CN113640812A - 基于一维振镜和多面转镜的同轴激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于一维振镜和多面转镜的激光雷达发射单元、接收单元，以及同轴激光雷达收发系统，通过对一维振镜的摆动频率和多面转镜的转动频率的选择，提高了激光雷达系统的角分辨率，扩展了垂直方向及水平方向的视场角，并有效防止了视场畸变。可用于激光雷达的发射单元包括：激光器阵列，可被单独驱动以发出激光束；一维振镜，设置在激光器的光路下游，具有第一反射面以及沿着第一方向的第一转轴，可围绕第一转轴旋转，并将入射到其上的激光束进行反射；多面转镜，设置在一维振镜的光路下游，并具有多个第二反射面以及沿着第二方向的第二转轴，其一方向垂直于第二方向，多面转镜可围绕第二转轴旋转，第二反射面可将入射到其上的激光束反射到激光雷达外部，用于探测目标物。

Description

基于一维振镜和多面转镜的同轴激光雷达系统

技术领域

本发明大致涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种包含一维振镜、多面转镜的激光雷达的发射单元、接收单元以及激光雷达。

背景技术

激光雷达系统包括激光发射系统和探测接收系统，发射激光遇到目标后反射并被探测系统所接收，通过测量激光往返的时间可测量目标和雷达间的距离(飞行时间法)，当对整个目标区域扫描探测后，则最终可实现三维成像。激光雷达作为是一种常用的测距传感器，具有探测距离远、分辨率高、抗有源干扰能力强、体积小、质量轻等优点，广泛应用于智能机器人、无人机、无人驾驶等领域。

激光雷达系统的扫描方式一般包括振荡式(钟摆式)扫描、旋转多面镜扫描、章动式扫描和光纤扫描。激光雷达的扫描方式很大程度上决定了激光雷达的视场角、分辨率，合理的扫描结构促使整个激光雷达系统结构稳定，并可以获得较大的视场范围和较高的角分辨率。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种包含一维振镜、多面转镜的激光雷达的发射单元、接收单元以及激光雷达。

本发明提供一种可用于激光雷达的发射单元，包括：

激光器阵列，每个激光器可被单独驱动以发出激光束；

一维振镜，所述一维振镜设置在所述激光器的光路下游，具有第一反射面以及沿着第一方向的第一转轴，所述一维振镜可围绕所述第一转轴旋转，并将入射到其上的激光束进行反射；

多面转镜，所述多面转镜设置在所述一维振镜的光路下游，并具有多个第二反射面以及沿着第二方向的第二转轴，其中所述第一方向垂直于第二方向，所述多面转镜可围绕所述第二转轴旋转，所述第二反射面可将入射到其上的激光束反射到激光雷达外部，用于探测目标物。

根据本发明的一个方面，所述发射单元还包括快轴压缩透镜和汇聚透镜，依次设置在所述激光器与所述一维振镜之间，其中所述快轴压缩透镜配置成可接收并压缩所述激光器发出的激光束沿着快轴方向的发散角，所述汇聚透镜配置成可将经压缩后的激光束进行汇聚，其中所述一维振镜设置在所述汇聚透镜的焦点位置处。

根据本发明的一个方面，所述发射单元还包括位于所述激光器与所述一维振镜之间的快轴压缩透镜以及位于所述一维振镜与所述多面转镜之间的汇聚透镜，其中所述快轴压缩透镜配置成可接收并压缩所述激光器发出的激光束沿着快轴方向的发散角，所述汇聚透镜配置成可将经所述一维振镜反射的激光束汇聚到所述多面转镜上。

根据本发明的一个方面，其中所述一维振镜包括电流计机械谐振镜或MEMS振镜。

根据本发明的一个方面，其中所述一维振镜工作在其谐振频率，该谐振频率与所述多面转镜的转动频率之比为大于1的整数。

根据本发明的一个方面，所述发射单元还包括激光器驱动电路，所述激光器驱动电路配置成通过振镜和多面转镜的位置反馈分别获取当前实时的垂直角度以及水平角度，从而决定是否触发激光器发光。

本发明还提供一种可用于激光雷达的接收单元，包括探测器阵列、一维振镜和多面转镜，

其中所述探测器阵列包括多个探测器，每个探测器可接收激光雷达的回波并转换为电信号；

多面转镜，所述多面转镜设置具有多个第二反射面以及沿着第二方向的第二转轴，所述多面转镜可围绕所述第二转轴旋转，所述第二反射面可将入射到其上的回波反射到所述一维振镜上；

所述一维振镜设置在所述探测器阵列与所述多面转镜之间的光路上，具有第一反射面以及沿着第一方向的第一转轴，所述一维振镜可围绕所述第一转轴旋转，并将入射到其上的回波反射到所述探测器阵列，其中所述第一方向垂直于第二方向。

根据本发明的一个方面，所述接收单元还包括汇聚透镜，所述汇聚透镜设置在所述探测器阵列与所述一维振镜之间或所述一维振镜与所述多面转镜之间。

根据本发明的一个方面，其中所述一维振镜包括电流计机械谐振镜或MEMS振镜。

根据本发明的一个方面，其中所述一维振镜工作在其谐振频率，该谐振频率与所述多面转镜的转动频率之比为大于1的整数。

本发明还提供一种激光雷达，包括：

如上所述的发射单元，配置成可发射探测激光束用于探测目标物；

如上所述的接收单元，配置成可接收回波并转换为电信号；和

点云生成单元，与所述发射单元和接收单元耦接，并配置成根据所述探测激光束的飞行时间，计算目标物的距离，并生成点云。

本发明还提供一种激光雷达，包括：

激光器阵列，每个激光器可被单独驱动以发出激光束；

探测器阵列，包括多个探测器，每个探测器可接收激光雷达的回波并转换为电信号；

一维振镜，所述一维振镜设置在所述激光器的光路下游，具有第一反射面以及沿着第一方向的第一转轴，所述一维振镜可围绕所述第一转轴旋转，并将入射到其上的激光束进行反射；

分光镜，设置在所述激光器与所述一维振镜之间，以允许所述激光器发出的激光束的一部分通过并入射到所述一维振镜；

多面转镜，所述多面转镜设置在所述一维振镜的光路下游，并具有多个第二反射面以及沿着第二方向的第二转轴，其中所述第一方向垂直于第二方向，所述多面转镜可围绕所述第二转轴旋转，所述第二反射面可将入射到其上的激光束反射到激光雷达外部，用于探测目标物；所述第二反射面并且可将回波反射到所述一维振镜上，经一维振镜反射后通过所述分光镜，入射到所述探测器阵列上。

根据本发明的一个方面，所述激光雷达还包括快轴压缩透镜和汇聚透镜，其中所述快轴压缩透镜设置在所述激光器与所述分光镜之间，配置成可接收并压缩所述激光器发出的激光束沿着快轴方向的发散角，所述汇聚透镜设置在所述一维振镜与所述多面转镜之间，配置成可将经压缩后的激光束进行汇聚，并将由所述多面转镜反射的回波汇聚到所述一维振镜上，其中所述一维振镜设置在所述汇聚透镜的焦点位置处。

根据本发明的一个方面，所述激光雷达还包括位于所述激光器与所述分光镜之间的快轴压缩透镜以及位于所述分光镜与所述一维振镜之间的汇聚透镜，其中所述快轴压缩透镜配置成可接收并压缩所述激光器发出的激光束沿着快轴方向的发散角。

本发明还提供一种使用如上所述的激光雷达进行探测的方法。

本发明的优选实施例提供了基于一维振镜和多面转镜的激光雷达发射单元、接收单元，以及同轴激光雷达收发系统，通过对一维振镜的摆动频率和多面转镜的转动频率的选择，提高了激光雷达系统的角分辨率，扩展了垂直方向及水平方向的视场角，并有效防止了视场畸变。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示意性地示出了本发明的一个优选实施例的激光雷达的发射单元；

图2示意性地示出了本发明的另一个优选实施例的激光雷达的发射单元；

图3示意性地示出了本发明的另一个优选实施例的激光雷达的发射单元；

图4示意性地示出了本发明的另一个优选实施例的激光雷达的发射单元；

图5示出了可用于发射单元的激光器控制方法；

图6示意性地示出了本发明的一个优选实施例的激光雷达的接收单元；

图7示意性地示出了本发明的另一个优选实施例的激光雷达的接收单元；

图8示意性地示出了本发明的一个优选实施例的激光雷达；

图9示意性地示出了本发明的另一个优选实施例的激光雷达；

图10A示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的点云结果示意图；

图10B示意性地示出了根据本发明的另一个优选实施例的点云结果示意图；

图10C示意性地示出了根据本发明的另一个优选实施例的点云结果示意图；

图11A示意性地示出了根据本发明的另一个优选实施例的点云结果示意图；

图11B示意性地示出了根据本发明的另一个优选实施例的点云结果示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，根据本发明的一个优选实施例，本发明提供一种可用于激光雷达的发射单元10，包括激光器11的阵列、一维振镜12以及多面转镜13。其中每个激光器11可被单独驱动以发出激光束。一维振镜12例如可以是电流计机械谐振镜或MEMS振镜，设置在激光器11的光路下游，具有第一反射面121以及第一转轴122，一维振镜12可围绕第一转轴122旋转，并将入射到其上的激光束进行反射。图1中，所述第一转轴122为垂直于纸面的方向。当一维振镜12围绕第一转轴122旋转到不同的位置时，便可以将入射到其上的激光束反射到不同的出射方向上。因此，对于同一个激光器11，通过一维振镜12的旋转扫描，实现了多个方向的出射激光束，即实现了激光束的加密。多面转镜13设置在一维振镜12的光路下游，并具有多个第二反射面131以及第二转轴132，其中第一转轴122的方向垂直于第二转轴132的方向，多面转镜13可围绕第二转轴132旋转，第二反射面131可将入射到其上的激光束反射到激光雷达外部，用于探测目标物。如图1中示意性地示出了多面转镜13为四面转镜，其四个侧面可用作第二反射面131，第二转轴132沿着图中竖直方向，当多面转镜13围绕第二转轴132旋转时，多个第二反射面131依次被转动到面对该一维振镜12的位置，从而可以将来自一维振镜12的激光束二次反射出去，反射到激光雷达外部，用于探测目标物。另外，本领域技术人员容易理解，除了四面转镜，还可以使用三面转镜、五面转镜以及更多边形的转镜。另外优选的，所述转镜为正多边形转镜。

如图1所示，发射单元10还可包括快轴压缩透镜14和汇聚透镜15，依次设置在激光器11与一维振镜12之间，快轴压缩透镜14配置成可接收并压缩激光器11发出的激光束沿着快轴方向的发散角。当激光器11采用垂直腔面发射激光器VCSEL时，激光器出射的激光束沿着快轴的发散角相对较大，因此通过快轴压缩透镜14可以压缩激光束沿着快轴方向的发散角，使其更接近于平行光束。汇聚透镜15配置成可将经压缩后的激光束进行汇聚，所述一维振镜12设置在所述汇聚透镜15的焦点位置处，因此被汇聚透镜15汇聚的激光束被聚焦在所述一维振镜12上。

图2示出了根据本发明一个优选实施例的可用于激光雷达的发射单元20。下面重点描述图2实施例的发射单元20与图1实施例的发射单元10之间的区别之处。如图2所示，快轴压缩透镜14设置于激光器11与一维振镜12之间，汇聚透镜15设置于一维振镜12与多面转镜13之间。激光器11被驱动以发出激光束，快轴压缩透镜14压缩激光器11发出的激光束沿着快轴方向的发散角，一维振镜12设置在快轴压缩透镜14的光路下游，具有第一反射面121以及第一转轴122，一维振镜12可围绕第一转轴122旋转，并将入射到其上的激光束进行反射，一维振镜12反射出的激光束被汇聚透镜15接收，并将其汇聚到多面转镜13上，多面转镜具有多个第二反射面131以及第二转轴132，其中第一转轴122的方向垂直于第二转轴132的方向，多面转镜13可围绕第二转轴132旋转，第二反射面131可将入射到其上的激光束反射到激光雷达外部，用于探测目标物。在图1和图2的实施例中，一维振镜12可以是电流计机械谐振镜或MEMS振镜。

当用在激光雷达中时，一维振镜12可以提供激光雷达竖直方向的扫描视场，多面转镜13可提供激光雷达水平方向的扫描视场。

从上述两个优选实施例可以看出，当一维振镜12处于激光器11与汇聚透镜15之间时(图2所示的发射单元20)，一维振镜12的摆幅需要大于激光雷达系统的垂直视场角，才能提供较宽的视场范围，并经汇聚透镜15汇聚后形成出射光束。当一维振镜12处于汇聚透镜15之后(图1所示的发射单元10)，一维振镜12的摆幅与激光雷达系统的垂直视场角相当即可，但这种情况下，入射到一维振镜12的光束已经发散，需要一维振镜12有较大的口径。当一维振镜口径较大时，可以以较低的速度和较小的摆幅可靠工作，这时系统垂直方向视场以及线数的不足可以通过多个收发对的排布来弥补。

图3和图4示出了当发射单元使用激光器阵列(多个激光器11组成的阵列)发射激光束时的情形。根据本发明的一个优选实施例，激光雷达的发射单元30如图3所示，多个激光器11中每个激光器可被单独驱动以发出激光束,发射光束的光路行进方向与单个激光器11发射激光束的光路行进方向相同，在此不再赘述。特别需要提出的是，一维振镜12可以设置在汇聚透镜15的焦点位置处，从而使用相对较小的口径的振镜即能将全部光束进行扫描。

如果使用的激光器11的数量较多，已经保证了垂直方向上一定的角分辨率及视场范围，则对于一维振镜12的摆幅以及扫描频率的要求就会降低，因此也可以将一维振镜12设置多个于激光器11和汇聚透镜15之间，如图4所示。

从上述两个优选实施例可以看出，多线激光雷达系统在垂直方向上的视场角主要由多个激光器11构成的阵列以及汇聚透镜15的各种参数确定，一维振镜12围绕着垂直方向视场角范围内的激光线束进行微扫，以加密垂直方向上的角分辨率。

根据激光雷达系统的实际探测需求所需要的垂直视场角、角分辨率，以及激光雷达的线数，可以计算出快轴(一维振镜扫描)和慢轴(多面转镜扫描)之间的频率比N，其中N为正整数。为了避免一维振镜的频率受温度或环境影响变化造成的点云波动，需要在发光时刻将多面转镜的转动频率与一维振镜摆动频率实时锁定(即保持一个恒定的比值)。在快轴方向，利用锁相环确保一维振镜工作在谐振频率，一维振镜摆动的实时频率为主频率，记做fr，多面转镜跟随的转动频率为从频率，根据主频率的变化实时调整从频率为fr/N，从而尽可能保持激光雷达系统的角分辨率不变。在一维振镜摆动的实时频率变化过大时，可以通过变化频率比N，来缩放整体视场，当然仍应尽可能维持系统的角分辨率不变。

图5示出了可用于上述发射单元10或20中的激光器控制方法100，包括：

在步骤S101，在快轴方向上利用锁相环确保一维振镜12工作在谐振频率，其实时频率为fr。

在步骤S102，在慢轴方向上，调节多面转镜13的实施转速，将其设定为fr/N。

在步骤S103，通过位置反馈，分别获取一维振镜12与多面转镜13的位置或者状态(即分别对应于垂直角度与水平角度)。

在步骤S104，触发激光器发光。

为了减小大视场扫描时的畸变，每束激光脉冲在发出的最初时刻应当垂直入射到振镜及多面转镜上，根据本发明的一个优先实施例，如图1、图2、图3和图4所示的激光雷达的发射单元10、20、30和40，还包括激光器驱动电路，该激光器驱动电路配置成通过一维振镜和多面转镜的位置反馈分别获取当前实时的垂直角度以及水平角度，从而决定是否触发激光器发光。具体对应于如何的垂直角度以及水平角度时候会发光，可以根据需要设置。比如若只关注某水平角度范围[α1,α2]的障碍物信息，那么可以在旋转至角度α1开始出发激光器发光，在旋转至角度α2停止发光。

根据本发明的优选实施例，激光雷达系统的垂直视场可以达到几十度(取决于发射端激光器阵列的长度、汇聚透镜的焦距和一维振镜的摆幅)，水平视场可以从几度到100多度(取决于多面转镜的面数)。

如图6所示，根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种可用于激光雷达的接收单元50，包括探测器阵列51、一维振镜12和多面转镜13。其中探测器阵列51包括多个探测器，每个探测器可接收激光雷达的回波并转换为电信号，多面转镜13具有多个第二反射面131以及第二转轴132，多面转镜13可围绕第二转轴132旋转，第二反射面131可将入射到其上的回波反射到一维振镜12上，一维振镜12设置在探测器阵列51与多面转镜13之间的光路上，具有第一反射面121以及第一转轴122，一维振镜12可围绕第一转轴122旋转，并将入射到其上的回波反射到探测器阵列51，其中第一转轴122的方向垂直于第二转轴132的方向。

接收单元50还包括汇聚透镜15，汇聚透镜15设置在一维振镜12与多面转镜13之间，或设置在探测器阵列51与一维振镜12之间(如图7所示的激光雷达的接收单元60)。

图6的优选实施例中示出了分光镜16，适用于激光雷达的同轴收发系统，分光镜16利用半反射半透射光学面，将发射光束和雷达回波分开。根据本发明的优选实施例，一维振镜12包括电流计机械谐振镜和MEMS振镜，一维振镜12工作在其谐振频率，该谐振频率与所述多面转镜13的转动频率之比为大于1的整数。

图5所示的激光器控制方法100也可适用于图6和图7的接收单元，例如同样可以通过锁相环确保一维振镜12工作在谐振频率，其实时频率为fr，在慢轴方向上，调节多面转镜13的实施转速，将其设定为fr/N，通过位置反馈，分别获取一维振镜12与多面转镜13的位置或者状态(即分别对应于垂直角度与水平角度)，并且在适当的时刻读取探测器阵列51的输出此处不再赘述。

根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种激光雷达，包括：如上所述的激光雷达的发射单元10、20、30和40中的一种或几种，配置成可发射探测激光束用于探测目标物；如上所述的激光雷达的接收单元50、60中的一种或几种，配置成可接收回波并转换为电信号；点云生成单元，与发射单元和接收单元耦接，并配置成根据探测激光束的飞行时间，计算目标物的距离，并生成点云。

如图8所示，根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种激光雷达70，包括：激光器11的阵列，每个激光器可被单独驱动以发出激光束，探测器阵列51，包括多个探测器，每个探测器可接收激光雷达的回波并转换为电信号，一维振镜12设置在激光器11的光路下游，具有第一反射面121以及第一转轴122，一维振镜12可围绕第一转轴122旋转，并将入射到其上的激光束进行反射，分光镜16设置在激光器11与一维振镜12之间，以允许激光器11发出的激光束通过并入射到一维振镜12，多面转镜13设置在一维振镜12的光路下游，具有多个第二反射面131以及第二转轴132，其中第一转轴122的方向垂直于第二转轴132的方向，多面转镜13可围绕第二转轴132旋转，第二反射面131可将入射到其上的激光束反射到激光雷达外部，用于探测目标物，并且第二反射面131还可将回波反射到一维振镜12上，经一维振镜12反射后通过分光镜16，入射到探测器阵列51上。

为保证生成的点云图像稳定，一维振镜12往复摆动的扫描频率应与雷达帧频相匹配，比如雷达帧频为10赫兹，正扫和回扫合为一帧时(正扫和回扫水平方向发光错位)，一维振镜的摆动频率应设置为10赫兹，如果正扫一帧，回扫为下一帧，则摆动频率应设置为5赫兹。

在一维振镜与多面转镜耦合的激光雷达系统中，可以仅使用多面转镜的一个反射面的反射结果作为雷达独立一帧，那么此时多面转镜的转动频率等于雷达帧频；也可以使用多面转镜的多个反射面的反射结果合成为一帧，那么多面转镜的转动频率＝雷达帧频*反射面数目。

激光雷达70还包括快轴压缩透镜14和汇聚透镜15，快轴压缩透镜14设置在激光器11与分光镜16之间，配置成可接收并压缩激光器11发出的激光束沿着快轴方向的发散角，汇聚透镜15设置在一维振镜12与多面转镜之间13，配置成可将经压缩后的激光束进行汇聚，并将由多面转镜13反射的回波汇聚到一维振镜12上，一维振镜12设置在汇聚透镜15的焦点位置处。

根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种激光雷达80，如图9所示：快轴压缩透镜14设置于激光器11与分光镜16之间，汇聚透镜15设置于分光镜16与一维振镜12之间。

根据本发明的优选实施例，本发明还提供一种双侧收发式的同轴激光雷达系统，除多面转镜13外，其他部件均需使用两套，并布置在多面转镜13两侧。

通过采用对一维振镜(主要负责竖直方向的扫描)和多面转镜(主要负责水平方向的扫描)的不同相对速度或者频率的配合方式，可以获得不同的点云图。

例如如图10A所示，为一种根据本发明的单激光器扫描的点云结果示意图，点云图中的一行对应多面转镜的一个反射面，其中面1、面2、面3、面4分别对应多面转镜的第一面、第二面、第三面和第四面。从点云结果可以看出，本优选实施例的垂直方向的一维振镜的摆动频率较高，水平方向的多面转镜的转动频率较低，增大了垂直方向的发光间隔，有利于在飞行时间不足时仍能够维持较高的垂直分辨率。

又比如如图10B所示，是另一种根据本发明的单激光器扫描的点云结果示意图，点云图中的一列对应多面转镜的一个反射面，其中面1、面2、面3、面4分别对应多面转镜的第一面、第二面、第三面和第四面。从点云结果可以看出，本优选实施例的水平方向的多面转镜的转动频率较高，垂直方向的一维振镜的摆动频率较低。

如图10C所示，根据本发明的多激光器扫描的点云结果示意图，本实施例采用水平方向上多个激光器并扫的方式，其中以激光器阵列中包括四个激光器为例，分别为激光器1、激光器2、激光器3和激光器4，面1、面2、面3、面4分别对应多面转镜的第一面、第二面、第三面和第四面。图10C中，一行对应一个转镜反射面，增大了垂直方向的发光间隔，有利于在飞行时间不足时仍能够维持较高的垂直分辨率。另一个维度(水平方向)通过几个紧挨着的激光器实现并扫，从而提高了水平分辨率，也有利于降低振镜所需的谐振频率。本优选实施例降低了对多面转镜的转动频率的要求，从而也降低了一维振镜所需的谐振频率。

比如如图11A所示，为根据本发明的一个优选实施例的点云结果示意图，其中对于多面转镜的一个面，同一时刻有多个激光器发光(特别地，也可以采取间隔出光的方式)。本实施例采用多线激光雷达，同一时刻垂直方向上有多个激光器同时发光，其中面1、面2、面3、面4分别对应多面转镜的第一面、第二面、第三面和第四面，激光器阵列包括四个激光器，分别为激光器1、激光器2、激光器3和激光器4，激光器阵列应在每次一维振镜摆动至相同位置时，在垂直方向上等角度出光，一维振镜的位置可以通过角度传感器反馈。本优选实施例中，一维振镜的发光次数与多面转镜的镜面数共轭，为多面转镜的镜面数的整数倍。

比如如图11B所示，根据本发明的一个优选实施例的点云结果示意图，垂直方向上的激光器阵列按次序周期性发光，本优选实施例减少了多个激光器同时发光时可能存在的光串扰问题。

上述本发明的优选实施例中，激光器阵列包括分立式边发射型激光器组合阵列、整片式边发射型激光器阵列、VCSEL阵列、固体激光器阵列、单个光纤激光器。如果使用光纤激光器等高重频器件，可以使用单激光器扫描；如果使用半导体激光器，在系统所需点频太高时，单个激光器重频无法满足使用要求，可以使用多激光器并列布置的扫描方式，同时也可以降低对一维振镜的摆动频率的要求。

上述本发明的优选实施例中，探测器阵列包括多个APD组合阵列、整片APD阵列、SiPM阵列、SPAD阵列。分光镜包括典型的小孔反射镜、PBS偏振分光镜。由于振镜高速扫描造成的垂直方向上的光斑飘移，可以通过接收端的动态补偿来调整。

本发明还提供一种使用上述激光雷达进行探测的方法。

本发明的优选实施例提供了基于一维振镜和多面转镜的激光雷达发射单元、接收单元，以及同轴激光雷达收发系统，通过对一维振镜的摆动频率和多面转镜的转动频率的选择，提高了激光雷达系统的角分辨率，扩展了垂直方向及水平方向的视场角，并有效防止了视场畸变。另外，水平方向扫描的多面转镜仅需要几赫兹到几十赫兹的转速，非常适合作为扫描的慢轴并实现大的视场，而垂直方向扫描的谐振镜在口径或者摆幅较小时可以实现很高的扫描频率，适合作为扫描的快轴。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种可用于激光雷达的发射单元，包括：

激光器阵列，每个激光器可被单独驱动以发出激光束；

一维振镜，所述一维振镜设置在所述激光器的光路下游，具有第一反射面以及沿着第一方向的第一转轴，所述一维振镜可围绕所述第一转轴旋转，并将入射到其上的激光束进行反射；

多面转镜，所述多面转镜设置在所述一维振镜的光路下游，并具有多个第二反射面以及沿着第二方向的第二转轴，其中所述第一方向垂直于第二方向，所述多面转镜可围绕所述第二转轴旋转，所述第二反射面可将入射到其上的激光束反射到激光雷达外部，用于探测目标物。

2.根据权利要求1所述的激光雷达的发射单元，还包括快轴压缩透镜和汇聚透镜，依次设置在所述激光器与所述一维振镜之间，其中所述快轴压缩透镜配置成可接收并压缩所述激光器发出的激光束沿着快轴方向的发散角，所述汇聚透镜配置成可将经压缩后的激光束进行汇聚，其中所述一维振镜设置在所述汇聚透镜的焦点位置处。

3.根据权利要求1所述的激光雷达的发射单元，其中还包括位于所述激光器与所述一维振镜之间的快轴压缩透镜以及位于所述一维振镜与所述多面转镜之间的汇聚透镜，其中所述快轴压缩透镜配置成可接收并压缩所述激光器发出的激光束沿着快轴方向的发散角，所述汇聚透镜配置成可将经所述一维振镜反射的激光束汇聚到所述多面转镜上。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的激光雷达的发射单元，其中所述一维振镜包括电流计机械谐振镜或MEMS振镜。

5.根据权利要求1或2所述的激光雷达的发射单元，其中所述一维振镜工作在其谐振频率，该谐振频率与所述多面转镜的转动频率之比为大于1的整数。

6.根据权利要求1或2所述的激光雷达的发射单元，其中还包括激光器驱动电路，所述激光器驱动电路配置成通过所述一维振镜和多面转镜的位置反馈分别获取当前实时的垂直角度以及水平角度，从而决定是否触发激光器发光。

7.一种可用于激光雷达的接收单元，包括探测器阵列、一维振镜和多面转镜，

其中所述探测器阵列包括多个探测器，每个探测器可接收激光雷达的回波并转换为电信号；

多面转镜，所述多面转镜设置具有多个第二反射面以及沿着第二方向的第二转轴，所述多面转镜可围绕所述第二转轴旋转，所述第二反射面可将入射到其上的回波反射到所述一维振镜上；

所述一维振镜设置在所述探测器阵列与所述多面转镜之间的光路上，具有第一反射面以及沿着第一方向的第一转轴，所述一维振镜可围绕所述第一转轴旋转，并将入射到其上的回波反射到所述探测器阵列，其中所述第一方向垂直于第二方向。

8.根据权利要求7所述的激光雷达的接收单元，还包括汇聚透镜，所述汇聚透镜设置在所述探测器阵列与所述一维振镜之间或所述一维振镜与所述多面转镜之间。

9.根据权利要求7或8所述的激光雷达的接收单元，其中所述一维振镜包括电流计机械谐振镜或MEMS振镜。

10.根据权利要求7或8所述的激光雷达的接收单元，其中所述一维振镜工作在其谐振频率，该谐振频率与所述多面转镜的转动频率之比为大于1的整数。

11.一种激光雷达，包括：

如权利要求1-6中任一项所述的发射单元，配置成可发射探测激光束用于探测目标物；

如权利要求7-10中任一项所述的接收单元，配置成可接收回波并转换为电信号；和

点云生成单元，与所述发射单元和接收单元耦接，并配置成根据所述探测激光束的飞行时间，计算目标物的距离，并生成点云。

12.一种激光雷达，包括：

激光器阵列，每个激光器可被单独驱动以发出激光束；

探测器阵列，包括多个探测器，每个探测器可接收激光雷达的回波并转换为电信号；

一维振镜，所述一维振镜设置在所述激光器的光路下游，具有第一反射面以及沿着第一方向的第一转轴，所述一维振镜可围绕所述第一转轴旋转，并将入射到其上的激光束进行反射；

分光镜，设置在所述激光器与所述一维振镜之间，以允许所述激光器发出的激光束的一部分通过并入射到所述一维振镜；

多面转镜，所述多面转镜设置在所述一维振镜的光路下游，并具有多个第二反射面以及沿着第二方向的第二转轴，其中所述第一方向垂直于第二方向，所述多面转镜可围绕所述第二转轴旋转，所述第二反射面可将入射到其上的激光束反射到激光雷达外部，用于探测目标物；所述第二反射面并且可将回波反射到所述一维振镜上，经一维振镜反射后通过所述分光镜，入射到所述探测器阵列上。

13.根据权利要求12所述的激光雷达，其中还包括快轴压缩透镜和汇聚透镜，其中所述快轴压缩透镜设置在所述激光器与所述分光镜之间，配置成可接收并压缩所述激光器发出的激光束沿着快轴方向的发散角，所述汇聚透镜设置在所述一维振镜与所述多面转镜之间，配置成可将经压缩后的激光束进行汇聚，并将由所述多面转镜反射的回波汇聚到所述一维振镜上，其中所述一维振镜设置在所述汇聚透镜的焦点位置处。

14.根据权利要求12所述的激光雷达，还包括位于所述激光器与所述分光镜之间的快轴压缩透镜以及位于所述分光镜与所述一维振镜之间的汇聚透镜，其中所述快轴压缩透镜配置成可接收并压缩所述激光器发出的激光束沿着快轴方向的发散角。

15.一种使用如权利要求12-14中任一项所述的激光雷达进行探测的方法。

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