激光雷达及其工作方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种激光雷达及其工作方法。

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。

一开始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。多线激光雷达采用多个激光器和相应的探测器在垂直方向进行排列，增加了垂直方向上的探测范围。

然而，现有的多线雷达具有成本高，且安装难度大的缺点。

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工作方法，能够降低激光雷达装置的成本，且安装简单。

为解决上述问题，本发明提供一种激光雷达，包括：发射装置，用于向待探测目标发射第一激光光束；分光装置，用于将第一激光光束分为沿不同方向传播的多条第二激光光束，所述第二激光光束经待探测目标反射形成回波光束；接收装置，用于接收所述回波光束。

可选的，所述发射装置用于绕旋转轴旋转，且所述第一激光光束与所述旋转轴之间的夹角大于零；所述多条第二激光光束中包括若干条传播方向与旋转轴的夹角不相同的第二激光光束。

可选的，所述分光装置为达曼光栅或光纤分束器；所述达曼光栅为一维达曼光栅或二维达曼光栅。

可选的，还包括：扩束准直装置，用于增加传播相同距离时所述第一激光光束的光斑直径，并减小所述第一激光光束的发散角。

可选的，所述发射装置用于同时发射多束传播方向不同的第一激光光束。

可选的，所述发射装置包括多个激光器；多个激光器发射的第一激光光束的传播方向不相同。

可选的，所述发射装置包括多个激光器和第一汇聚透镜，多个激光器发射的第一激光光束的传播方向相同，所述第一汇聚透镜用于使多个激光器发射的第一激光光束汇聚至所述分光装置，所述分光装置到所述第一汇聚透镜焦平面的距离小于第一汇聚透镜焦焦深的一半。

可选的，所述发射装置具有旋转轴，所述发射装置用于绕所述旋转轴旋转，所述第一激光光束与所述旋转轴之间的夹角大于零；所述第一汇聚透镜的光轴垂直于所述旋转轴；多个激光器沿平行于所述旋转轴的方向排列，且多个激光器发射的第一激光光束的传播方向平行于所述第一汇聚透镜的光轴。

可选的，所述接收装置包括多个探测器，各探测器分别用于接收相应的第二激光光束经待测目标反射的回波光束。

相应的，本发明技术方案还提供一种激光雷达的工作方法，包括：提供激光雷达；使所述发射装置向待测目标发射第一激光光束，所述第一激光光束经过所述分光装置，分为多束传播方向不相同的第二激光光束，所述第二激光光束到达所述待测目标后反射出回波光束；通过接收装置接收所述回波光束。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明技术方案提供的激光雷达包括分光装置，所述分光装置能够将所述第一激光光束分为多束沿不同方向传播的第二激光光束。沿不同方向传播的第二激光光束能够对不同方位的待测目标进行检测，从而能够增加激光雷达的视场角和角分辨率。同时，通过分光装置将第一激光光束分为多束第二激光光束能够通过一个激光器获得多束第二激光光束，从而能够大量节约激光器的数量，进而能够降低所述激光雷达的成本及安装难度。所述激光雷达具有较高的视场角和角分辨率，且成本低。

进一步，所述分光装置为达曼光栅。达曼光栅能够将第一激光光束分为光强相近的多束第二激光光束，从而能够避免因某束光强度过小而难以被探测器检测，进而能够改善激光雷达的性能。

进一步，所述多条第二激光光束的传播方向与旋转轴的夹角不相同，能够增加所述激光雷达沿平行于所述旋转轴方向的分辨率和视场角，从而能够使所述激光雷达在垂直于所述旋转轴的方向和平行于所述旋转轴方向上均具有较高的分辨率和视场角。当所述旋转轴垂直于所述水平面时，能够增加激光雷达的垂直角分辨率和垂直视场角。

进一步，所述第一汇聚透镜能够使经过第一汇聚透镜出射的第一激光光束与水平面的夹角不相同，从而能够使经过所述分光装置之后，所述第二激光光束的传播方向与旋转轴的夹角不相同，能够增加激光雷达沿平行于所述旋转轴方向的分辨率和视场角，当所述旋转轴垂直于水平面时，能够增加激光雷达的垂直角分辨率和垂直视场角。

进一步，发射装置中激光器的个数为多个。多个激光器可以同时发射多束第一激光光束，再经过分光装置分束能够得到更多的第二激光光束，从而能够增加激光雷达的视场角和角分辨率。

附图说明

图1是一种多线激光雷达的的激光器的结构示意图；

图2至图4是本发明的激光雷达一实施例的结构示意图；

图5是本发明的激光雷达另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

激光雷达装置存在诸多问题，例如：成本高、安装难度大。

现结合一种激光雷达，分析所述激光雷达成本高、安装难度大的原因：

所述激光雷达包括：激光器，所述激光器用于向目标发射激光；探测器，所述探测器用于接收目标反射回的激光。

在激光雷达的工作过程中，激光器向目标发射激光，激光到达目标之后，由于目标的漫反射返回到探测器。传统的激光雷达装置仅包括一个激光器和一个探测器，因此，所述激光雷达装置仅能同时发射一束激光，从而导致激光雷达的垂直角分辨率较低。为了提高激光雷达的垂直角分辨率，提出了一种多线激光雷达。

图1是一种多线激光雷达的激光器的结构示意图。

请参考图1，所述多线激光雷达的激光器包括多个激光器10，用于发射激光，多个激光器10在沿垂直于水平面的方向上分布；透镜20，所述透镜20用于使不同位置激光器10发射的激光具有不同的传播方向。

每个激光器发射一束激光光束，每个激光光束对应着不同的激光出射角度，从而增加雷达在垂直方向上的分辨率。因此，所述多线激光雷达每个发射角度需要有一个激光器10与其相对应，从而导致激光雷达的成本较高。另外，多线激光雷达的每个激光器10需要在有限的空间内放置在固定的位置，使得安装较困难。

为解决所述技术问题，本发明提供了一种激光雷达，包括：发射装置，用于向待探测目标发射第一激光光束；分光装置，用于将第一激光光束分为沿不同方向传播的多条第二激光光束，所述第二激光光束经待探测目标反射形成回波光束；接收装置，用于接收经过待探测目标反射回来的回波光束。所述激光雷达结构简单，成本较低。

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。

图2至图4是本发明的激光雷达一实施例的结构示意图。

请参考图2至图4，图3是图2中发射结构120的结构示意图，图4是图2中接收装置130的结构示意图，所述激光雷达包括激光器121，用于向待探测目标发射第一激光光束1；分光装置123，用于将第一激光光束1分为沿不同方向传播的多条第二激光光束2，所述第二激光光束经待探测目标反射形成回波光束3；接收装置130，用于接收所述回波光束3。

所述激光雷达装置包括分光装置123，所述分光装置123能够将所述第一激光光束1分为多束沿不同方向传播的第二激光光束2。沿不同方向传播的第二激光光束2能够对不同方位的待测目标进行检测，从而能够增加激光雷达的视场角和角分辨率。同时，所述分光装置123能够使激光雷达通过一个激光器获得多束第二激光光束2，从而能够大量节约激光器的使用，进而能够降低所述激光雷达的成本及安装难度。

所述激光雷达包括发射接收装置110，所述发射接收装置110包括：发射结构120和接收装置130，所述发射结构120包括所述发射装置和分光装置123。

本实施例中，所述发射装置具有旋转轴，所述发射装置用于绕所述旋转轴旋转，且所述第一激光光束与所述旋转轴之间的夹角大于零。

具体的，所述激光雷达还包括：固定装置100；连接所述固定装置100和发射接收装置110的旋转装置140，所述旋转装置140用于带动所述发射接收装置110绕所述旋转轴旋转。

本实施例中，所述激光雷达安装于地面，所述激光雷达相对于地面固定。所述旋转轴垂直于水平面。在其他实施例中，所述激光雷达可以安装于飞机上，所述旋转轴可以与水平面之间的夹角大于零。

所述旋转装置140带动所述发射接收装置110绕垂直于水平面的中心轴旋转，能够使所述发射接收装置110发射和接收不同方向的光束，从而能够增加所述激光雷达沿水平方向的视场角及水平角分辨率。

在其他实施例中，所述旋转装置不具有所述旋转装置，所述发射装置相对于所述固定装置固定设置。

本实施例中，所述激光器121的个数为一个，所述激光器121用于产生和发射第一激光光束1。

所述激光器121为固体激光器或光纤激光器。

本实施例中，所述第一激光光束1的波长为905nm。在其他实施例中，所述第一激光光束的波长可以为其它值。

本实施例中，所述分光装置123为达曼光栅。达曼光栅能够将第一激光光束1分为光强相等的多束第二激光光束2，从而能够避免因某束光强度过小而难以被探测器检测，进而能够改善激光雷达的性能。在其他实施例中，所述分光装置还可以为光纤分光器。

具体的，所述分光装置123为一维达曼光栅。一维达曼光栅的制造成本低，能够降低激光雷达的成本。

在其他实施例中，所述分光装置还可以为二维达曼光栅，二维达曼光栅能够使所述第二激光光束的水平发射角度和垂直发射角度不相同，从而能够增加激光雷达的垂直角分辨率和水平角分辨率。水平方向为平行于水平面的方向，所述垂直方向垂直于水平面的方向。

具体的，所述达曼光栅可以为1×5分束、1×8分束、1×16分束、1×32分束或1×64分束的达曼光栅。达曼光栅的分束越高，所述激光雷达的视场角越大，分辨率越高。本实施例中以所述达曼光栅为1×9分束达曼光栅为例进行详细说明。

所述第一激光光束的波长为905nm；所述分光装置为1×9分束的一维达曼光栅，所述分光装置的相位转折点为0.06668，0.12871，0.28589，0.45666，0.59090，所述分光装置的周期为47μm～57μm。

本实施例中，所述多条第二激光光束2中包括若干传播方向与旋转轴的夹角不相同的第二激光光束2，能够增加所述激光雷达的平行于所述旋转轴的角分辨率和视场角。在其他实施例中，所述多条第二激光光束中包括若干传播方向与旋转轴的夹角相同的第二激光光束。

达曼光栅是一种不等间距、周期重复的二元相位傅里叶分束光栅。

具体的，本实施例中，所述达曼光栅包括多个交替排列的第一区和第二区，所述第一区的相位延迟0弧度，所述第二区的相位延迟π弧度。所述第一区和第二区均为长条型。相邻第一区之间的距离为达曼光栅的周期。所述达曼光栅的多个第一区的宽度不相同，多个第二区的宽度不相同。达曼光栅通过合理设计所述光栅周期、第一区宽度和第二区宽度使得所产生的多束第二激光光束2的光强相等。

本实施例中，所述分光装置123中第一区和第二区的延伸方向平行于所述旋转轴，从而使得所述第二激光光束2与旋转轴的夹角不相同。本实施例中，所述旋转轴垂直于水平面，则能够增加激光雷达装置的垂直角分辨率。

达曼光栅能够根据衍射原理将第一激光光束1分为多束不同级次的第二激光光束2。光栅原理公式：

d sin(θ)＝mλ

其中，d为光栅周期；m为衍射级次，对于N(N为奇数)分束的达曼光栅，m＝-(m-1)/2，-(m-1)/2+1，….0……，(m-1)/2-1，(m-1)/2；λ为第一激光光束1的波长，θ为第二激光光束2与达曼光栅法线之间的夹角。

由光栅原理公式可以看出，当第一激光光束1的波长一定，达曼光栅参数确定的情况下。不同级次的第二激光光束2与光栅法线之间的夹角不相同，从而能够得到多束沿不同方向传播的第二激光光束2。

本实施例中，所述激光雷达装置还包括：扩束准直装置122，用于增加所述第一激光光束1的光斑直径，并减小所述第一激光光束1的发散角。

所述扩束准直装置122能够增加所述第一激光光束1的光斑直径，从而能够有利于通过接收装置131对回波光束3进行接收。所述扩束准直装置122还能够减小所述第一激光光束1的发散角从而能够对第一激光光束1的传播方向进行精确控制，进而增加激光雷达的检测精度。

所述扩束准直装置122为望远镜。

所述接收装置130包括多个探测器131和分析装置。所述探测器131用于接收各第二激光光束2经目标反射的回波光束3，并将光信号转化为电信号；所述分析装置用于对所述电信号进行分析从而获取所述待测目标的位置。

所述探测器131为光电二极管或光电倍增管。

所述接收装置130还包括：第二汇聚透镜132，所述第二汇聚透镜132用于将所述回波光束3汇聚至所述探测器131，所述分光装置131到所述第一汇聚透镜132焦平面的距离小于第一汇聚透镜焦132焦深的一半。

具体的，本实施例中，所述分光装置131位于所述第一汇聚透镜132的焦平面处。

传播方向相同的第二激光光束2经过待测目标反射后的回波光束3经所述第二汇聚透镜132之后汇聚至同一探测器131表面；传播方向不相同的第二激光光束2经过待测目标反射后的回波光束3经所述第二汇聚透镜132之后汇聚至不同的探测器131，因此能够确定回波光束3的传播方向，进而确定待测目标的方位。

所述接收装置130与所述发射结构120分立。所述接收装置130与所述发射装置分立，使所述回波光束3不经过所述分光装置123，从而能够避免分光装置123改变回波光束3的传播方向，从而有利于确定待测目标的位置。

图5是本发明的激光雷达另一实施例的结构示意图。

请参考图5，本实施例中的激光雷达与上一实施例中的激光雷达的相同之处在此不做赘述，不同之处在于：

本实施例中，所述发射装置用于同时发射多束传播方向不同的第一激光光束1。

本实施例中，发射装置中激光器121的个数为多个(图中示出两个)。多个激光器可以同时发射多束第一激光光束1，再经过分光装置211分束能够得到更多的第二激光光束2，从而能够增加激光雷达的视场角和角分辨率。

本实施例中，多个激光器121发射的第一激光光束1的传播方向相同。在其他实施例中，多个激光器发射的第一激光光束的传播方向可以不相同。

本实施例中，所述扩束准直装置122的个数为多个，多个扩束准直装置122分别与多个所述激光器121对应，多个扩束准直装置122分别用于使多个激光器121发射的第一激光光束1传播相同距离时的光斑直径增加、发散角减小。

本实施例中，所述发射装置还包括：第一汇聚透镜210，用于使多个激光器121发射的第一激光光束1汇聚至所述分光装置211。

所述第一汇聚透镜210能够改变激光器121发射的第一激光光束1的传播方向，从而使多束第一激光光束1的传播方向不相同。

当到达所述分光装置211上的第一激光光束1的传播方向不相同时，由不同传播方向的第一激光光束1获得的第二激光光束2的传播方向不相同，从而能够进一步增加所述激光雷达的角分辨率。

具体的，本实施例中，所述第一汇聚透镜210的光轴垂直于所述旋转轴；多个激光器121沿平行于所述旋转轴的方向排列，且多个激光器发射的第一激光光束的传播方向平行于所述第一汇聚透镜210的光轴。

所述第一汇聚透镜210的光轴垂直于旋转轴；多个激光器121沿平行于所述旋转轴的方向排列，且多个激光器发射的第一激光光束的传播方向平行于所述第一汇聚透镜210的光轴，则所述第一汇聚透镜210能够使经过第一汇聚透镜210出射的第一激光光束1与旋转轴的夹角不相同，从而能够使经过所述分光装置211之后，所述第二激光光束2的传播方向与旋转轴的夹角不相同，从而能够增加激光雷达沿平行于所述旋转轴方向的分辨率和视场角。

本实施例中，所述旋转轴平行于水平面，所述分光装置能够增加激光雷达的垂直角分辨率和垂直视场角。

本实施例中，所述分光装置211到所述第一汇聚透镜210焦平面的距离小于所述第一汇聚透镜210焦深的一半。具体的，所述分光装置211位于所述第一汇聚透镜210的焦平面处。

请参考图2至图4，本发明实施例还提供一种激光雷达装置的工作方法：包括：提供图2至图4所示的激光雷达装置；使所述发射装置120向待测目标发射第一激光光束1，所述第一激光光束1经过所述分光装置123，分为多束沿不同方向传播的第二激光光束2，所述第二激光光束2到达待测目标后，所述待测目标反射出回波光束；通过接收装置接收所述回波光束。

所述第二激光光束2为多束，所述接收装置包括多个探测器131，各探测器131分别接收不同方向传播的回波光束。

本实施例中，所述探测器131的个数与第二激光光束2的个数相同。在其他实施例中，所述探测器的个数与第二激光光束的个数不相同。

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。