一种适用于自动驾驶的激光雷达点云成像装置的制作方法

【技术领域】

本实用新型涉及激光雷达点云成像技术领域，具体涉及一种适用于自动驾驶的激光雷达点云成像装置。

背景技术：

自动驾驶的关键技术难点就是快速感知并重建周围环境，即使汽车在高速行驶时，也能无时延地获取周围目标的所有成像信息。激光雷达作为一种主动探测并成像的新型技术，可快速地获取汽车周围的三维点云数据，并迅速构建出周围环境的三维成像和距离信息，是自动驾驶领域的核心传感器之一。

目前，自动驾驶领域普遍采用的激光雷达基于阵列半导体激光器和阵列雪崩光电二极管(avalanchephotoelectricitydiode，简写为apd)，每个半导体激光器光源经过准直发射后，再由扫描机构控制在空间扫描，每个光源探测空间的一个平面。如果要探测空间立体信息，则需要多个光源同时扫描，相当于对空间进行多个断面扫描，然后再进行数据拼接，形成空间三维点云数据。需要探测的空间信息越多，也就需要并联更多的半导体光源，目前业界已经实现128线激光光源同时探测；而更多的激光光源线数，意味着更精细的空间分辨率，空间重建也更接近实际环境。但上述传统方案也存在一系列的问题，例如：需要尺寸较大的空间旋转扫描机构，即扫描装置是运动部件，存在不稳定性，尤其是在恶劣环境时，汽车运行状态不平稳，此扫描机构存在状态变化的风险；另外，当多辆位置相近的汽车在一起行驶时，相互之间的激光雷达探测光信号会发生串扰，即相邻的汽车之间会互相影响，不能做到抗干扰，可靠性不足；而且现有工艺技术复杂，调试生产流程过长，成本过高，等等。上述不足限制了该技术方案的激光雷达的大批量推广应用，仅能在某些特定场合和领域实现有限的应用。

鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型需要解决的技术问题是：

传统的自动驾驶激光雷达技术方案存在一系列问题，例如需要尺寸较大的空间旋转扫描机构，即扫描装置是运动部件，存在不稳定性，尤其是在恶劣环境时，汽车运行状态不平稳，此扫描机构存在状态变化的风险，导致可靠性不足，限制了激光雷达在自动驾驶领域的应用。

本实用新型通过如下技术方案达到上述目的：

本实用新型提供了一种适用于自动驾驶的激光雷达点云成像装置，每辆汽车上设有多个探测点，则对于每辆汽车，所述点云成像装置包括一个激光器和多个光信号探测装置，所述多个光信号探测装置与所述多个探测点一一对应设置；

所述激光器用于产生探测光信号，并将探测光信号传输至每个探测点；

所述光信号探测装置包括光发射组件、光束扫描元件06和光接收组件，所述光束扫描元件06采用固态空间扫描装置或阵列微机电系统扫描装置；

其中，所述光发射组件用于接收所述激光器发出的探测光信号，并将所述探测光信号传输至所述光束扫描元件06；所述光束扫描元件06用于控制所述探测光信号进行空间扫描，并将收回的目标反射光信号传输至所述光接收组件；所述光接收组件用于接收目标反射光信号，并对目标反射光信号进行处理。

优选的，所述光束扫描元件06采用固态空间扫描装置时，所述固态空间扫描装置具体为阵列光电晶体相位调制器、阵列硅基调制器或阵列液晶调制器。

优选的，所述光束扫描元件06采用阵列微机电系统扫描装置时，所述阵列微机电系统扫描装置中的各微镜统一在二维平面内旋转，实现光信号的发射和接收。

优选的，所述光发射组件包括顺次连接设置的单模光纤03、光纤发射组件04、发射光学透镜05和光路折叠反射镜07，所述光束扫描元件06设置在所述光路折叠反射镜07的第一侧；

其中，所述激光器发出的探测光信号先传输至所述单模光纤03，再由所述光纤发射组件04发送给所述发射光学透镜05进行光路准直，之后所述光路折叠反射镜07将探测光信号反射传输给所述光束扫描元件06，由所述光束扫描元件06控制探测光信号进行空间扫描。

优选的，所述光接收组件包括顺次连接设置在所述光路折叠反射镜07第二侧的接收滤波片08、接收光学透镜09、接收探测器11和接收电路板10；

其中，所述光束扫描元件06扫描完成后接收到的目标反射光信号，先传输给所述接收滤波片08，经所述接收滤波片08过滤之后再由所述接收光学透镜09接收，会聚到所述接收探测器11里，最后由所述接收电路板10完成信号处理。

优选的，所述激光器的输出波长可调，当多辆汽车相互之间的距离小于预设间距时，所述多辆汽车对应的激光器的输出波长互不相同。

优选的，所述接收滤波片08为可调谐滤波片，且所述接收滤波片08的中心波长与对应汽车上所述激光器的输出波长一致。

优选的，对于每辆汽车，所述点云成像装置还包括设置在所述激光器与所述多个光信号探测装置之间的光开关和/或光分束器，所述激光器的探测光信号通过光开关和/或光分束器传输至每个探测点。

优选的，在每个探测点上，所述光信号探测装置的光发射和光接收采用共光轴光路。

优选的，所述激光器为光纤激光器或固体激光器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的激光雷达点云成像装置中，在进行光信号扫描探测时，扫描结构采用固态空间扫描装置或阵列微机电系统扫描装置，不仅尺寸较小而且是全固态，即没有运动部件，具有很高的稳定性和可靠性，此扫描机构不存在状态变化的风险，适合应用在自动驾驶领域。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种自动驾驶汽车的探测点分布示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种光纤激光器主机通过光分束器连接各探测点的原理示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种光纤激光器主机通过光开关连接各探测点的原理示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种光纤激光器主机通过光分束器和光开关的组合连接各探测点的原理示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种各探测点的光信号探测装置以及光路示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种光束扫描元件的扫描原理示意图(典型状态一)；

图7为本实用新型实施例提供的另一种光束扫描元件的扫描原理示意图(典型状态二)；

图8为本实用新型实施例提供的还一种光束扫描元件的扫描原理示意图(典型状态三)；

其中，附图标记如下：

01：光分束器；02：光开关；03：单模光纤；04：光纤发射组件；05：发射光学透镜；06：光束扫描元件，07：光路折叠反射镜；08：接收滤波片；09：接收光学透镜；10：接收电路板；11：接收探测器。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，而对于符号“a和/或b”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“a”、“b”、“a和b”三种情况。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本实用新型。

本实用新型实施例提供了一种适用于自动驾驶的激光雷达点云成像装置，可有效解决现有激光雷达在自动驾驶领域的应用限制问题，加快自动驾驶领域的产业化进程。

如图1所示，在本实用新型中，每辆汽车上设有多个探测点，且分别位于汽车的多个不同部位，包括车头、车顶、车尾等等，以确保所述点云成像装置的探测区域覆盖汽车周围全景。其中，图1是以设置8个探测点为例，分别记为探测点1、探测点2、......、探测点8；当然，在具体应用时还可以根据实际需要增加或删减探测点，确保探测区域覆盖汽车周围全景即可，对探测点的数量在此不做具体限定。

在实际应用中，每辆汽车上安装一套所述点云成像装置，则对于每辆汽车，所述点云成像装置具体包括一个激光器和多个光信号探测装置，所述多个光信号探测装置与所述多个探测点一一对应设置。各部分的结构和功能具体如下：

所述激光器作为激光光源，用于产生探测光信号，并将探测光信号传输至每个探测点，具体可以是光纤激光器或固体激光器等光源，优选地具有人眼安全和探测功率高的技术特点。本实用新型以光纤激光器为例，每辆汽车内安装一台光纤激光器主机，且该光纤激光器为单模光纤发光的激光光源。

所述光信号探测装置用于利用所述探测光信号进行空间扫描探测，并根据目标反射光信号(即发射出探测光信号之后，汽车周围的目标物体反射回的信号光)得到各探测点的空间点云数据。一个完整的光信号探测装置包括光发射组件、光束扫描元件和光接收组件，以完成光信号的发射、扫描和接收。其中，所述光发射组件用于接收所述激光器发出的探测光信号，并将所述探测光信号传输至所述光束扫描元件；所述光束扫描元件用于控制所述探测光信号进行空间扫描，并在接收目标反射光信号后传输至所述光接收组件；所述光接收组件用于接收目标反射光信号，并对目标反射光信号进行处理，以便得到对应探测点的空间点云数据。其中，将所有探测点的空间点云数据合并在一起，即可得到汽车周围环境所有的空间点云成像信息。需要说明的是，这里所涉及的信号处理方法以及数据处理方法均可参照现有技术完成，在此不做限定。

其中，所述光束扫描元件即扫描装置，传统方案中扫描装置通常为运动部件，存在不稳定性。在本实用新型中，每个探测点的扫描装置优先使用固态空间扫描装置，即发射和接收光信号都经过该扫描装置发射和接收，实现该固态扫描装置的技术方案主要有阵列光电晶体相位调制器、阵列液晶调制器、阵列硅基调制器等。除此以外，每个探测点的扫描装置还可以使用阵列微机电系统(micro-electro-mechanicalsystems，简写为mems)扫描装置，该mems装置使用大二维面阵mems微镜，所有的小微镜在系统控制下统一在二维平面内旋转，实现光信号的发射和接收。

通过采用固态空间扫描装置或阵列微机电系统扫描装置，不仅尺寸较小而且是全固态，即没有运动部件，具有很高的稳定性和可靠性，此扫描机构不存在状态变化的风险，适合应用在自动驾驶领域。

进一步参考图2-图4，鉴于每辆汽车上设有多个探测点，所述激光器的探测光信号可通过光开关和/或光分束器传输至每个探测点。通过光分束器01，探测光信号可均匀分为多份，同时传输至各探测点，如图2所示；但劣势是分担的探测点太多，则每个探测点的光信号功率强度过低，影响探测距离。通过光开关02，探测光信号不需要均分，每个探测点可依次发光，如图3所示，有效避免了光信号的均分衰减；但此方案也存在劣势，就是如果探测点过多，遍历每个探测点的时间过长，影响探测效率。当采用光开关时，本实用新型优先使用基于磁光调制或电光调制的光开关，这类光开关无运动元件，且响应时间达到微秒级别，使得各探测点之间的光信号切换时间可以得到极大优化。

根据光开关与光分束器各自的优缺点，在具体使用时可按照如下原则来选择：会发生相互干扰的探测点之间优先使用光开关进行信号发送，不会发生相互干扰的探测点之间优先使用光分束器进行信号发送；即，当相邻探测点之间存在光串扰时，优先使用光开关进行切换探测；当非相邻探测点之间不存在光串扰时，优先使用光分束器进行同时探测。进一步地，还可如图4所示，通过光分束器01和光开关02的组合来同时发送探测光信号，具体可根据实际情况，考虑激光雷达探测距离和探测角度范围，来计算决定使用多少光开关02或光分束器01，在此不做赘述。

参考图5，在一个具体的实施例中，每个探测点的光信号探测装置如图中矩形虚线框内所示：以探测点1为例，所述光信号探测装置包括光发射组件、光束扫描元件06和光接收组件，所述光发射组件包括顺次连接设置的单模光纤03、光纤发射组件04、发射光学透镜05和光路折叠反射镜07，所述光束扫描元件06设置在所述光路折叠反射镜07的第一侧(即图中右侧)；所述光接收组件包括顺次连接设置在所述光路折叠反射镜07第二侧(即图中左侧)的接收滤波片08、接收光学透镜09、接收探测器11和接收电路板10。当然，在具体应用时，各部分的具体结构还可根据实际需要进行其他合理的设计，能完成光发射、扫描和光接收即可，此处并不唯一限定。

在每个探测点上，所述光信号探测装置的光发射和光接收优先采用共光轴光路设计，即发射光学系统和接收光学系统的光轴共直线。继续参考图5，以探测点1处为例，具体光路如下：光纤激光器主机发出的探测光信号，先经光分束器01或光开关02进行探测路由选择后传输至所述单模光纤03，再由所述光纤发射组件04发送给所述发射光学透镜05进行光路准直。之后，所述光路折叠反射镜07将探测光信号反射传输给所述光束扫描元件06，由所述光束扫描元件06控制探测光信号进行空间扫描(此处略去周围环境返回的光信号示意，仅画出不同角度的发射光信号，代表光信号在进行空间三维角度的扫描探测)。扫描完成后，所述光束扫描元件06接收到的目标反射光信号，先传输给所述接收滤波片08，经所述接收滤波片08过滤之后再由所述接收光学透镜09接收，会聚到所述接收探测器11里，最后由所述接收电路板10完成信号的初始处理。初始处理后的信号可继续传送给自动驾驶系统的中心处理系统，并由中心处理系统完成角度和距离的信息转换，得到该探测点处的空间点云数据，具体处理方法可参照现有技术完成，在此不做限定。

继续参考图6-图8，在进行空间扫描探测时，所述光束扫描元件06具体有三种典型的扫描状态，无论是哪种扫描状态，接收光束和发射光束都保持平行。此处所述光束扫描元件06优选采用固态二维平面位相调节阵列(即上面提到的固态空间扫描装置)，通过调节各位相之间的相位关系，可以控制输出光束在空间平面内进行三维旋转，完成三维空间的数据点云信息获取。具体到某一个扫描状态，接收和发射光束应该互相平行，因为光束的衍射发散特性，经目标反射回的接收光束尺寸大于发射光束，再经所述光束扫描元件06变换成可以被所述接收光学透镜09接收的光路方向。该光束扫描元件06是全固态的，没有运动部件，具有很高的可靠性，适合应用在自动驾驶领域。另外，所述光束扫描元件06还可以是二维微机电反射镜阵列(即上面提到的阵列微机电系统扫描装置)，可实现更大光斑的空间扫描，但要求所有的微反射镜阵列统一转动，不能将光束分散。

进一步地，在每个探测点上，所述光信号探测装置扫描探测的角度范围小于360°，即每个探测点上不需要进行360°全景扫描探测，只需要将对应小角度范围之内(例如30°以内、50°以内等，具体不做限定)的空间信息探测出来，从而可以实现每个探测点的快速可靠探测。当所有的探测点都完成探测后，将各探测点对应的空间点云数据拼接在一起，即可构成汽车周围环境的所有空间点云信息，且能迅速完成数据的刷新和重建。

进一步地，当所述激光器采用光纤激光器时，光纤激光器主机和各探测点之间的光信号传输均可通过光纤完成，光纤可通过机械固定等方式固定在汽车内部，具有极高的可靠性，不会受到汽车运行状况的影响，可实现分布式探测，且光纤易于安装、连接和维护。

通过本实施例中的点云成像装置，在每个探测点基于所述激光器发射的探测光信号进行空间扫描探测后，将各探测点的空间点云数据合并，即可得到汽车周围环境的空间点云信息；具体如下：

首先，所述激光器发射出一定波长的探测光信号，并通过光开关和/或光分束器传输至汽车的每个探测点。

其次，每个探测点的光信号探测装置利用探测光信号完成空间扫描，得到每个探测点的空间点云数据。具体为：所述光发射组件接收到激光器发出的探测光信号，并将探测光信号传输至所述光束扫描元件；所述光束扫描元件进而控制探测光信号进行空间扫描，并将接收到的目标反射光信号传输至所述光接收组件；所述光接收组件接收到目标反射光信号后进行过滤和信号处理，以便得到对应探测点的空间点云数据。

最后，自动驾驶汽车的中心处理系统可将所有探测点的空间点云数据合并在一起，构成汽车周围环境的空间点云信息。

进一步地，当多辆位置相近的汽车在一起行驶时，相互之间的激光雷达探测光信号会发生串扰，即相邻的汽车之间会互相影响，不能做到抗干扰，也会限制激光雷达在自动驾驶领域的应用。考虑到上述问题，结合本实用新型实施例，还存在一种优选的实现方案：

对于每辆汽车，所述点云成像装置还包括定位系统，且所述激光器的输出波长灵活可调；相应地，所述接收滤波片08为可调谐滤波片，且所述接收滤波片08的中心波长与对应汽车上所述激光器的输出波长一致。同时，各辆汽车统一配置一个云端服务器，如图1所示。在该优选方案中，所述激光器仍然可以是光纤激光器或固体激光器等光源，但无论是哪种光源，均需具有输出波长可调的技术特点。

所述定位系统具体可采用gps设备或其他定位装置，安装在汽车内部，用于实时检测对应汽车的位置并发送至云端服务器。当所述云端服务器识别到多辆汽车相互之间的距离小于预设间距(即存在多辆汽车位置相近，存在发生光串扰的风险；此处预设间距可根据实际需要选择，例如可设定为0.3m)时，则控制所述多辆汽车上对应的激光器分别协调至不同波长，对应的接收滤波片也调谐至和当前探测光信号相匹配的光通带范围。

如此一来，当有多辆汽车位置相近时，每辆汽车之间的探测光波长都调整为不一样，从而可有效避免相邻汽车之间的光串扰，真正排除相邻汽车之间的相互影响，实现激光雷达之间的抗干扰。其中，汽车激光雷达的探测光波长可以由所述云端服务器统一控制，以解决所述光纤激光器发光波段不够宽的问题，由于相邻的汽车数量通常有限，因此光纤激光器的输出波段数量可完全满足。

需要说明的是，此处所述接收滤波片08的中心波长是可调谐的，可统一由自动驾驶系统控制，根据实际情况进行灵活调谐，并始终和本汽车上的激光器中心波长保持一致。在优选方案中，所述接收滤波片08的通带透过率应尽可能高，优选大于95；阻带关断比例应尽可能高，优选大于45db，上述两个参数可保证整体系统的信噪比，实现更佳的抗干扰性能。

另外，在优选方案中，所述激光器输出的探测光信号具体可以为窄带波长信号，光波长通带宽度优先控制在2nm以内；越窄的通带宽度，意味着越高的接收光信噪比，也可以实现更佳的抗干扰性能。相应地，配套的接收滤波片08也优选为窄带可调，并与激光光源的波长相匹配，从而可有效过滤掉其它干扰信号光和外部杂散光。

其中，自动驾驶汽车(主要是指车上配套的点云成像装置)和所述云端服务器可一直不停地进行双向通讯，汽车实时将位置、状态等相关信息上传给所述云端服务器，所述云端服务器将相关的操作指令以无时延的速度下传给各自动驾驶车辆。在优选方案中，汽车和所述云端服务器之间的通信可全部采用加密信号完成，避免自动驾驶系统被干扰力量控制；同时，激光雷达探测光信号的编码也采用加密方式完成，即探测光信号使用加密的编码进行探测，从而可有效防止探测信号的失效或被盗用。

综上所述，本实用新型提供的激光雷达点云成像装置主要有以下优势：

每个探测点的扫描装置均采用固态空间扫描装置或阵列微机电系统扫描装置，不仅尺寸较小而且是全固态，即没有运动部件，具有很高的稳定性和可靠性，此扫描机构不存在状态变化的风险，适合应用在自动驾驶领域；采用输出波长灵活可调的激光器作为激光光源，当多辆汽车位置相近时，各相近汽车的激光器可输出不一样波长的探测光信号，从而有效避免相邻汽车之间的光串扰，真正实现激光雷达之间的抗干扰，可靠性大大提高；整个装置结构简单，易于生产，成本低，具备批量化生产能力。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。