂直视场内的视场方向角为0度的方向与地面之间的垂直距离。

由此可见，如图2所示，设置所述衍射光学元件130各衍射角度之间分光比例的步骤中，基于所述衍射光学元件130的各衍射角度之间的分光比例所形成的第二探测光束在所述垂直视场方向上的预设探测距离设置为：

垂直视场内的视场方向角为0度时，预设探测距离所对应的最远探测位置为d；

垂直视场内的视场方向角为最大垂直视场内的视场方向角αmax时，预设探测距离所对应的最远探测位置为dh，预设探测距离dh’为：

其中，h为所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角的方向与预设的所述激光雷达的最大探测高度所对应位置之间的垂直距离；

垂直视场内的视场方向角为最小垂直视场内的视场方向角αmin时，预设探测距离所对应的最远探测位置为dl，预设探测距离dl’设置为：

其中，l为沿垂直视场的方向所述激光雷达发射系统的安装高度。

所以，在范围内时，在垂直视场方向上的预设距离所对应的最远探测距离与垂直视场内的视场方向角为0度时的预设探测距离相等；在和范围内时，在垂直视场方向上的预设距离所对应的最远探测距离与所述垂直视场内的视场方向角相关。

需要说明的是，本发明其他实施例中，设置所述衍射光学元件130各衍射角度之间分光比例的步骤中，所述垂直视场方向上的预设探测距离所对应的最远探测位置的包络线为经过d、dh以及dl的抛物线，以降低激光雷达的发射系统的设计难度和控制难度，控制制造成本。

本实施例中，所述衍射光学元件130的各衍射角度之间的分光比例设置的步骤中，将所述衍射光学元件130设置为光栅，从而在保证分光效果的前提下，简化所述衍射光学元件130的结构，降低所述激光雷达光路的复杂程度。

具体的，将所述衍射光学元件130设置为光栅的步骤包括：将所述衍射光学元件130设置为达曼光栅，所以所述衍射光学元件130的各衍射角度之间的分光比例设置的步骤包括：基于达曼光栅的设计原理设置所述衍射光学元件130的各衍射角度之间的分光比例以降低设计难度，简化设计过程，从而降低分光元件的制造难度。

本实施例中，所述激光雷达的0度垂直视场内的视场方向角的方向与预设的所述激光雷达的最大探测高度所对应位置之间的垂直距离h为4米，沿垂直视场的方向所述激光雷达发射系统的安装高度l为4米，垂直视场内的视场方向角为0度时，预设探测距离为50m。此外，所述激光雷达的垂直视场分布在垂直视场方向角±30度的范围内。所述衍射光学元件130设置为分光角度为8°的二元达曼光栅。

结合参考图3，示出了图1所示激光雷达的发射系统实施例中所述衍射光学元件130的最佳分光比例。

其中，横轴表示所形成第二探测光束131的衍射角度，纵轴表示分光比例。可见，在衍射角度相对较小，即在视场方向角为0度的方向上，分光比例较大，所形成第二探测光束131的光强较大，所形成第二探测光束131具有较大的预设探测距离；在衍射角度相对较大，即在视场方向角为±30度的方向上，分光比例较小，所形成第二探测光束131的光强较小，所形成第二探测光束131具有较小的预设探测距离。

所以，本实施例中，所述衍射光学元件130的设计参数参考前述表1，本发明在此不再赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。