一种大视场近程激光雷达及车辆的制作方法

本实用新型涉及激光探测技术领域，具体涉及一种大视场近程激光雷达及车辆。

背景技术：

在自动驾驶技术中，环境感知系统是基础且至关重要的一环，是自动驾驶汽车安全性和智能性的保障，环境感知传感器中激光雷达在可靠度、探测范围、测距精度等方面具有不可比拟的优势。激光雷达通过发射和接收激光束，分析激光遇到目标对象后的折返时间，计算出目标对象与车的相对距离，并利用此过程中收集的目标对象表面大量密集的点的三维坐标、反射率等信息，快速复建出被测目标的三维模型，对环境的重构能力强，目标检测可靠，可实现水平360°探测及厘米级精度。

目前市场车载激光雷达主要用于远距离探测，为避免激光束在远处照射至地面或天空而被浪费，通常设置的垂直视场角较小，在近程探测时存在探测盲区。例如，Velodyne HDL-64E的垂直视场角为26.8°，禾赛科技Pandar 40垂直视场角为23°，在30m范围内探测时存在探测盲区。此外，多线数、多个激光器的设计使得目前车载激光雷达结构复杂，成本高。

因此，有必要提供一种新的技术方案以实现近程障碍物的精确探测。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种大视场近程激光雷达，作为近程障碍物精确探测的解决方案，具体技术方案如下所述：

一种大视场近程激光雷达，包括激光出射模块、激光接收模块和旋转结构；

所述激光出射模块包括：

激光器，用于发射出射激光束；

控制电路，用于控制所述激光器工作；

一维振镜，用于在垂直方向上改变所述出射激光束的光路方向；

所述激光接收模块用于接收反射激光以执行目标检测，所述反射激光由所述一维振镜反射过的所述出射激光束经外部障碍物引起；

所述旋转结构用于带动所述激光出射模块和所述激光接收模块水平旋转。

进一步地，所述激光出射模块还包括反射镜，用于将来自所述激光器的出射激光束反射至所述一维振镜，所述一维振镜与所述激光器相对于所述反射镜同侧设置。

进一步地，所述激光出射模块还包括出射透镜，经所述一维振镜反射过的所述出射激光束经过所述出射透镜后，在垂直方向上与所述出射透镜主光轴的夹角增大；所述一维振镜在所述出射透镜的主光轴上。

进一步地，所述出射透镜为单透镜或放大透镜组，所述放大透镜组包括至少一片正透镜和/或至少一片负透镜。

进一步地，所述激光出射模块还包括准直镜，所述准直镜设置在所述反射镜与所述一维振镜之间，用于准直由所述反射镜反射的所述出射激光束；

或者，所述准直镜设置在所述激光器与所述一维振镜之间，用于准直由所述激光器发射的所述出射激光束。

进一步地，所述激光接收模块包括接收透镜、探测器、接收板和信号处理模块；

所述接收透镜，与所述出射透镜相邻设置，用于汇聚所述反射激光至所述探测器，所述探测器与所述信号处理模块电连接；

所述探测器设置在所述接收板上，所述接收板沿主光轴设置所述接收透镜的后方。

进一步地，所述激光接收模块还包括滤光片，沿主光轴设置在所述接收透镜的前端，用于滤除环境光以保留所述反射激光。

进一步地，所述探测器包括雪崩光电二极管阵列和/或硅光电倍增器阵列。

进一步地，所述雪崩光电二极管阵列为在所述接收板上沿垂直方向分布的一维线阵，所述硅光电倍增器阵列为在所述接收板上沿垂直方向分布的一维线阵。

进一步地，所述接收透镜为单透镜或透镜组，所述透镜组包括至少一片正透镜和/或至少一片负透镜。

进一步地，所述旋转结构包括转子和电机；

所述转子内固接有所述激光出射模块和所述激光接收模块；所述电机能够带动所述转子绕中心转轴360°水平旋转。

进一步地，所述一维振镜包括一维MEMS振镜。

进一步地，所述激光器的数量为一个。

本实用新型的另一个目的在于提出一种车辆，具体技术方案如下所述：

一种车辆，具有上述的大视场近程激光雷达，所述大视场近程激光雷达设置在车辆前部。

实施本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型公开的激光雷达仅使用一个激光器，结构简单、生产装调方便，极大地降低了生产成本；

2、本实用新型公开的激光雷达可在水平方向上360°旋转，水平方向上探测范围大。

3、本实用新型公开的激光雷达使用一维振镜放大垂直视场角，放大后的垂直视场角不小于23°，有利于解决近程存在探测盲区的问题。

4、本实用新型公开的激光雷达使用出射透镜进一步放大垂直视场角，放大后的垂直视场角不小于75°，进一步增大了扫描范围，缩小了近程探测盲区。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，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它附图。

图1是本实用新型实施例提供的大视场近程激光雷达的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的激光出射模块的结构示意图；

图3a是本实用新型实施例提供的激光出射模块处在位置1时的光路图；

图3b是本实用新型实施例提供的激光出射模块处在位置2时的光路图；

图3c是本实用新型实施例提供的激光出射模块处在位置3时的光路图；

图4a是本实用新型实施例提供的中心视场的出射光路示意图；

图4b是本实用新型实施例提供的边缘视场的出射光路示意图；

图5是本实用新型实施例提供的激光接收模块的结构示意图；

图6a是本实用新型实施例提供的中心视场的接收光路示意图；

图6b是本实用新型实施例提供的边缘视场的接收光路示意图；

图7是本实用新型实施例提供的一种激光接收模块的数据处理示意图；

图8是本实用新型实施例提供的另一种激光接收模块的数据处理示意图；

图9是本实用新型实施例提供的激光雷达安装位置示意图。

其中，11-激光器，12-一维振镜，13-反射镜，14-出射透镜，15-准直镜；21-接收透镜，22-探测器，23-接收板，24-信号处理模块，25-滤光片；31-转子。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

实施例1

图1是本实用新型实施例提供的大视场近程激光雷达的结构示意图，请参照图1，本实施例公开的大视场近程激光雷达包括激光出射模块、激光接收模块和旋转结构，旋转结构用于带动激光出射模块和激光接收模块水平旋转。

图2是本实用新型实施例提供的激光出射模块的结构示意图，请参照图2，在一种可选的实施方式中，激光出射模块包括：

激光器11，用于发射出射激光束；

控制电路，用于控制激光器11工作；

一维振镜12，用于在垂直方向上改变所述出射激光束的光路方向；

具体地，所述激光出射模块还包括反射镜13，用于将来自所述激光器11的出射激光束反射至所述一维振镜12，所述一维振镜12与所述激光器11相对于所述反射镜13同侧设置。

在一个优选地实施方式中，大视场近程激光雷达仅具有一个激光器11，结构简单、生产装调方便，极大地降低了生产成本。

在一种可选的实施方式中，请继续参照图2，激光出射模块还包括出射透镜14，经一维振镜12反射过的出射激光束经过出射透镜14后，在垂直方向上与出射透镜14主光轴的夹角增大；一维振镜12在出射透镜14的主光轴上。

具体地，经一维振镜12反射后所述出射激光束与所述出射透镜14的主光轴的夹角为不小于23°的角度值，从所述出射透镜14穿出后的出射激光束与出射透镜14的主光轴的夹角为不小于75°的角度值。

在一种可选的实施方式中，出射透镜14为单透镜；该单透镜为放大透镜。

在一种可选的实施方式中，出射透镜14为放大透镜组，放大透镜组包括至少一片正透镜和/或至少一片负透镜，一维振镜12位于透镜组的主光轴上。例如，透镜组由一个正透镜和一个负透镜组成，正透镜和负透镜依次远离一维振镜12，正透镜与负透镜之间相隔一定距离。

正透镜，即凸透镜，是中间厚、周边薄的一种透镜，具有会聚光的能力，又称“汇聚透镜”。凸透镜分为双凸、平凸和凹凸(或正弯月形)等形式，具体地：a.双凸镜--两面都磨制成凸球面的透镜；b平凸透镜--为一面凸、一面平的透镜；c.凹凸透镜--为一面凸、一面凹且凸度大于凹度的透镜。

负透镜，即凹透镜，是中间薄，边缘厚，呈凹形的一种透镜，对光有发散作用，又称“发散透镜”。负透镜包括双凹透镜、平凹透镜、凸凹透镜等形式，具体地：a.双凹透镜--是两面的透镜；b.平凹透镜--是一面凹、一面平的透镜；c.凸凹透镜--为一面凸、一面凹且凹度大于凸度的透镜。

在一种可选的实施方式中，请继续参照图2，激光出射模块还包括准直镜15，设置在反射镜13与一维振镜12之间，用于准直反射镜13反射的出射激光束。激光器11发射的出射激光束被反射镜13反射后，经准直镜15准直后入射至一维振镜12。可选地，准直镜15包括菲涅尔透镜和棱镜种的一种或多种。

在一种可选的实施方式中，准直镜15设置在激光器11与一维振镜12之间(未图示)，用于准直由激光器11发射的出射激光束。

请继续参照图2，激光出射模块发射的出射激光束的行进路径如下：

a激光器11发射的出射激光束被反射镜13反射；

b被反射镜13反射的出射激光束经准直镜15准直后入射至一维振镜12；

c一维振镜在垂直方向上以一定角度范围进行线扫描并反射来自反射镜13的出射激光束，即出射激光束入射至振镜的镜面被反射且随振镜的摆动实时偏折，使得入射光束经振镜后在垂直方向来回扫描；

图3a是本实用新型实施例提供的激光出射模块处在位置1时的光路图，图3b是本实用新型实施例提供的激光出射模块处在位置2时的光路图，图3c是本实用新型实施例提供的激光出射模块处在位置3时的光路图。请参考图3a、图3b和图3c理解一维振镜12在垂直方向的摆动过程，例如，t1时刻一维振镜12在垂直方向上摆动至位置1；t2时刻一维振镜12在垂直方向上摆动至位置2；t3时刻一维振镜12在垂直方向上摆动至位置3；t4时刻一维振镜12在垂直方向上摆动至位置2；t5时刻一维振镜12在垂直方向上摆动至位置1；t6时刻一维振镜12在垂直方向上摆动至位置2；t7时刻一维振镜12在垂直方向上摆动至位置3；t8时刻一维振镜12在垂直方向上摆动至位置2……。也就是说，从t1时刻到t8时刻，一维振镜12的位置变化为：位置1-位置2-位置3-位置2-位置1-位置2-位置3-位置2……

d被一维振镜12反射的光经出射透镜14后至外界探测物，出射透镜14对一维振镜12的扫描角进行放大。即按照光线是否与出射透镜14主光轴重合可以划分为两种情况：

图4a是本实用新型实施例提供的中心视场的出射光路示意图，请参照图4a，在光线与出射透镜14的主光轴重合的情况下，光线从出射透镜14传出后，仍然与出射透镜14的主光轴重合。

图4b是本实用新型实施例提供的边缘视场的出射光路示意图，请参照图4b，在光线与出射透镜14的主光轴不重合的情况下，光线从出射透镜14穿出后，光线与出射透镜14主光轴的夹角增大。

图5是本实用新型实施例提供的激光接收模块的结构示意图，请参照图5，激光接收模块用于接收反射激光以执行目标检测。

在一种可选的实施方式中，激光接收模块包括接收透镜21、探测器22、接收板23和信号处理模块24；接收透镜21，与出射透镜14相邻设置，用于汇聚反射激光至探测器22，探测器22与信号处理模块24电连接；

探测器22设置在接收板23上，接收板23沿主光轴设置接收透镜21的后方。由外界探测物反射的激光经接收透镜21后入射至接收板23上的探测器22。

在一种可选的实施方式中，接收透镜21为单透镜；

在一种可选的实施方式中，接收透镜21为透镜组，透镜组包括至少一片正透镜和/或至少一片负透镜。图6a是本实用新型实施例提供的中心视场的接收光路示意图，图6b是本实用新型实施例提供的边缘视场的接收光路示意图，请参照图6a和图6b，透镜组应具有汇聚作用，能够将接收到的反射激光束汇聚到接收板23上。例如，透镜组可以是由两片正透镜和一片负透镜组成的透镜组，透镜组内各透镜共轴设置，摆放次序依次是正透镜、负透镜、正透镜。

在一种可选的实施方式中，激光接收模块还包括滤光片25，滤光片25沿主光轴设置在接收透镜21的前端，用于滤除环境光以保留反射激光，从而减少环境光的干扰。

在一种可选的实施方式中，探测器22包括APD(Avalanche Photodiodes，雪崩光电二极管)阵列，雪崩光电二极管阵列为在接收板23上沿垂直方向分布的一维线阵。图7是本实用新型实施例提供的一种激光接收模块的数据处理示意图，请参照图7，探测器22为APD阵列，信号处理模块24包括AFE(Active Front End，模拟前端)电路、TDC(Time to Digital Converter，时间数字转换器)和信号处理单元，APD阵列输出的信号经AFE电路进行放大、滤波等预处理后在经TDC转换，然后由信号处理单元进行处理。

在一种可选的实施方式中，探测器22包括SiPM(Silicon photomultipliers，硅光电倍增器)阵列，SiPM阵列为在接收板23上沿垂直方向分布的一维线阵。图8是本实用新型实施例提供的另一种激光接收模块的数据处理示意图，请参照图8，探测器22为SiPM阵列，硅光电倍增器阵列是由多个工作在盖格模式的APD像素(GM-APD)组成的光子计数产品，其具有高增益和光子探测效率，SiPM阵列输出信号不需要模拟前端电路。信号处理模块24包括TDC和信号处理单元。

在一种可选的实施方式中，旋转结构包括转子31和电机(未示出)，转子31内固接有激光出射模块和激光接收模块；电机能够带动转子31绕中心转轴(未示出)360°水平旋转。

在一种可选的实施方式中，一维振镜12包括一维MEMS振镜。需要指出的是，一维振镜12还可以采用其他振镜，本实施例不以此为限。

实施本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型公开的激光雷达仅使用一个激光器，结构简单、生产装调方便，极大地降低了生产成本；

2、本实用新型公开的激光雷达可在水平方向上360°旋转，水平方向上探测范围大。

3、本实用新型公开的激光雷达使用一维振镜和出射透镜放大垂直视场角，放大后的垂直视场角不小于75°，实现了垂直方向的大视场扫描，有利于解决近程存在探测盲区的问题。

实施例2

为解决现有技术中车载激光雷达在进程探测存在探测盲区的问题，本实施例公开的车辆采用实施例1记载的大视场近程激光雷达，该激光雷达可实现水平方向上360°旋转以及垂直方向的大视场扫描，与现有技术相比，本实施例采用的大视场近程激光雷达具有更大的垂直视场角，能够缩减车载激光雷达探测盲区。

图9是本实用新型实施例提供的激光雷达安装位置示意图，请参照图9，现有技术提供的车载激光雷达通常安装在车辆的顶部，然而，自动驾驶技术中环境感知系统需要感知的障碍物，例如车辆、行人、交通设施等，的有效感知区域通常距离地面有一定高度，而将激光雷达安装在车辆顶部，则可能有部分激光束不能照射到有效检测区域而造成浪费。为解决这一问题，本实施例中将激光雷达设置在车辆前部。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。