激光雷达接收装置及激光雷达系统的制作方法
本公开涉及距离测量技术领域，尤其涉及一种激光雷达接收装置及激光雷达系统。
背景技术：
三维环境测量和感知具有重要的民用和军事应用价值。在先进驾驶辅助系统(adas)和自动驾驶系统中，对车辆周边环境进行空间距离测量和三维环境重建，是实现高精度自动驾驶控制的重要前提条件。相关技术中，毫米波雷达技术和基于摄像头的三维重建技术是比较常见的距离测量技术，但在自动驾驶应用场景下，毫米波雷达技术的横向分辨率难以达到要求，且易受金属物体的干扰；而基于摄像头的三维重建技术的测距精度较低，尤其对于远距离的目标，难以实现精准的距离测量。激光雷达技术通过主动发射激光束，照射到被测物体后，形成漫反射回波，由接收系统接收回波；通过测量激光发射时刻和回波接收时刻的时间差，可以获得激光雷达与被测物体的距离信息。激光雷达技术具有测距精度高、横向分辨率高的优点，在辅助驾驶和自动驾驶领域有广阔的应用前景。
传统的激光雷达系统包括激光发射部件、回波接收部件，构成单点式(单点发射以及单点接收)探测系统，采样点单一，探测范围有限。如果希望同时获得多个采样点的探测信息，则需要将多个单点式探测系统进行拼接，但拼接后的系统体积庞大，装调难度较大，且成本较高。随着线阵探测器件的发展，以线性探测器件作为回波接收部件，同时使激光发射部件发射线状式激光，可以快速获得多个采样点的探测信息，提高了系统的探测速度及探测范围的同时，使得整个系统更加紧凑，且降低了调试难度及成本。相关技术中，为了进一步提高探测速度和探测范围，在采用线阵探测器件的情况下，利用扫描的方式，使发射线状式激光的激光发射部件在垂直于线光束的方向上进行扫描，同时使线阵探测器件在垂直于线阵的方向上也配合进行扫描，以便获取更多采样点。但是在这种情况下，虽然可以获得较大的探测范围，但由于探测器件需要做往复运动，以至于严重影响了系统的探测精度。
技术实现要素：
有鉴于此，本公开提出了一种激光雷达接收装置及激光雷达系统。
根据本公开的一方面，提供了一种激光雷达接收装置，包括：
第一光接收部件，接收来自目标对象的第一返回光，所述第一返回光经过所述第一光接收部件后方向发生偏转形成第二返回光，所述第二返回光射向第二光接收部件，其中，所述第一返回光包括所述目标对象接收外界光的照射而产生的反射光；
第二光接收部件，接收第二返回光，所述第二返回光经过所述第二光接收部件后方向发生偏转形成第三返回光，所述第三返回光射向光探测部件，其中，所述第三返回光在水平方向上的扩散程度，受第二光接收部件的压缩作用，使得第三返回光在水平方向上能够被光探测部件所接收；
光探测部件，接收来自所述第二光接收部件的第三返回光，生成反射光信息，所述反射光信息用于确定目标对象的距离。
在一种可能的实现方式中，所述第一光接收部件包括一个或多个透镜；所述第二光接收部件为柱面镜；其中，所述第一光接收部件和所述第二光接收部件的光学中心处于一条直线上。
在一种可能的实现方式中，所述柱面镜为平凸柱面镜。
在一种可能的实现方式中，所述第一返回光经过所述第一光接收部件的入瞳，从所述第一光接收部件的出瞳出射后方向发生偏转形成所述第二返回光，所述第二返回光射向第二光接收部件；所述第二返回光经过所述第二光接收部件后方向发生偏转形成所述第三返回光，所述第三返回光射向所述光探测部件，所述第三返回光在所述光探测部件所在平面的成像宽度小于或等于所述光探测部件的宽度。
在一种可能的实现方式中，所述第一光接收部件、所述第二光接收部件和所述光探测部件的位置关系满足公式1：
其中，u表示所述第一光接收部件的出瞳所在的平面到所述第二光接收部件的物方主平面的距离；v表示所述第二光接收部件的像方主平面到所述光探测部件的探测平面的距离；f表示所述第二光接收部件的焦距。
在一种可能的实现方式中，所述光探测部件为线阵式光探测器，所述线阵式光探测器的线阵方向垂直于所述柱面镜的端面。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：激光发射部件，包括激光发射器，所述激光发射器发射激光至目标对象，以使激光经过所述目标对象的反射后形成第一返回光。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：驱动部件，所述驱动部件驱动所述激光发射部件发射激光至目标对象的不同区域。
根据本公开的另一方面，提供了一种激光雷达系统，所述激光雷达系统采用前述的激光雷达接收装置。
本公开的激光雷达接收装置，通过设置第二光接收部件，利用第二光接收部件在水平方向上对光束的压缩特性，使得第三返回光在水平方向上能够全部或者尽可能多的被光探测部件所接收，由此在光探测部件的探测面积恒定的情况下，能够增加光探测部件探测到的视场范围。此外，如果激光发射部件采用扫描的方式向目标对象发射激光，由于光探测部件能够探测到较大的视场范围，无需配合扫描做往复运动，能够保证激光雷达系统具有较高的探测精度。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种激光雷达接收装置的示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的在竖直方向上光束经过第一光接收部件和第二光接收部件的光路示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的在水平方向上光束经过第一光接收部件和第二光接收部件的光路示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的在水平方向上光束经第一光接收部件和第二光接收部件到达光探测部件的光路示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种激光雷达接收装置的示意图。
附图标记列表
100：激光雷达接收装置101：第一光接收部件
102：第二光接收部件103：光探测部件
1021：柱面镜104：目标对象
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
图1是根据一示例性实施例示出的一种激光雷达接收装置的示意图。如图1所示，该装置100包括：第一光接收部件101，接收来自目标对象104的第一返回光，第一返回光经过第一光接收部件101后方向发生偏转形成第二返回光，第二返回光射向第二光接收部件102，其中，第一返回光包括目标对象104接收外界光的照射而产生的反射光；第二光接收部件102，接收第二返回光，第二返回光经过第二光接收部件102后方向发生偏转形成第三返回光，第三返回光射向光探测部件103，其中，所述第三返回光在水平方向上的扩散程度，受第二光接收部件102的压缩作用，使得第三返回光在水平方向上能够被光探测部件103所接收；光探测部件103，接收来自第二光接收部件102的第三返回光，生成反射光信息，反射光信息用于确定目标对象104的距离。
本公开的激光雷达接收装置，通过设置第二光接收部件，利用第二光接收部件在水平方向上对光束的压缩特性，使得第三返回光在水平方向上能够全部或者尽可能多的被光探测部件所接收，由此在光探测部件的探测面积恒定的情况下，能够增加光探测部件探测到的视场范围。此外，如果激光发射部件采用扫描的方式向目标对象发射激光，由于光探测部件能够探测到较大的视场范围，无需配合扫描做往复运动，能够保证激光雷达系统具有较高的探测精度。
第一光接收部件101可以是指接收来自目标对象104的第一返回光，并使第一返回光的方向发生偏转形成第二返回光，以便于第二光接收部件102可以接收第二返回光的部件。第一返回光可以包括目标对象104接收外界光的照射而产生的反射光。例如，第一返回光包括目标对象104接收激光发射器发射的激光而产生的反射光。再例如，第一返回光包括目标对象104接收激光发射器发射的激光以及其他背景照明光源的照射而产生的反射光。其中，背景照明光源可以包括自然光源(例如太阳等)和/或人造光源(例如电灯等)。
第二光接收部件102可以是指接收来自第一光接收部件101的第二返回光，并使第二返回光的方向发生偏转形成第三返回光，以便于光探测部件103可以接收第三返回光的部件。其中，第三返回光在水平方向上的扩散程度，受第二光接收部件的压缩作用，使得第三返回光在水平方向上能够被光探测部件所接收。下文会通过举例进行详细的说明。
光探测部件103可以指用于接收来自第二光接收部件102的第三返回光以生成反射光信息的部件。光探测部件103可以是一个或多个拼接的光探测器。光探测器可以包括光电二极管、线阵式雪崩光电二极管或面阵式雪崩光电二极管等，在此不作限制。
在一种可能的实现方式中，光探测器可以对一种或多种波长的光进行响应。
在一个示例中，第一返回光包括目标对象104接收激光发射器发射的激光而产生的反射光(以下称为激光反射光)，光探测器可以根据波长对激光反射光进行响应。
在另一个示例中，第一返回光包括激光反射光和背景光照明光源的照射而产生的反射光(以下称为背景光反射光)，光探测器可以根据波长对两种反射光都进行响应，也可以只对其中一种反射光进行响应。若光探测器只对激光反射光进行响应，而对背景光反射光不进行响应，在这种情况下，可以看作光探测器接收了激光反射光，排除了背景光反射光的影响，简化了后续生成反射光信息，以及利用反射光信息确定目标对象104的距离的计算过程。
在一种可能的实现方式中，第一光接收部件101可以包括一个或多个透镜；第二光接收部件102可以为柱面镜；其中，所述第一光接收部件101和所述第二光接收部件102的光学中心处于一条直线上。
在一种可能的实现方式中，第一光接收部件101可以是一个透镜，例如凸透镜等。以第一光接收部件101是一个双凸透镜为例，来自目标对象104的第一返回光经过该双凸透镜后形成第二返回光，第二返回光相比于第一返回光，在各个方向上，光束的发散角均减小，例如使光束变为会聚光或者平行光，便于第二接收部件102对第二返回光的接收。在另一种可能的实现方式中，第一光接收部件101可以是由多个透镜组成的透镜组。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际情况来选择或者设计第一光接收部件101，在此不作限制。
在一种可能的实现方式中，第二光接收部件102可以为柱面镜。第一返回光在分别经过第一光接收部件和柱面镜后，平行于柱面镜的端面的方向上，光的扩散程度，受到柱面镜的压缩作用，使得光接收部件能够接收到全部或者尽可能多的第三返回光。
在一种可能的实现方式中，柱面镜可以为平凸柱面镜。
以第一光接收部件101为多个透镜、第二光接收部件102为平凸柱面镜为例进行举例说明。其中，组成第一光接收部件101的多个透镜的光学中心的连线为一条直线(该直线即为光轴)，将多个透镜看作一个等效透镜，h和h’分别为等效透镜的物方主平面和像方主平面，p和p’分别为等效透镜的入瞳和出瞳；点划线表示光轴，光轴垂直于平凸柱面镜的与凸面相对的平面；平凸柱面镜的与凸面相对的平面朝向第一光接收部件101。
图2是根据一示例性实施例示出的在竖直方向上光束经过第一光接收部件和第二光接收部件的光路示意图，其中，y轴方向为竖直方向，z轴方向为光束传播方向，纸面垂直于柱面镜1021的端面。如图2所示，目标对象104上某一点a发出的一束光线经过第一光接收部件101(即等效透镜)时，依次经过入瞳p和出瞳p’。该束光在经过柱面镜的过程中，由于柱面镜的自身结构特点，在垂直于柱面镜端面的方向上，可以将柱面镜等效看作平行平板，光束经过柱面镜的过程，相当于经过平行平板，光束的传播方向发生角度的偏转，但是光束的发散角不变。图2中a’为a经第一光接收部件101和柱面镜1021后所成的像，l’示出的位置表示光探测部件103(图中未示出)所在的位置，光探测部件103的光探测平面朝向柱面镜的凸面且垂直于纸面。此外，为了充分地利用柱面镜，光轴可以经过柱面镜的与凸面相对的平面的中心(即对角线的交点)。
图3是根据一示例性实施例示出的在水平方向上光束经过第一光接收部件和第二光接收部件的光路示意图，其中，x轴方向为水平方向，z轴方向为光束传播方向，纸面平行于柱面镜的端面。如图3所示，目标对象104上某一点a发出的一束光线经过第一光接收部件101(即等效透镜)时，依次经过入瞳p和出瞳p’。该束光线经过柱面镜的过程中，由于柱面镜的自身结构特点，在平行于柱面镜端面的方向上，可以将柱面镜近似看作平凸透镜，光束经过柱面镜后，在平行于柱面镜端面的方向上，由于受到柱面镜1021的压缩作用，光束的扩散程度降低。其中，在x轴与z轴所在的平面内，a点所发出的光，经第一光接收部件101和第二光接收部件102后，相交于a”点，l’示出的位置表示光探测部件103所在的位置。
在一种可能的实现方式中，第一返回光经过第一光接收部件101的入瞳，从第一光接收部件101的出瞳出射后方向发生偏转形成第二返回光，第二返回光射向第二光接收部件102；第二返回光经过第二光接收部件102后发生偏转形成第三返回光，第三返回光射向光探测部件103，第三返回光在光探测部件103所在平面的成像宽度小于或等于所述光探测部件103的宽度。
图4是根据一示例性实施例示出的在水平方向上光束经第一光接收部件和第二光接收部件到达光探测部件的光路示意图。图4中省略光束从目标对象104到达第一光接收部件101的出瞳p’的光路部分，且仅示出经过出瞳p’的中心及边缘的部分光线。如图4所示，第一返回光中经过出瞳p’的边缘(图4中的b点)的一部分光线(如图4中虚线所示)从第一光接收部件101的出瞳p’射出后，方向发生偏转并射向第二光接收部件102(图4中以平凸柱面镜为例示出)，该部分光线经过第二光接收部件102后，方向再次发生偏转并到达光探测部件103所在的平面(图4中的b’点)。第一返回光中经过出瞳p’的中心(图4中的o点)的一部分光线(如图4中实线所示)从第一光接收部件101的出瞳p’射出后，方向发生偏转并射向第二光接收部件102，该部分光线经过第二光接收部件102后，方向再次发生偏转并到达光探测部件103所在的平面(图4中的o’点)。
如图4所示，将由第一光接收部件101和第二光接收部件102构成的光学系统视为理想光学系统，使第一光接收部件101与第二光接收部件102和光探测部件103(l’所在的位置)的位置关系，满足公式
在一个示例中，第三返回光在光探测部件103所在的平面的成像宽度小于光探测部件103的宽度，图4中经出瞳p’出射的第二返回光经第二光接收部件102后，方向偏转形成第三返回光，并在光探测部件103所在的平面的成像宽度为b’b”，若b’b”小于光探测部件103的宽度(此处及以下所述光探测部件103的宽度均是指光探测部件的探测平面的宽度)，则在光探测部件的宽度方向上的第三返回光均能够被光探测部件103探测得到。
在另一个示例中，第三返回光在光探测部件103所在的平面的成像宽度等于光探测部件103的宽度，图4中经出瞳p’出射的第二返回光经第二光接收部件102后，方向偏转形成第三返回光，并在光探测部件103所在的平面的成像宽度为b’b”，若b’b”等于光探测部件103的宽度，则在光探测部件的宽度方向上的第三返回光均能够被光探测部件103探测得到。
通过使第三返回光在光探测部件所在平面的成像宽度小于或等于光探测部件的宽度，在光探测部件的宽度方向上，能够保证光探测部件能够探测到经过第一光接收部件和第二光接收部件后的全部第三返回光，使光探测部件能够探测到较大的视场范围。
在一种可能的实现方式中，光探测部件为线阵式光探测器，光探测器的线阵方向垂直于柱面镜的端面。
在一个示例中，使第三返回光在光探测部件103所在的平面的成像宽度小于或者等于线阵式光探测器的宽度，线阵式光探测器的宽度是指垂直于该光探测器的线阵方向上探测平面的宽度。
采用线阵式探测器作为光探测部件，并使光探测器的线阵方向垂直于柱面镜的端面。一方面，相比于传统的单点式探测系统，能够提高激光雷达系统的探测效率，进而增大激光雷达系统的适用范围。另一方面，相比于采用面阵式光探测器，能够简化后续计算目标对象的距离的复杂度，且成本更加低廉。
在一种可能的实现方式中，激光雷达接收装置还包括：激光发射部件，该激光发射部件包括激光发射器，激光发射器发射激光至目标对象104，以使激光经过目标对象104的反射后形成第一返回光。
激光发射部件可以指用于发射激光的部件。本公开中的激光发射部件可以包括一个或多个激光发射器，激光发射器可以发射激光至目标对象104的不同区域，以便目标对象104可以基于漫反射原理产生反射光，进而使光接收部件对其进行接收。
其中，激光发射器可以包括激光发射模组和激光整形模组。激光发射模组可以是激光二极管、激光二极管阵列(例如线阵式或面阵式等)或固体激光器等。激光整形模组可以包括一个或多个透镜，激光整形模组可以对激光发射模组发射的激光光束进行整形，以使激光光束可以满足实际的需要。例如，使激光光束的发散角满足一定的要求，或者使激光光束变为线状光束等。在一个示例中，激光发射器发射的激光为红外脉冲式激光。
通过采用激光发射部件发射激光至目标对象，可以增加目标对象产生的反射光的光强度，利于光接收部件接收第三返回光，生成反射光信息以确定目标对象的距离。
在一种可能的实现方式中，激光雷达接收装置还包括：驱动部件，所述驱动部件驱动激光发射部件发射激光至目标对象104的不同区域。
驱动部件可以是驱动激光发射部件做出移动或转动，使其发射激光至目标对象104的不同区域的部件。例如，驱动部件可以驱动激光发射部件沿着水平或者竖直方向移动。再例如，驱动部件可以驱动激光发射部件在水平面内或者竖直面内做旋转运动。驱动部件可以是本领域技术人员已知的能够驱动激光发射部件做出移动或转动，使其发射激光至目标对象104的不同区域的部件，例如马达或者涡轮等。
通过设置驱动部件，可以驱动激光发射部件做出移动或转动，以便激光发射部件可以发射激光至光探测部件能够探测到的整个探测视场范围，提高光探测部件的探测效率及精度。
在一个应用示例中，图5是根据一示例性实施例示出的一种激光雷达接收装置的示意图。其中，第一接收部件包括多个透镜、第二接收部件为柱面镜(以平凸柱面镜为例进行说明)，第一光接收部件与第二光接收部件组合后以图5中的m示出。光探测部件103为线阵式光探测器，平凸柱面镜的凸面靠近线阵式光探测器，且线阵式光探测器的线阵方向垂直于平凸柱面镜的端面。如图5所示，基于图中所显示的坐标系，x轴方向为水平方向，y轴方向为竖直方向。将线阵式光探测器竖直方向放置，即探测器的线阵方向平行于y轴方向，该装置的探测视场(探测视场是指装置能够探测到的范围)在水平方向和竖直方向都有一定的张角，探测视场的范围为a，包括a1、a2……an，光探测器103的a1’区域能够探测到a1范围、a2’区域能够探测到a2范围，以此类推，an’区域能够探测到an范围。换句话说，a的范围内，任一点所发出的反射光，都能够被线阵探测器探测到。
该示例中，通过选择恰当参数的第一光接收部件、第二光接收部件和光探测部件，并合理设置三者的相对位置，可以使光探测器能够探测到足够大的视场范围，进而提高了探测效率。而且该装置采用直线型光路设计，大大降低了装调难度。
在另一个应用示例中，除上述应用示例中所包含的各部件外，该装置还可以包括激光发射部件(图5中未示出)，激光发射部件可以发射激光至视场a，通过发射激光至视场a，可以增加返回光的强度，利于光探测部件103对返回光的接收，还可以提高装置的探测精度。
在另一个应用示例中，除图5中示出的各部件外，该装置还可以包括激光发射部件和驱动部件。驱动部件可以驱动激光发射部件，使其发射激光至视场a的不同区域。举例来说，激光发射部件可以发射线状式激光，该线状式激光平行于线阵式光探测器的线阵方向，且线状激光的长度可以大于或等于视场a在y轴方向的长度，驱动部件可以驱动激光发射部件在x轴方向上运动，或者说驱动部件驱动激光发射部件使其对a区域进行扫描式发射激光，使得视场a内的各区域都能被发射激光照射到，从而根据光探测部件103所接收到的第三返回光，实现对a区域(或a区域内的目标)的探测。
在上述应用示例中，通过设置第二光接收部件，利用其在水平方向上对光束的压缩特性，采用一维线阵式光探测器作为光探测部件，就能够实现针对二维视场的探测，提高了探测效率。进一步地，采用驱动部件驱动激光发射部件扫描式发射激光至大范围的探测视场，且无需光探测部件配合激光发射部件做往复运动，保证了系统具有较高的探测精度。
在一种可能的实现方式中，本公开还提供了一种激光雷达系统，该激光雷达系统采用本公开前述的激光雷达接收装置。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
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