激光雷达和激光探测设备的制作方法

本发明涉及激光探测领域，特别涉及一种激光雷达和激光探测设备。

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。

机载激光雷达技术是以飞行器作为载体，通过激光雷达对地面进行扫描，以获取地面的三维及反射强度信息。机载激光雷达技术无法完全取代传统的航空摄影作业方式，但由于激光雷达能够为道路和建筑施工提供准确的高程数据，因此机载激光雷达技术已经成为世界各国进行大面积数值地表数据绘制的重要发展方向。

但是目前应用于飞行器的准固态激光雷达往往存在激光雷达能量浪费的问题。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种激光雷达和激光探测设备，以减少激光雷达能量浪费、提高其能量利用率。

为解决上述问题，本发明提供一种激光雷达，包括：

发射装置，所述发射装置适宜于产生激光束，所述发射装置绕转轴转动；出射装置，所述发射装置所产生的激光束从所述出射装置出射以进行探测，所述出射装置的主光轴与所述转轴之间的夹角小于或等于45°；接收装置，所述发射装置所产生的激光束经外界反射形成的反射光从所述接收装置入射；探测装置，所述探测装置适宜于对从所述接收装置入射的反射光进行光电转换。

可选的，所述出射装置的主光轴与所述转轴平行。

可选的，所述出射装置包括沿光路依次设置的至少一个出射透镜；所述出射装置的主光轴至少贯穿沿光路的最后一个出射透镜各个表面的曲率中心。

可选的，所述发射装置包括至少一个激光器。

可选的，所述发射装置包括多个激光器；在垂直于所述出射装置的主光轴的平面内，所述多个激光器呈阵列排布。

可选的，所述接收装置的主光轴与所述转轴的夹角小于或等于45°。

可选的，所述出射装置的主光轴与所述转轴平行；所述接收装置的主光轴与所述转轴平行。

可选的，所述接收装置包括沿光路依次设置的至少一个入射透镜；所述接收装置的主光轴至少贯穿沿光路的第一个入射透镜各个表面的曲率中心。

可选的，所述探测装置包括至少一个探测器。

可选的，所述发射装置包括至少一个激光器；所述至少一个探测器与所述至少一个激光器一一对应。

可选的，所述探测装置包括多个探测器；在垂直于所述接收装置的主光轴的平面内，所述多个探测器呈阵列排布。

可选的，所述激光雷达具有用于固定连接的安装板，所述转轴垂直于所述安装板。

可选的，还包括：保护罩，所述保护罩包围所述发射装置、所述出射装置、所述接收装置和所述探测装置。

可选的，所述保护罩的形状为半球形。

相应的，本发明还提供一种激光探测设备，包括：

激光雷达，所述激光雷达为本发明的激光雷达；飞行装置，所述激光雷达装载于所述飞行装置上。

可选的，在进行探测时，所述出射装置的主光轴与重力方向的夹角小于或等于45°。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明技术方案中，所述出射装置的主光轴与所述转轴的夹角小于或等于45°。因此所述激光雷达应用于飞行装置上时，所述发射装置所产生的激光束绕转轴360°旋转，在垂直所述转轴的平面内呈弧线扫描，从而能够使最大部分的激光束投射至地面，能够有效减少激光雷达能量浪费，提高激光雷达光能利用率。

本发明可选方案中，所述出射装置的主光轴与所述转轴平行。因此所述激光雷达应用于飞行装置上时，所述发射装置所产生的激光束垂直投射至地面，从而能够使尽可能多的激光能量用于探测，能够有效减少激光雷达能量浪费，提高激光雷达光能利用率，而且使主光轴与所述转轴平行，能够有效降低光路设计难度，有利于降低装配难度、提高光路精度。

本发明可选方案中，所述发射装置包括多个激光器，所述探测装置包括多个探测器；所述多个激光器和所述多个探测器均绕转轴360°旋转。与传统机载激光雷达相比，绕转轴转动的所述多个激光器和所述多个探测器能够等效于同时用多个激光测距模块实现测距，因此能够省去体积大且价格昂贵的高速扫描机构，有利于集成度的提高和制造成本的降低；而且，所述多个激光器和所述多个探测器的配置，也能够在保证激光雷达高测量频率的前提下，降低对单个激光器高重频的要求，并且突破单探测器对激光脉冲时间间隔的限制。

本发明可选方案中，所述至少一个探测器与所述至少一个激光器一一对应，从而能够有效避免高速扫描机构引起的光斑偏离感光面，有利于提高探测精度。

附图说明

图1是摆镜扫描方式的结构示意图；

图2是旋转棱镜扫描方式的结构示意图；

图3是旋转正多面体扫描方式的结构示意图；

图4是现有一种将现有准固态激光雷达应用于飞行器的示意图；

图5是现有准固态激光雷达的光路示意图；

图6是所述激光雷达实施例的三维结构示意图；

图7是图6所示激光雷达实施例的剖面结构示意图；

图8是本发明激光探测设备一实施例的结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中的机载激光雷达存在能量浪费的问题。

大多数商用机载激光雷达中使用一个激光光源、一个光电探测器和一组扫描系统。目前机载激光雷达的限制因素主要包括如下几点。

首先，扫描系统的工作方式和运动速度是限制系统数据采集能力的重要因素。

参考图1至图3，示出了现有机载激光雷达典型的几种扫描结构示意图，其中，图1是摆镜扫描方式的结构示意图；图2是旋转棱镜扫描方式的结构示意图；图3是旋转正多面体扫描方式的结构示意图。

为了实现高的数据采集率，机械扫描系统的扫描速度必须极高，有的扫描系统是一维运动，有的还要做二维运动，这就导致了机载激光雷达设备昂贵，体积也很难做小。此外高速扫描还会导致不同距离目标的回波到达探测器上的光斑位置变化，影响光学系统的接收效率。

其次，激光器的发射重复频率是限制系统数据采集能力的另一个重要因素，激光器的发射重频越高，数据采集能力越强，但是光源价格越高。

再次，限制系统数据采集能力的第三个重要因素是探测器，由于只有一个探测器，必须保证两次回波脉冲具有一定的时间间隔，因此地面起伏越大，允许发射的脉冲时间间隔就越长。

目前，有一种机载激光雷达是通过将现有准固态激光雷达应用于飞行器，参考图4，示出了现有一种将现有准固态激光雷达应用于飞行器的示意图。结合参考图5，示出了现有准固态激光雷达的光路示意图。

准固态多线机械旋转式激光雷达的主要应用场合是置于汽车车顶进行360°旋转，扫描周围环境。因此如图5所示，所述准固态激光雷达的激光器11和探测器14均绕中心转轴10转动；而出射透镜12的主光轴12a和接收透镜13的主光轴13a与所述中心转轴10相垂直。

因此如图4所示，可以看到，当这种激光雷达应用于飞行器上时，多个扫描光束绕转轴360°旋转，只有较小部分角度投射至地面，造成激光雷达能量极大浪费。

为解决所述技术问题，本发明提供一种激光雷达，包括：发射装置，所述发射装置适宜于产生激光束，所述发射装置绕转轴转动；出射装置，所述发射装置所产生的激光束从所述出射装置出射以进行探测，所述出射装置的主光轴与所述转轴之间的夹角小于或等于45°。由于所述出射装置的主光轴与所述转轴的夹角小于或等于45°，因此所述激光雷达应用于飞行装置上时，所述发射装置所产生的激光束绕转轴360°旋转，在垂直所述转轴的平面内呈弧线扫描，从而能够使最大部分的激光束投射至地面，能够有效减少激光雷达能量浪费，提高激光雷达光能利用率。

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。

参考图6和图7，示出了本发明激光雷达一实施例的结构示意图。其中，图6是所述激光雷达实施例的三维结构示意图；图7是图6所示激光雷达实施例的剖面结构示意图。

所述激光雷达包括：发射装置110，所述发射装置110适宜于产生激光束，所述发射装置110绕转轴101转动；出射装置120，所述发射装置110所产生的激光束从所述出射装置120出射以进行探测，所述出射装置120的主光轴102与所述转轴101之间的夹角小于或等于45°。

由于所述出射装置120的主光轴102与所述转轴101的夹角小于或等于45°，因此所述激光雷达应用于飞行装置上时，所述发射装置110所产生的激光束绕转轴360°旋转，在垂直所述转轴101的平面内呈弧线扫描，从而能够使最大部分的激光束投射至地面，能够有效减少激光雷达能量浪费，提高激光雷达光能利用率。

所述发射装置110作为所述激光雷达的光源，产生用于进行探测的激光束。

具体的，所述发射装置110包括至少一个激光器以产生激光束。本实施例中，所述发射装置110包括多个激光器111，且在垂直于出射装置的主光轴的平面内，所述多个激光器111呈阵列排布。在本发明中，呈阵列排布可以是指呈二维阵列排布，也可以指沿转轴101的径向呈线阵排布(仅排成一列)。所述多个激光器111的配置，也能够在保证激光雷达高测量频率的前提下，降低对单个激光器111高重频的要求。

本实施例中，所述多个激光器111呈阵列排布，且所述多个激光器111共面设置。而且，本实施例中，在所述出射装置120的焦平面内，所述多个激光器111均匀分布；本发明其他实施例中，也可以通过调整所述多个激光器111的间隔、位置等，从而形成满足实际角分辨率需求的阵列排布。本发明其他实施例中，呈阵列排布的所述多个激光器也可以非共面设置，但在垂直于出射装置的主光轴的平面内，所述多个激光器的投影呈阵列排布，也就是说，在沿激光束的方向上，所述多个激光器相互错开，从而达到降低装配难度的目的。

本实施例中，所述多个激光器111可以为半导体激光器，例如边发射半导体激光器或垂直腔面发射半导体激光器。

所述发射装置110能够绕所述转轴101旋转。具体的，包括所述多个激光器111的发射装置110能够整体绕所述转轴101呈360°旋转，因此，绕转轴101转动的所述多个激光器111能够在省去扫描机构的同时，实现多个激光测距模块扫描测距的功能。所以与传统机载激光雷达相比，绕所述转轴101旋转的、包括多个激光器111的发射装置110能够等效于同时用多个激光测距模块实现测距，从而能够省去体积大且价格昂贵的高速扫描机构，有利于集成度的提高和制造成本的降低。

具体的，所述激光雷达包括转子(图中未示出)，所述转子具有能够360°旋转的转轴，所述转轴固定于定子、底板或安装板等不转动的部件上。所述转子通过轴承在电机的驱动下绕转轴旋转。所述多个激光器111设置于一个或多个承载体上(图中未示出)；所述多个承载体固定装配于所述转子中。

需要说明的是，本实施例中，所述激光激光雷达具有用于固定连接的安装板(图中未示出)，所述转轴101垂直于所述安装板。在所述激光雷达作为机载激光雷达，装配于飞行装置上时，所述安装板贴合于所述飞行装置的表面以实现固定连接。所述转轴101垂直于所述安装板，因此所述转轴101的延伸方向指向需要探测的表面。而且机载激光雷达一般安装于飞行装置的底部表面，因此所述转轴101的延伸方向指向地面。

所述出射装置120用于调整所述发射装置110所产生的激光束的光路。本实施例中，所述出射装置120用于对所述发射装置110所产生的激光束进行准直。

光学系统的主光轴适宜于定义所述光学系统如何传导光线，光线若和所述主光轴重合，在光学系统中所述光线将沿所述主光轴传播。因此所述出射装置120主光轴102的方向与经所述出射装置120调整后、自所述出射装置120出射的激光束方向一致。

具体的，所述出射装置120包括沿光路依次设置的至少一个出射透镜121；所述出射装置120的主光轴102至少贯穿沿光路的最后一个出射透镜121各个表面的曲率中心。所述出射装置120的主光轴102与所述转轴101之间的夹角小于或等于45°，从而能够使经所述出射装置120调整后、自所述出射装置120出射的激光束的传播方向尽量与所述转轴101的方向一致或者呈小于45°的锐角，也就是说，使用于探测的激光束尽量沿所述转轴101延伸方向传播或者与所述转轴101延伸方向呈小于45°的锐角。

需要说明的是，本实施例中，所述发射装置110中的多个激光器111在垂直于出射装置的主光轴的平面内呈阵列排布；为了提高所述出射装置120的光路调整效果，所述发射装置110中的多个激光器111设置于所述出射装置120的焦平面上。

在所述激光雷达作为机载激光雷达，应用于飞行装置上时，所述转轴101延伸方向朝向需要探测的表面，在垂直所述转轴101的平面内，用于探测的激光束呈弧线扫描，使最大部分的激光束投射至需要探测的表面，能够有效减少激光雷达能量浪费，提高激光雷达光能利用率。

如图7所示，本实施例中，所述出射装置120的主光轴102与所述转轴101平行。所述激光雷达应用于飞行装置上、所述转轴101延伸方向垂直于地面时，所述发射装置110所产生的激光束垂直投射至地面，从而能够使尽可能多的激光能量用于探测，能够有效减少激光雷达能量浪费，提高激光雷达光能利用率，而且使主光轴102与所述转轴101平行，能够有效降低光路设计难度，有利于降低装配难度、提高光路精度。

本实施例中，所述多个激光器111设置于位于转子中的承载体上；所述出射装置120也固定于所述转子中；所述出射装置120和所述发射装置110能够随着所述转子的转动实现同步转动。

继续参考图6和图7，所述激光雷达还包括：接收装置130，所述发射装置110所产生的激光束经外界反射形成的反射光从所述接收装置130入射；探测装置140，所述探测装置140适宜于对从所述接收装置130入射的反射光进行光电转换。

所述接收装置130接收反射光并调整所采集反射光的光路。本实施例中，所述接收装置130能够对所接收的反射光进行会聚。

与所述出射装置120类似，所述接收装置130的主光轴103的方向与经所述接收装置130接收和调整的激光束方向一致。具体的，所述接收装置130包括沿光路依次设置的至少一个入射透镜131；所述接收装置的主光轴至少贯穿沿光路的第一个入射透镜各个表面的曲率中心。

由于所述出射装置120的主光轴102与所述转轴101之间的夹角小于或等于45°，所述接收装置130的主光轴103与所述转轴101的夹角设置为小于或等于45°，确保经所述出射装置120出射并经外界反射形成的反射光能够尽可能多地被所述接收装置130接收，提高接收效率。

本实施例中，所述出射装置120的主光轴102与所述转轴101平行；所述接收装置130的主光轴103与所述转轴101平行，也就是说，本实施例中，所述转轴101、所述出射装置120的主光轴102以及所述入射装置130的主光轴103均平行。

在所述激光雷达作为机载激光雷达，应用于飞行装置上时，所述转轴101延伸方向朝向需要探测的表面，在垂直所述转轴101的平面内，从所述出射装置120出射的、用于探测的激光束呈弧线扫描，能够使最大部分的激光束投射至需要探测的表面，被探测表面反射形成的反射光，能够尽可能多的投射至所述接收装置130上，被所述接收装置130接收，从而能够有效减少激光雷达能量浪费，提高激光雷达光能利用率。

经所述接收装置130接收的反射光投射至所述探测装置140上，所述探测装置140对所述反射光进行光电转换以实现探测。

具体的，所述探测装置140包括至少一个探测器141。本实施例中，所述发射装置110包括至少一个激光器111；所述至少一个探测器141与所述至少一个激光器111一一对应。使所述至少一个探测器141与所述至少一个激光器111一一对应，能够有效避免高速扫描机构引起的光斑偏离感光面，有利于改善探测器的接收效果，有利于提高探测精度。

如图6和图7所示，本实施例中，所述发射装置110包括多个呈阵列排布的激光器111；因此所述探测装置140中，所述多个探测器141也呈阵列排布，即在垂直所述接收装置130的主光轴的平面内，所述多个探测器141呈阵列排布。在其它的实施例中，多个探测器也可以沿转轴101的径向呈线阵排布。

本实施例中，所述多个探测器141呈阵列排布，且所述多个探测器141共面设置。本发明其他实施例中，呈阵列排布的所述多个探测器也可以非共面设置，但是在垂直于所述接收装置的主光轴的平面内，所述多个探测器的投影呈阵列排布，也就是说，在沿所述反射光的方向上，所述多个探测器相互错开，从而达到降低装配难度的目的。

需要说明的是，本实施例中，所述多个探测器141共面设置，因此为了提高所述接收装置130调整光路的效果，所述探测装置140中的多个探测器141设置于所述接收装置130的焦平面上。

还需要说明的是，本实施例中，所述发射装置110和所述出射装置120均固定于转子中；所述接收装置130和所述探测装置140也固定于所述转子中，因此，所述发射装置110、所述出射装置120、所述接收装置130和所述探测装置140能够随着所述转子的转动实现同步转动。

此外，本实施例中，所述激光雷达还包括：保护罩150，所述保护罩150包围所述发射装置110和所述出射装置120。具体的，所述保护罩150用以起到保护作用，防止所述激光雷达的硬件设备受到不必要的冲击。因此本实施例中，所述发射装置110、所述出射装置120、所述接收装置130和所述探测装置140均设置于所述保护罩150内部。

所述保护罩150的形状为半球形。半球形的保护罩150，既不会对转轴360°的旋转造成阻碍，而且还能够尽量降低透射所述保护罩150过程中光线受到的影响，减少光线受到折射、散射的影响。

相应的，本发明还提供一种激光探测设备，包括：激光雷达，所述激光雷达为本发明的激光雷达；飞行装置，所述激光雷达装载于所述飞行装置上。

参考图8，示出了本发明激光探测设备一实施例的结构示意图。

所述激光探测设备包括：激光雷达210，所述激光雷达210为本发明的激光雷达。具体技术方案参考前述激光雷达的实施例，本发明在此不再赘述。

所述激光探测设备还包括：飞行装置220，所述激光雷达210装载于所述飞行装置220上。

本实施例中，所述飞行装置220为飞机。本发明其他实施例中，所述飞行装置还以为无人飞行器等其他能够承载所述激光雷达210且实现飞行功能的装置。

包括飞行装置的激光探测设备一般是用于对地面进行扫描以获取地面的三维地貌和反射强度信息。所以所述激光雷达210装载于所述飞行装置220朝向地面的一侧表面。如图8所示，所述激光雷达210装配于所述飞行装置220的底部表面。因此当所述飞行装置220飞行时，所述发射装置所产生的激光束绕转轴360°旋转，在垂直所述转轴的平面内呈弧线扫描，从而能够使最大部分的光线投射至地面，能够有效减少激光雷达能量浪费，提高激光雷达光能利用率。本实施例中，在进行探测时，所述出射装置的主光轴与重力方向的夹角小于或等于45°。

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。