激光雷达及激光雷达控制方法与流程

本发明涉及检测领域，特别涉及一种激光雷达及激光雷达控制方法。

背景技术

激光雷达是以发射激光光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是先向目标发射探测激光光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，例如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

激光雷达通常包括发射器、发射端光学单元、接收端光学单元与接收器。根据发射端和接收端光轴的相对位置，激光雷达可以分为离轴和同轴两种。固态激光雷达是激光雷达的一种，现有的固态激光雷达主要采用离轴的方案，但是离轴方案也有较大的缺陷，例如接收视场范围太大，背景噪声大，因此对于接收器的要求较高，成本也比较高。此外，固态激光雷达的接收端通常采用单个振镜来改变出射激光的角度，由于单个振镜的扫描范围有限，因此现有技术中的固态激光雷达的扫描范围也受到了限制。

技术实现要素：

本发明实施例中提供了一种激光雷达，能扩大激光雷达的扫描范围，提高激光雷达的分辨率和精度。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

一方面，提供了一种激光雷达，所述激光雷达包括两个或两个以上的检测单元，所述每个检测单元包括：

发射器，用于发射出射激光；

发射端准直单元，用于准直所述发射器发出的出射激光；

偏振分光单元，用于使所述准直后的出射激光从偏振分光单元的第一光口进入，使所述准直后的出射激光中的p偏振光从偏振分光单元的第二光口射出；

四分之一波片，用于使从所述偏振分光单元的第二光口射出的p偏振光变为圆偏振光；

振镜，用于改变所述圆偏振光的出射方向，成为出射激光；

其中，所述偏振分光单元为偏振分光棱镜，或偏振分光平片。

可选的，所述振镜还用于改变反射激光的方向，所述出射激光被检测物反射后的激光，所述反射激光为圆偏振光；

所述四分之一波片还用于使所述被振镜改变方向后的反射激光由圆偏振光变为s偏振光；

所述偏振分光单元还用于从所述偏振分光单元的第二光口接收所述s偏振光，并从偏振分光单元的第三光口射出；

所述每个检测单元还包括：

接收端聚焦单元，用于聚焦从偏振分光单元的第三光口射出的s偏振光；

接收器，用于接收经所述接收端聚焦单元聚焦后的s偏振光。

可选的，所述发射器发射的出射激光中，p偏振光的比例大于s偏振光的比例。

可选的，所述每个检测单元还包括：

滤光片，设置于所述偏振分光单元与所述接收端聚焦单元之间，用于滤去干扰光。

可选的，所述不同检测单元的主光轴与所述振镜轴线之间的夹角不同。

可选的，所述任一检测单元的检测范围与相邻检测单元的检测范围相接；

所述检测单元的检测范围为所述检测单元的出射激光经振镜改变方向后所覆盖的范围。

可选的，所述任一检测单元的检测范围与相邻检测单元的检测范围部分重合；

所述检测单元的检测范围为所述检测单元的出射激光经振镜改变方向后所覆盖的范围。

第二方面，提供了一种激光雷达控制方法，所述方法应用于激光雷达，所述激光雷达包括两个或两个以上的检测单元，所述每个检测单元包括发射器、发射端准直单元、偏振分光单元、四分之一波片和振镜，所述方法包括：

所述发射器发射出射激光；

所述发射端准直单元准直所述发射器发出的出射激光；

所述偏振分光单元使所述准直后的出射激光从偏振分光单元的第一光口进入，使所述准直后的出射激光中的p偏振光从偏振分光单元的第二光口射出；

所述四分之一波片使从所述偏振分光单元的第二光口射出的p偏振光变为圆偏振光；

所述振镜改变所述圆偏振光的出射方向，成为出射激光；

其中，所述偏振分光单元为偏振分光棱镜，或偏振分光平片。

可选的，所述每个检测单元还包括接收端聚焦单元和接收器，所述方法还包括：

所述振镜改变反射激光的方向，所述出射激光被检测物反射后的激光，所述反射激光为圆偏振光；

所述四分之一波片使所述被振镜改变方向后的反射激光由圆偏振光变为s偏振光；

所述偏振分光单元从所述偏振分光单元的第二光口接收所述s偏振光，并从偏振分光单元的第三光口射出；

所述接收端聚焦单元聚焦从偏振分光单元的第三光口射出的s偏振光；

所述接收器接收经所述接收端聚焦单元聚焦后的s偏振光。

可选的，所述每个检测单元还包括滤光片，所述方法还包括：

滤光片滤去干扰光，所述滤光片设置于所述偏振分光单元与所述接收端聚焦单元之间。

本发明的实施例中公开了一种激光雷达包括两个或两个以上的检测单元，所述每个检测单元包括：发射器，用于发射出射激光；发射端准直单元，用于准直所述发射器发出的出射激光；偏振分光单元，用于使所述准直后的出射激光从偏振分光单元的第一光口进入，使所述准直后的出射激光中的p偏振光从偏振分光单元的第二光口射出；四分之一波片，使从所述偏振分光单元的第二光口射出的p偏振光变为圆偏振光；振镜，用于改变所述圆偏振光的出射方向，成为出射激光。本发明实施例中，采用了多个发射器，可以增加激光雷达的扫描范围，同时，本发明实施例中采用偏振分光单元分光，反射光路和出射光路同轴，背景噪声较小，降低了对接收器的要求，可以提高激光雷达的信噪比，此外，本发明还可以增加透射的激光功率，提高激光雷达的分辨率和精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅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的附图。

图1所示为偏振分光棱镜原理图；

图2所示为偏振分光平片原理图；

图3所示为本发明实施例的激光雷达的结构示意图；

图4所示为本发明实施例的激光雷达的结构示意图；

图5所示为摄远式结构示意图；

图6所示为本发明实施例的激光雷达检测范围的示意图；

图7所示为本发明实施例的激光雷达检测范围的示意图。

具体实施方式

本发明如下实施例提供了一种激光雷达及激光雷达控制方法，能扩大激光雷达的扫描范围，提高激光雷达的分辨率和精度。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

在详细说明本发明实施例的激光雷达之前，先说明偏振分光单元的原理。偏振分光单元包括偏振分光棱镜，也称为pbs，偏振分光单元还包括偏振分光片平面。

图1所示为偏振分光棱镜原理图。

图1所示为偏振分光棱镜原理图，如图1所示，偏振分光棱镜通常为正方体，对角线110为胶层，该胶层可以使入射光中的p光透射出去，使s光反射出去，即使入射光中的p光从第二光口120透射出去，使s光从第三光口130反射出去。

为便于展示，图1中，p光以带双箭头的直线表示，s光以带点的直线表示。

图2所示为偏振分光平片原理图，偏振分光平片的原理与偏振分光棱镜完全相同，但是偏振分光平片是一个比较薄的片状结构，如图2中所示100。

图2中的虚线框仅是为了说明偏振分光平片的光口及原理，实际结构中并不存在。

采用偏振分光平片，比使用偏振分光棱镜的抗干扰能力要好，此外，偏振分光平面也较轻，体积较小，有助于减少激光雷达的重量、体积和成本。

下面结合图1、图2来说明本发明实施例的激光雷达。下文中，以偏振分光棱镜来说明本发明的实施方式，实际上以偏振分光片作为偏振分光单元的激光雷达的原理与此相同，在此不再赘述。

图3所示为本发明实施例的激光雷达的结构示意图，如图3所示，所述激光雷达包括两个或两个以上的检测单元200，图3中示出了3个检测单元。

所述每个检测单元200包括：

发射器210，用于发射出射激光；

发射端准直单元220，用于准直所述发射器发出的出射激光；

偏振分光单元230，用于使所述准直后的出射激光从偏振分光单元的第一光口进入，使所述准直后的出射激光中的p偏振光从偏振分光单元的第二光口射出；

四分之一波片240，使从所述偏振分光单元的第二光口射出的p偏振光变为圆偏振光；

振镜250，用于改变所述圆偏振光的出射方向，成为出射激光。

发明实施例中，发射端准直单元220可以是透镜或多个透镜组成的透镜组。

本发明实施例中，发射器210发射的出射激光为圆偏振光，包含s光和p光。出射激光经发射端准直单元220之后，从偏振分光单元230的第一光口231进入，其中的p光从偏振分光单元230的第二光口232射出，s光被胶层反射，如图3中的虚线部分。虚线部分的s光实际上被反射出激光雷达，损耗掉了。

p光从第二光口232射出后，通过四分之一波片240后变为圆偏振光。

四分之一波片(quarter-waveplate)是一定厚度的双折射单晶薄片，当光法向入射透过时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π/2或其奇数倍，这样的晶片称为四分之一波片或1/4波片。当线偏振光垂直入射1/4波片,并且光的偏振和云母的光轴面(垂直自然裂开面)成θ角，出射后成椭圆偏振光。特别当θ＝45°时，出射光为圆偏振光。四分之一波片的快轴和慢轴，与晶体的类型有关。负晶体的ve>vo，玻片光轴方向平行于玻片平面，负晶体做的四分之一玻片的光轴方向就是快轴方向。正晶体快轴方向垂直于光轴方向位于玻片平面内。

图3中，p光以带双箭头的直线表示，s光以带点的虚线表示。

本发明实施例中，所述发射器发射的出射激光中，p偏振光的比例大于s偏振光的比例，例如90％以上为p偏振光，可以使出射光中尽可能多的光线被透射出去，相当于增加了出射激光的功率，可以提高激光雷达的信噪比，提高激光雷达的分辨率和精度。

本发明实施例中，振镜240可以是mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)振镜，或其他机械式、电子式振镜。

本发明实施例中，采用了多个发射器，可以增加激光雷达的扫描范围，同时，本发明实施例中采用偏振分光单元分光，反射光路和出射光路同轴，背景噪声较小，降低了对接收器的要求，可以提高激光雷达的信噪比，此外，本发明还可以增加透射的激光功率，提高激光雷达的分辨率和精度。

图4所示为本发明实施例的激光雷达的结构示意图，如图4所示，所述激光雷达包括包括两个或两个以上的检测单元200，所述每个检测单元200包括发射器210、发射端准直单元220、偏振分光单元230、四分之一波片240和振镜250。

图4中与图3中标号相同的单元具有相同或相似的功能，在此不再赘述。

本发明实施例中，所述振镜250还用于改变反射激光的方向，所述出射激光被检测物反射后的激光，所述反射激光为圆偏振光；

所述四分之一波片还240用于使所述被振镜改变方向后的反射激光由圆偏振光变为s偏振光；

偏振分光单元230，用于从所述偏振分光单元230的第二光口232接收所述s偏振光，并从偏振分光单元230的第三光口233射出；

接收端聚焦单元260，用于聚焦从偏振分光单元230的第三光口233射出的s偏振光；

接收器270，用于接收经所述接收端聚焦单元260聚焦后的s偏振光。

检测单元的主光轴可以认为是该检测单元对应的发射端准直单元220的主光轴，接收端的主光轴可以认为是接收端聚焦单元260的主光轴。

图4所示的激光雷达中，因为采用了偏振分光单元230，导致如图3所示的发射端准直单元220的主光轴和接收端聚焦单元260的主光轴是垂直的，但是以光学范畴来说，出射激光和入射激光是平行的，偏振分光单元230仅是以折射的方式改变了入射激光的方向，并不改变接收端聚焦单元260的主光轴与发射端准直单元220主光轴的平行状态。

本发明实施例中，接收器270可以是apd、pin、盖格模式下apd、单光子接收器，雪崩光电二极管apd、mppc(multipixelphotoncounters，硅光电倍增管)、sipm等硅光电倍增器，或可以是上述功能器件的单个或者多个阵列组成的接收器。

本发明实施例中，出射激光为圆偏振光，反射激光也为圆偏振光，反射激光经四分之一波片从圆偏振光变为s偏振光，从偏振分光单元230的第二光口232进入，被胶层反射，从偏振分光单元230的第三光口233射出。

偏振分光单元对s光的理论反射率可以是100％，实际应用中，考虑到镀膜工艺等原因，反射率也可以达到99％以上，即可以认为偏振分光单元可以将反射激光全部反射，经过接收端聚焦单元260后，被接收器270接收。

本发明实施例中，所述检测单元还包括滤光片280，所述滤光片280设置于所述偏振分光单元230与所述接收端聚焦单元260之间，用于滤去干扰光。干扰光可以是本发明实施例的发射器使用的波段以外的光，从而减少噪声。

本发明实施例的激光雷达中，由于采用了偏振分光单元，在发射端，有一部分s光损耗，但在接收端，损耗很小，对接收器的灵敏度等要求较小，提高了激光雷达的分辨率和精度。

本发明实施例中，所述接收端聚焦单元为透镜组，该透镜组可以是现有结构的透镜组，也可以是摄远型结构的透镜组。

摄远型结构的透镜组包括一个正透镜组和一个负透镜组，可以在总体焦距比较长的时候有效地减小系统总长。摄远式结构如图5所示。

本发明实施例中，所述不同检测单元的主光轴与所述振镜轴线之间的夹角不同。

本发明实施例中，所述任一检测单元的检测范围与相邻检测单元的检测范围相接；

所述检测单元的检测范围为所述检测单元的出射激光经振镜改变方向后所覆盖的范围。

所述任一检测单元的检测范围与相邻检测单元的检测范围部分重合；

所述检测单元的检测范围为所述检测单元的出射激光经振镜改变方向后所覆盖的范围。

图6所示为本发明实施例的激光雷达检测范围的示意图。

图6所示的实施例中，任一检测单元的检测范围与相邻检测单元的检测范围相接；

所述检测单元的检测范围为所述检测单元的出射激光经振镜改变方向后所覆盖的范围。

图6中示出了3个检测单元的检测范围，分别为501、502和503，如图6所示，501、和502相接，502和503相接。

任一检测范围与相邻检测范围相接，相当于扩大了激光雷达的总体检测范围。

图7所示为本发明实施例的激光雷达检测范围的示意图。

图7所示的实施例中，所述任一检测单元的检测范围与相邻检测单元的检测范围部分重合；

所述检测单元的检测范围为所述检测单元的出射激光经振镜改变方向后所覆盖的范围。

图7中示出了3个检测单元的检测范围，分别为501、502和503，如图6所示，501、和502部分重合，502和503部分重合。

理想状态下，激光雷达的任一检测单元的检测范围与相邻检测单元的检测范围相接，可以尽可能地扩大激光雷达的整体检测范围，但是实际应用中，检测范围和相邻检测范围之间会有部分重叠，以保证一定的冗余量，保证整体检测范围中不会有空白无法被检测到的区域，而重叠的部分检测范围可以在后续数据处理中用算法进行补偿。

图7中，为了表达出检测范围部分重叠的效果，不同检测单元对应的检测范围的最远检测距离不同，实际上，在检测单元中相同功能单元基本参数相同的情况下，不同检测单元对应的检测范围的最远距离是基本相同的。在本发明其他实施例中，为了增加或减小特定区域的分辨率或精度，可能会调整检测单元中各功能单元的参数，使得不同检测单元对应的检测范围的最远距离不同。

本发明实施例的激光雷达能扩大激光雷达的扫描范围，提高激光雷达的分辨率和精度。

和上述激光雷达相对应，本发明实施例提供了一种激光雷达控制方法，所述方法应用于激光雷达，所述激光雷达包括两个或两个以上的检测单元，所述每个检测单元包括发射器、发射端准直单元、偏振分光单元、四分之一波片和振镜，所述方法包括：

所述发射器发射出射激光；

所述发射端准直单元准直所述发射器发出的出射激光；

所述偏振分光单元使所述准直后的出射激光从偏振分光单元的第一光口进入，使所述准直后的出射激光中的p偏振光从偏振分光单元的第二光口射出；

所述四分之一波片使从所述偏振分光单元的第二光口射出的p偏振光变为圆偏振光；

所述振镜改变所述圆偏振光的出射方向，成为出射激光。

可选的，所述每个检测单元还包括接收端聚焦单元和接收器，所述方法还包括：

所述振镜改变反射激光的方向，所述出射激光被检测物反射后的激光，所述反射激光为圆偏振光；

所述四分之一波片使所述被振镜改变方向后的反射激光由圆偏振光变为s偏振光；

所述偏振分光单元从所述偏振分光单元的第二光口接收所述s偏振光，并从偏振分光单元的第三光口射出；

所述接收端聚焦单元聚焦从偏振分光单元的第三光口射出的s偏振光；

所述接收器接收经所述接收端聚焦单元聚焦后的s偏振光。

可选的，所述每个检测单元还包括滤光片，所述方法还包括：

滤光片滤去干扰光，所述滤光片设置于所述偏振分光单元与所述接收端聚焦单元之间。

本发明实施例的激光雷达控制方法能扩大激光雷达的扫描范围，提高激光雷达的分辨率和精度。

本发明的实施例中公开了一种激光雷达及激光雷达控制方法，所述激光雷达包括两个或两个以上的检测单元，所述每个检测单元包括：发射器，用于发射出射激光；发射端准直单元，用于准直所述发射器发出的出射激光；偏振分光单元，用于使所述准直后的出射激光从偏振分光单元的第一光口进入，使所述准直后的出射激光中的p偏振光从偏振分光单元的第二光口射出；四分之一波片，使从所述偏振分光单元的第二光口射出的p偏振光变为圆偏振光；振镜，用于改变所述圆偏振光的出射方向，成为出射激光。本发明实施例中，采用了多个发射器，可以增加激光雷达的扫描范围，同时，本发明实施例中采用偏振分光单元分光，反射光路和出射光路同轴，背景噪声较小，降低了对接收器的要求，可以提高激光雷达的信噪比，此外，本发明还可以增加透射的激光功率，提高激光雷达的分辨率和精度。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，通用硬件包括通用集成电路、通用cpu、通用存储器、通用元器件等，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用cpu、专用存储器、专用元器件等来实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。