激光雷达及自动驾驶设备的制作方法
本发明实施例涉及雷达技术领域，特别是涉及一种激光雷达及自动驾驶设备。
背景技术：
激光雷达是使用激光来探测目标物体的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是发射系统先向目标发射用于探测的出射激光，然后接收系统接收从目标物体反射回来的回波激光，处理接收到的回波激光后可获得目标物体的有关信息，例如距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。
面阵激光雷达是指发射系统和接收系统均为面阵的激光雷达，无旋转扫描结构。例如，发射系统为具有寻址功能的垂直腔面发射激光器阵列(verticalcavitysurfaceemittinglaserarray，vcselarray)，通过电控方式进行扫描发射；接收系统为单光子雪崩光电二极管阵列(single-photonavalanchephotodiodearray，sapdarray)，其具有单光子级的灵敏度。基于sapd阵列的固态激光雷达容易受到环境光的影响，从而影响激光雷达的探测性能。
技术实现要素：
针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例的主要目的在于提供一种激光雷达及自动驾驶设备，解决了现有技术中的激光雷达容易受到环境光的影响的问题。
本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种激光雷达，所述激光雷达包括所述激光雷达包括发射驱动系统、发射系统、接收系统和信号处理系统；
所述发射系统包括多个用于发射出射激光的发光单元，所述发射系统用于按照第一次序开启所述发光单元使所述出射激光以扫描的方式遍历探测区域；
所述接收系统包括多个用于接收回波激光的探测单元，所述接收系统用于开启选定的所述探测单元以接收回波激光，探测被所述发光单元发射的出射激光扫描的探测区域，所述回波激光为所述出射激光被所述探测区域内的物体反射后返回的激光；
所述发射驱动系统用于驱动所述发射系统；
所述信号处理系统用于基于所述出射激光和所述回波激光计算所述探测区域内的物体的距离信息；
其中，所述探测单元包括感光区，所述感光区的面积与所述探测单元的像素面积的比值为所述探测单元的填充因子，所述探测单元的填充因子小于或等于0.5。
在一些实施例中，所述发光单元包括有源区，所述有源区的面积与所述发光单元的腔面面积的比值为所述发光单元的填充因子，所述发光单元的填充因子小于或等于0.5。
在一些实施例中，所述发光单元的填充因子小于或等于所述探测单元的填充因子。
在一些实施例中，所述发光单元与所述探测单元一一对应。
在一些实施例中，相邻行中的所述发光单元呈错位排列，相邻行中的所述探测单元呈错位排列。
在一些实施例中，在水平方向上，水平投影相邻的两个所述发光单元之间的水平视场角为第一水平视场角，同行中相邻的两个所述发光单元之间的水平视场角为第二水平视场角，所述第一水平视场角小于或等于所述第二水平视场角的1/2；
在水平方向上，水平投影相邻的两个所述探测单元之间的水平视场角为第一水平视场角，同行中相邻的两个所述探测单元之间的水平视场角为第二水平视场角，所述第一水平视场角小于或等于所述第二水平视场角的1/2。
在一些实施例中，所述第一水平视场角为所述第二水平视场角的1/4。
在一些实施例中，相邻列中的所述发光单元呈错位排列，相邻列中的所述探测单元呈错位排列。
在一些实施例中，在竖直方向上，竖直投影相邻的两个所述发光单元之间的水平视场角为第三水平视场角，同列中相邻的两个所述发光单元之间的竖直视场角为第四水平视场角，所述第三水平视场角小于或等于所述第四水平视场角的1/2；
在竖直方向上，竖直投影相邻的两个所述探测单元之间的水平视场角为第三水平视场角，同列中相邻的两个所述探测单元之间的竖直视场角为第四水平视场角，所述第三水平视场角小于或等于所述第四水平视场角的1/2。
在一些实施例中，所述第三水平视场角为所述第四水平视场角的1/4。
在一些实施例中，所述接收系统包括多个接收区域，每个所述接收区域包括多个探测单元，所述发光单元与所述接收区域一一对应。
在一些实施例中，单个所述发光单元发射的出射激光被所述探测区域内的物体反射后返回的回波激光用于被所述接收区域中的一个探测单元接收。
在一些实施例中，所述发射系统包括第一阵列发射器和第二阵列发射器，所述第一阵列发射器包括多个第一发光单元，所述第二阵列发射器包括多个第二发光单元，所述第一发光单元和所述第二发光单元发射的出射激光在所述探测区域内的光斑间隔排列，所述第一阵列探测器和所述第二阵列发射器用于按照所述第一次序开启所述第一发光单元和所述第二发光单元；
所述接收系统包括多个接收区域，每个所述接收区域包括多个探测单元，所述第一发光单元、所述第二发光单元和所述接收区域一一对应。
在一些实施例中，单个所述第一发光单元发射的出射激光被所述探测区域内的物体反射后返回的回波激光用于被所述接收区域中的一个探测单元接收，单个所述第二发光单元发射的出射激光被所述探测区域内的物体反射后返回的回波激光用于被所述接收区域中的另一个探测单元接收。
在一些实施例中，所述选定的探测单元为所述接收系统中所有的探测单元；或者，所述选定的探测单元为所述接收系统中可以接收到回波激光的探测单元。
在一些实施例中，所述第一次序为：在第一时间开启第一发射区域的多个发光单元，在第二时间开启第二发射区域的多个发光单元，直至所述出射激光扫描遍历所述探测区域。
在一些实施例中，所述发射系统包括m*n个所述发光单元，所述第一发射区域包括p*q个所述发光单元，所述m和n均为大于1的整数，所述p和q均为大于或等于1的整数，1<p<m或1<q<n。
在一些实施例中，所述p小于m，q小于n；所述发射系统用于先沿第一方向、然后沿第一方向的反方向往复开启所述发光单元，或者用于保持沿第一方向逐行或逐列开启所述发光单元；或者，
所述p等于m，q小于n；所述发射系统用于沿竖直方向开启所述发光单元；或者，
所述p小于m，q等于n；所述发射系统用于沿水平方向开启所述发光单元。
在一些实施例中，所述发射系统包括垂直腔面发射激光器阵列，所述接收系统包括单光子雪崩光电二极管阵列。
在一些实施例中，所述发射系统还包括发射光学模块，用于准直所述发光单元发射的出射激光；
所述接收系统还包括接收光学模块，用于会聚回波激光并将会聚后的回波激光射向探测单元。
在一些实施例中，所述探测单元的填充因子为0.4-0.5，所述发光单元的填充因子为0.4-0.5。
本发明实施例还提供了一种自动驾驶设备，包括驾驶设备本体以及如上所述的激光雷达，所述激光雷达安装于所述驾驶设备本体。
本发明实施例的有益效果是：本发明实施例通过将接收端阵列探测器的填充因子设置为小于第一比值，较小的填充因子降低了接收到的环境光强度，从而提高了信噪比，提高了激光雷达对抗环境光的能力，提升了测距性能。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的激光雷达的结构框图；
图2是本发明另一实施例提供的激光雷达的结构框图；
图3是本发明实施例中阵列发射器的结构示意图；
图4是本发明实施例中阵列探测器的结构示意图；
图5是本发明实施例中激光雷达的光路示意图；
图6是本发明实施例中相邻行收发阵列错位排列的示意图；
图7是本发明实施例中相邻行收发阵列错位排列的视场角示意图；
图8是本发明另一实施例中相邻行收发阵列错位排列的视场角示意图；
图9是本发明实施例中相邻列收发阵列错位排列的示意图；
图10是本发明实施例中相邻列收发阵列错位排列的视场角示意图；
图11是本发明实施例中发光单元和探测单元对应关系示意图；
图12是本发明另一实施例中发光单元和探测单元对应关系示意图；
图13是本发明实施例提供的自动驾驶设备的结构示意图；
图14是本发明另一实施例提供的自动驾驶设备的结构示意图。
具体实施方式中的附图标号如下：
激光雷达100，发射驱动系统1，发射系统2，阵列发射器21，发光单元21a，发射光学模块22，接收系统3，阵列探测器31，探测单元31a，接收光学模块32，信号处理系统4，自动驾驶设备200，驾驶设备本体201。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”、“若干”的含义是两个以上(含两个)，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
面阵激光雷达是指发射系统和接收系统均为面阵的激光雷达，发射系统为阵列发射器，接收系统为阵列探测器，无旋转扫描结构。例如，发射系统为具有寻址功能的垂直腔面发射激光器阵列(verticalcavitysurfaceemittinglaserarray，vcselarray)，通过电控方式进行扫描发射；接收系统为单光子雪崩光电二极管阵列(single-photonavalanchephotodiodearray，sapdarray)，具有单光子级的灵敏度。基于sapd阵列的固态激光雷达容易受到环境光的影响，从而影响激光雷达的探测性能。
面阵激光雷达的sapd阵列包括多个相同的像素单元，像素单元一般排列成矩形的形式。单个像素单元中，部分活动区域对光敏感，为感光区，其他区域没有光敏性，为非感光区。感光区占整个像素单元面积的比值为sapd阵列的填充因子(fillfactor,ff)。由于存在非感光区，面阵激光雷达存在一定的探测视场立体角盲区，其真实分辨率一般小于点云分辨率。
基于sapd阵列的固态激光雷达由于具有单光子级的灵敏度，灵敏度高，响应所有的光信号，因此容易受到环境光的影响。提高发射系统的功率可以提高激光雷达的信噪比，降低环境光的影响，但该方式受限于实际应用、能耗限制、面阵光源的工艺水平及人眼安全等因素。强烈的环境光背景辐射条件下，或者强反射率目标出现时，激光雷达容易因为饱和致盲而失去探测能力。因此，激光雷达的探测能力与环境光有关，这也造成激光雷达的日夜测距性能差距较大。
发明人发现，在阵列探测器的单像素对应的视场角一定的情况下，激光雷达的环境光免疫性和真实分辨率均与填充因子有关。减小填充因子可以提高激光雷达对抗环境光的能力。因此，本发明实施例提供了一种通过减小填充因子降低接收到的环境光强度的激光雷达。
请参考图1所示，本发明实施例提供了一种激光雷达100，其包括发射驱动系统1、发射系统2、接收系统3和信号处理系统4。发射系统2用于发射出射激光并使出射激光以扫描的方式遍历探测区域。出射激光被探测区域内的物体反射后返回回波激光。接收系统3用于接收回波激光。发射驱动系统1用于驱动发射系统2。信号处理系统4用于基于出射激光和回波激光计算探测区域内的物体的距离信息。
请参考图2所示，发射系统2包括阵列发射器21，请同时参考图3所示，阵列发射器21包括多个用于发射出射激光的发光单元21a，阵列发射器21用于按照第一次序开启发光单元21a使出射激光以扫描的方式遍历探测区域。阵列发射器21可以采用垂直腔面发射激光器阵列(vertical-cavitysurface-emittinglaserarray，vcselarray)、发光二极管阵列(lightemittingdiodearray，ledarray)、微发光二极管阵列(microlightemittingdiodearray，microledarray)、脉冲激光沉积阵列(pulsedlaserdepositionarray，pldarray)或激光二极管阵列(laserdiodearray，ldarray)等可以组成阵列发射的器件。本发明实施例中，阵列发射器21为vcsel阵列。例如，vcsel阵列包括m*n个可单独控制开关的发光单元21a，m和n均为大于1的整数。
在一些实施例中，发射系统2还包括发射光学模块22，用于准直出射激光，并将准直后的出射激光出射到探测区域。发射光学模块22可以采用光纤和球透镜组、单独的球透镜组、柱面透镜组等。
接收系统3包括阵列探测器31，请同时参考图4所示，阵列探测器31包括多个用于接收回波激光的探测单元31a，每个探测单元31a内具有一面积小于探测单元31a的感光区。阵列探测器31用于开启选定的探测单元31a以接收回波激光，探测被发光单元21a发射的出射激光扫描的探测区域。选定的探测单元31a与发射出射激光的发光单元21a对应。阵列探测器31可以采用单光子雪崩光电二极管阵列(single-photonavalanchephotodiodearray，sapdarray)、雪崩光电二极管阵列(avalanchephotodiodearray，apdarray)、硅光电倍增管阵列(siliconphotomultiplierarray，sipmarray)、多像素光子计数器阵列(multi-pixelphotoncounterarray，mppcarray)、光电倍增管阵列(photomultipliertubearray，pmtarray)等可以组成阵列接收的器件。本发明实施例中，阵列探测器31为sapd阵列。例如，sapd阵列包括m*n个可单独控制开关的探测单元31a，m和n均为大于1的整数。
在一些实施例中，接收系统3还包括接收光学模块32，用于会聚回波激光，并将会聚后的回波激光射向阵列探测器31。接收光学模块32可以采用球透镜、球透镜组或柱透镜组等。
信号处理系统4可采用现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)，fpga与发射驱动系统1连接，进行出射激光的发射控制。fpga还分别与接收系统3的时钟引脚、数据引脚和控制引脚连接，进行回波激光的接收控制。fpga基于出射激光和回波激光计算探测区域内的物体的距离信息。
下面对阵列发射器21和阵列探测器31的具体设置及其工作方式进行说明。
阵列发射器21的发光单元21a与阵列探测器31的探测单元31a一一对应，使得发光单元21a发射的出射激光与探测单元31a接收的回波激光是对应的，即发光单元21a发射的出射激光照射在探测区域的位置与探测单元31a所探测的探测区域的位置对应。例如，第一发光单元21a与第一探测单元对应，则第一发光单元21a发射的第一出射激光被探测区域内的物体反射后返回第一回波激光，第一探测单元接收该第一回波激光。具体的，如，(1,1)位置的发光单元21a和(1,1)位置的探测单元31a对应，用于探测r11区域，(1,2)位置的发光单元21a和(1,2)位置的探测单元31a对应，用于探测r12区域……对应的发光单元21a和探测单元31a被控制为同时打开和关闭。
可以理解的是，阵列发射器21与阵列探测器31中可以仅其中工作的发光单元21a与工作的探测单元31a一一对应。例如，阵列发射器21中仅部分发光单元21a工作，阵列探测器31中仅部分探测单元31a工作，工作的发光单元21a和工作的探测单元31a一一对应。或者，阵列发射器21中发光单元21a的数量大于阵列探测器31中探测单元31a的数量，则阵列探测器31的全部探测单元31a与阵列发射器21的部分发光单元21a一一对应。或者，阵列发射器21中发光单元21a的数量小于阵列探测器31中探测单元31a的数量，则阵列发射器21的全部发光单元21a与阵列探测器31的部分探测单元31a一一对应。
下面对发光单元21a和探测单元31a开启的第一次序进行说明。
1.单次开启单个发光单元21a和探测单元31a
开启(1,1)位置的发光单元21a，同步开启(1,1)位置的探测单元31a，从而实现对r11区域的探测；开启(1,2)位置的发光单元21a，同步开启(1,2)位置的探测单元31a，从而实现对r12区域的探测……开启最后一个发光单元21a，同步开启最后一个探测单元31a，从而实现对最后一个区域的探测。
或者，先开启最后一个位置的发光单元21a，同步开启相应的探测单元31a，并按照与上述(1,1)、(1,2)……的顺序相反的顺序对探测区域进行扫描。
2.单次开启单列/单行发光单元21a和探测单元31a
开启第一行(包括(1,1)，(1,2)……(1,m))的发光单元21a，同步开启第一行的探测单元31a，从而实现对r1区域的探测；开启第二行(包括(2,1)，(2,2)……(2,m))的发光单元21a，同步开启第二行的探测单元31a，从而实现对r2区域的探测……开启最后一行发光单元21a(包括(n,1)，(n,2)……(n,m))，同步开启最后一行探测单元31a，从而实现对最后一个区域的探测。或者，先开启最后一行的发光单元21a，同步开启相应的探测单元31a，并按照与上述顺序相反的顺序对探测区域进行扫描。
或者，开启第一列(包括(1,1)，(2,1)……(n,1))的发光单元21a，同步开启第一列的探测单元31a，从而实现对r1区域的探测；开启第二列(包括(1,2)，(2,2)……(n,2))的发光单元21a，同步开启第二列的探测单元31a，从而实现对r2区域的探测……开启最后一列发光单元21a(包括(1,m)，(2,m)……(n，m))，同步开启最后一列探测单元31a，从而实现对最后一个区域的探测。或者，先开启最后一列的发光单元21a，同步开启相应的探测单元31a，并按照与上述顺序相反的顺序对探测区域进行扫描。
相较于上述点发点收的方式，单列/单行扫描的方式可以降低单帧的扫描周期，提高探测效率。
3.单次开启一个块状区域内的发光单元21a和探测单元31a
阵列发射器21中，每个区域包括p*q个发光单元21a，其中，p和q均为大于1的整数，1<p<m或1<q<n。相应的，阵列探测器31中，每块区域包括p*q个探测单元31a。
阵列发射器21先沿第一方向、然后沿第一方向的反方向往复开启各个区域内的发光单元21a，或者保持沿第一方向逐行或逐列开启各个区域内的发光单元21a，第一方向可以是水平方向或者竖直方向，例如：开启第一区域的发光单元21a，同步开启第一区域的探测单元31a，从而实现对r1区域的探测；开启第二区域的发光单元21a，同步开启第二行的探测单元31a，从而实现对r2区域的探测……开启最后一个区域的发光单元21a，同步开启最后一个区域的探测单元31a，从而实现对最后一个区域的探测。
相较于上述点发点收的方式，区域扫描的方式可以降低单帧的扫描周期，提高探测效率。
以上为发光单元21a和探测单元31a的开启方式的示意性说明，不应对本发明构成限定。发光单元21a被开启的第一次序可以为任何顺序。发光单元21a和相应的探测单元31a完成对相应探测区域的单次扫描后，同步关闭该发光单元21a和探测单元31a。
本发明实施例中，感光区的面积与探测单元31a的像素面积的比值为探测单元31a的填充因子，探测单元31a的填充因子小于或等于0.5。本发明实施例的激光雷达100通过将接收端阵列探测器31的填充因子设置为小于或等于0.5，较小的填充因子降低了接收到的环境光强度，从而提高了信噪比，提高了激光雷达100对抗环境光的能力，提升了测距性能。本发明实施例无需复杂的光学系统优化或提高发射功率即可指数级的提升系统的信噪比，降低了系统对发射光源功率的要求，有效抑制环境光对单光子系统的致盲，减少了基于单光子探测器件日夜使用时的测距性能的差异。
理论上，探测单元31a的填充因子越小，越能提高信噪比。但是，由于工艺和尺寸限制，在一些实施例中，探测单元31a的填充因子在0.4-0.5的范围内，既可以提高信噪比，也能满足实际加工和应用的需求。
发光单元21a包括有源区，有源区的面积与发光单元21a的腔面面积的比值为发光单元21a的填充因子。在一些实施例中，将发光单元21a的填充因子设置为小于或等于0.5。在一些实施例中，发光单元21a的填充因子也在0.4-0.5的范围内。请参考图5所示，发光单元21a和探测单元31a的有源区的面积均较小，发射视场与接收视场相同或者发射视场略小于接收视场，发射端特定像素的出射激光经目标反射回的回波激光全部汇聚于接收端阵列的像素中心的有源区。通过将发射端的阵列发射器21(信号光源)也进行填充因子的缩放，使发射的出射激光中大部分或者全部出射激光被目标物体反射的回波激光可以被阵列探测器31接收，保证阵列探测器31接收到的信号光不变或者仅减少小部分信号光，而接收到的环境光强度降低了，进一步提高了激光雷达100对抗环境光的能力，提高了信噪比，提升了测距性能。
发光单元21a的填充因子和探测单元31a的填充因子可以相同也可以不同。当发光单元21a的填充因子大于探测单元31a的填充因子时，发射的出射激光中仅大部分出射激光被目标物体反射的回波激光可以被阵列探测器31接收。当发光单元21a的填充因子与探测单元31a的填充因子相同时，通过将阵列发射器21进行与阵列探测器31相同的填充因子缩放，发射的出射激光中全部出射激光被目标物体反射的回波激光可以被阵列探测器31接收，使接收到的信号光不变，而接收到的环境光强度降低了，最大限度提高了激光雷达100对抗环境光的能力，提高了信噪比，提升了测距性能。当发光单元21a的填充因子小于探测单元31a的填充因子时，与前述填充因子相同的实施例类似，发射的出射激光中全部出射激光被目标物体反射的回波激光可以被阵列探测器31接收，使接收到的信号光不变，而接收到的环境光强度降低了，最大限度提高了激光雷达100对抗环境光的能力。
下面对阵列探测器31的填充因子变化导致系统信噪比变化的原理进行说明：
激光雷达100探测的噪声功率pnoise和信号功率psig的计算如下式：
其中，f为f#(f数)，f#＝f/d(f为焦距，d为入射光瞳直径)，假设sapd阵列的像素为矩形，有源区为圆形，a为像素规则的边长，b为有源区的直径，φ为分辨率，r为目标的反射率。
其余为实际工况或激光雷达100系统设计有关的定值，例如esun为太阳光谱，λ为太阳方位角，θ为太阳光直射角和目标法线的夹角，
对于特定的探测器，sapd的有源区对应的视场角
在特定的背景条件及目标反射率要求下，噪声功率与接收镜头的光圈f#及sapd的有源区尺寸有关，因此对于特定距离和反射率的目标，在特定的系统要求下(如探测器阵列像素间距a和角分辨率φ要求固定)，不改变发射端的出射功率，调整并选择合适大小的接收端镜头光圈(即f#)，只需将b减小，就可以提高系统的信噪比。例如将b减小一倍，系统的信噪比可以提高4倍。因此，通过采用较小的填充因子b，可以提高系统对环境光的免疫性。
在填充因子较小的情况下，系统具有较好的环境光抑制性，实现系统探测性能要求所需的发射端峰值功率也较低。随着填充因子的增加，系统所需的发射端发射峰值功率越高，对于高反目标的探测性能下降。因此，合理的选择填充因子的大小可以大大提高系统的环境光免疫性，抑制恶劣工况条件对系统性能的制约，降低系统的成本。
此外，系统的噪声来源除了环境光噪声外，还有暗计数率(darkcountrate,dcr)和硬件的电路噪声、热噪声等。系统的信噪比的定义如下：
不同工况下，系统的噪声主要来源不同，如夜晚环境，系统的噪声来源主要是dcr。一般情况下，dcr、硬件噪声和热噪声与sapd器件特性和温度有关，在特定工况(环境光和温度)的系统中，可以认为dcr、硬件噪声和热噪声是定制的且相比于环境光小量，以上公式(4)可以简化处理：
sapd阵列的像素规格为边长为a的矩形，有源区为直径为b的圆形，则系统的信噪比(signal-noiseratio,snr)的计算公式为：
可见，snr与系统的参数设置如发射峰值功率pt、光学系统发射效率tt、环境光强度如太阳光谱esun、目标距离r和阵列探测器31的ff有关。
对于点对点的成像光学系统，阵列发射器的填充因子ff1仅影响出射峰值功率pt可以被利用的比例：即当阵列发射器和阵列探测器的填充因子相同或者阵列发射器像素的填充因子ff1小于阵列探测器对应像素的填充因子ff2时，所有的出射能量均是有效的发射能量；当阵列发射器像素的填充因子ff1大于阵列探测器对应像素的填充因子ff2时，出射能量存在一定的损失，此时有调制系数c≈ff2/ff1，pt＝c×pt。
因此，不论阵列发射器与阵列探测器的填充因子相同或者不同，系统的信噪比最终是由多种因素决定的，带入决定snr的任意一组参数取值可以计算snr的值。
在固定的系统设计和工况条件下，snr＝f(r,ff)。根据蒙特卡洛仿真模型，系统的有效探测概率p＝g(r,snr)，因此p＝v(snr，r，ff)，即阵列探测器的填充因子的取值范围可由系统的有效探测概率、目标距离决定。我们可以根据系统所要达到的有效探测概率和应用场景的目标距离确定阵列探测器的实际填充因子。
收发阵列错位排列的实施例：
在一实施例中，请参考图6所示，相邻行中的发光单元21a呈错位排列。在水平方向上，水平投影相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为第一水平视场角，同行中相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为第二水平视场角，第一水平视场角小于或等于第二水平视场角的1/2，例如第一水平视场角为第二水平视场角的1/2、1/3、1/4、1/6等。请参考图7所示，本实施例中，第一水平视场角为第二水平视场角的1/4，例如同行中相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为0.4°，在水平方向上，水平投影相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为0.1°。请参考图8所示，本实施例中，第一水平视场角为第二水平视场角的1/2，例如同行中相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为0.4°，在水平方向上，水平投影相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为0.2°。
相应的，相邻行中的探测单元31a也呈错位排列。在水平方向上，水平投影相邻的两个探测单元31a之间的水平视场角为第一水平视场角，同行中相邻的两个探测单元31a之间的水平视场角为第二水平视场角，第一水平视场角小于或等于第二水平视场角的1/2，例如第一水平视场角为第二水平视场角的1/2、1/3、1/4、1/6等。本实施例中，第一水平视场角为第二水平视场角的1/4，例如同行中相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为0.4°，在水平方向上，水平投影相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为0.1°。
在另一实施例中，请参考图9所示，相邻列中的发光单元21a呈错位排列。在竖直方向上，竖直投影相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为第三水平视场角，同列中相邻的两个发光单元21a之间的竖直视场角为第四水平视场角，第三水平视场角小于或等于第四水平视场角的1/2，例如第三水平视场角为第四水平视场角的1/2、1/3、1/4、1/6等。请参考图10所示，本实施例中，第三水平视场角为第四水平视场角的1/4，例如同列中相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为0.4°，在竖直方向上，竖直投影相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为0.1°。
相应的，相邻列中的探测单元31a呈错位排列。在竖直方向上，竖直投影相邻的两个探测单元31a之间的水平视场角为第三水平视场角，同列中相邻的两个探测单元31a之间的竖直视场角为第四水平视场角，第三水平视场角小于或等于第四水平视场角的1/2，例如第三水平视场角为第四水平视场角的1/2、1/3、1/4、1/6等。本实施例中，第三水平视场角为第四水平视场角的1/4，例如同列中相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为0.4°，在竖直方向上，竖直投影相邻的两个发光单元21a之间的水平视场角为0.1°。
上述实施例中，通过分别对发光单元21a和探测单元31a进行错位排列，降低相邻的像素中最近的两个像素的有源区之间的距离，在空间上形成更为密集的排列方式，可以在使用较小的有源区尺寸抑制环境光的同时，保证足够的点云分辨率，避免对远场小目标的漏检。无需对光学系统做复杂的优化，也无需依靠后端处理算法，可以有效提高激光雷达100在110klux的环境光辐照度条件下的探测能力和系统的动态探测范围，相当于在提高系统环境光免疫性的同时不会损失系统的实际分辨率，具有更致密的点云排布和真实分辨率。
单个发光单元21a对应多个探测单元31a的实施例：
请参考图11所示，。阵列探测器31包括多个接收区域r，每个接收区域r包括多个探测单元31a，发光单元21a与接收区域r一一对应，也即单个发光单元21a与多个探测单元31a对应。单个发光单元21a发射的出射激光被探测区域内的物体反射后返回的回波激光用于被接收区域r中的一个或多个探测单元31a接收。若发光单元21a的发射视场大于探测单元31a的接收视场，则单个发光单元21a发射的出射激光被探测区域内的物体反射后返回的回波激光会被接收区域r中的多个探测单元31a接收，发光单元21a的发射视场越大，则用来接收对应回波激光的探测单元31a数量越多。若发光单元21a的发射视场小于或等于探测单元31a的接收视场，则单个发光单元21a发射的出射激光被探测区域内的物体反射后返回的回波激光仅被接收区域r中的一个探测单元31a接收。每个接收区域r中可以接收到回波激光的探测单元31a可以理解为该接收区域r的有源区。
接收区域r可以是a*a个探测单元31a组成的小阵列，例如2*2、3*3、4*4、5*5等。在接收区域r内选择一个或少数几个探测单元31a作为有源区接收回波激光。
发光单元21a可以相邻排列或者发光单元21a之有一定的间距。本实施例中，发光单元21a之间有一定的间距，例如在水平方向上，任何两个水平投影相邻的发光单元21a之间的间距为3个单元；在竖直方向上，任何两个竖直投影相邻的发光单元21a之间的间距为1个单元。单个发光单元21a发射的出射激光照射的探测区域被单个接收区域r内的单个探测单元31a探测。可以理解的是，上述间距还可以设置为其他数量的单元。
在实际工作时，可以开启接收系统3的阵列探测器31中所有的探测单元31a，也即前文所述的选定的探测单元31a为接收系统3中所有的探测单元31a。或者，也可以仅开启接收系统3的阵列探测器31中可以接收到回波激光的探测单元31a，也即前文所述的选定的探测单元31a为接收区域r中可以接收到回波激光的探测单元31a。例如将系统理论上设计为单个发光单元21a发射的出射激光照射的探测区域仅被单个接收区域r内的单个探测单元31a探测，但在实际制造中，由于工艺限制，可能无法实现单个发光单元21a和单个探测单元31a完全对准，因此在工作时，可以选择开启接收系统3的阵列探测器31中所有的探测单元31a，避免仅开启对应的单个探测单元31a无法全部接收回波激光的情况。
上述实施例中，将若干个探测单元31a组成一个小阵列，只选择其中一个探测单元31a作为有源区，则单个接收区域r的填充因子为其中有源区的像素数量与其像素总数的比值。通过选择数量较少的探测单元31a作为有源区，降低了接收区域r的填充因子，进一步提高了激光雷达100对抗环境光的能力，提高了信噪比，提升了测距性能。例如，在2*2的接收区域r内有1个探测单元31a作为有源区，则填充因子为1/4＝0.25，在4*4的接收区域r内1个探测单元31a作为有源区，则填充因子为1/16＝0.0625。接收区域r的总探测单元31a数量越多，其中有源区的探测单元31a数量越少，则其填充因子越小。
此外，在选择仅开启接收系统3的阵列探测器31中可以接收到回波激光的探测单元31a的实施例中，通过选择性的让一个小阵列中的一个或少数几个探测单元31a工作，其周边的其他探测单元31a不工作，可以降低探测单元31a都工作时产生的串扰。
此外，探测单元31a的和发光单元21a的填充因子还可以不同于前述实施例。例如，阵列探测器31和阵列发射器21采用前面照度(front-sideillumination，fsi)技术制造，为满格填充，也即填充因子约为1。此时，由于减小了单个接收区域r的填充因子，看，可以将单个接收区域r看做单个像素单元，接收区域r中用于接收回波激光的探测单元31a看做有源区，因此相当于减小了阵列探测器31的填充因子，同样可以提高了激光雷达100对抗环境光的能力，提高信噪比，提升测距性能。
多发射单接收的实施例：
请参考图12所示，与上述图11所示实施例不同之处在于，发射系统2包括第一阵列发射器和第二阵列发射器，第一阵列发射器包括多个第一发光单元，第二阵列发射器包括多个第二发光单元，第一发光单元和第二发光单元发射的出射激光在探测区域内的光斑间隔排列，第一阵列发射器和第二阵列发射器用于按照第一次序开启第一发光单元和第二发光单元。第一发光单元、第二发光单元和接收区域r一一对应，也即单个第一发光单元与多个探测单元31a对应，单个第二发光单元与多个探测单元31a对应。单个第一发光单元发射的出射激光被探测区域内的物体反射后返回的回波激光用于被接收区域r中的一个或多个探测单元31a接收，单个第二发光单元发射的出射激光被探测区域内的物体反射后返回的回波激光用于被接收区域r中的一个或多个探测单元31a接收。
本实施例中，不仅第二发光单元自身以及第三发光单元自身之间有一定的间距，第二发光单元和第三发光单元之间也有间距。其中，第二发光单元和第三发光单元之间间距1个单元。当然，第二发光单元和第三发光单元之间间距还可以为2个或其他数量的单元。且在水平方向上，任何两个水平投影相邻的第二发光单元和第三发光单元之间的间隔也为1个单元；在竖直方向上，任何两个竖直投影相邻的第二发光单元和第三发光单元之间的间隔也为1个单元。可以理解的是，水平方向上任何两个水平投影相邻的第二发光单元和第三发光单元之间的间隔、竖直方向上任何两个竖直投影相邻的第二发光单元和第三发光单元之间的间隔还可以为其他数量的单元，例如2个单元、3个单元等。
上述实施例中，通过采用两个独立的阵列发射器21，其投射光斑错开排布，相比图所示仅采用一个阵列发射器21的方案，可以弥补视觉盲区的空缺，在不改变接收系统3时可以提高分辨率。
基于上述激光雷达100，本发明实施例提出了一种包含上述实施例中的激光雷达100的自动驾驶设备200，该自动驾驶设备200可以是汽车、飞机、船以及其他涉及到使用激光雷达进行智能感应和探测的设备，该自动驾驶设备200包括驾驶设备本体201以及如上实施例的激光雷达100，激光雷达100安装于驾驶设备本体201。
请参考图13所示，该自动驾驶设备200为无人驾驶汽车，激光雷达100安装于汽车的车身侧面。请参考图14所示，该自动驾驶设备200同样为无人驾驶汽车，激光雷达100安装于汽车的车顶。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！