CN114415189A - 一种激光雷达系统及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种激光雷达系统及其校准方法，涉及激光雷达技术领域，为能够简单快捷地进行校准操作而发明。激光雷达系统包括：激光发射单元、扫描单元、接收单元和控制单元；其中，所述激光发射单元，包括光源和位于所述光源的光出射路径上的一个准直器，所述光源具有两个以上的激光输出通道，不同激光输出通道输出的激光束，均经过所述一个准直器准直后以发散的方式输出；和/或，所述接收单元，包括光电探测器，所述光电探测器具有两个以上的像元，在所述两个以上的像元的光接收路径上设有一个汇聚透镜，以使所述两个以上的像元通过一个汇聚透镜接收目标反射回的光。本发明适用于对目标进行距离探测。

Description

一种激光雷达系统及其校准方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达系统及其校准方法。

背景技术

激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射的探测信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等。

目前，应用广泛的是基于机械旋转扫描的多线激光雷达。多线激光雷达是指激光源发出的激光束是多束，扫描一次可产生多条扫描线的雷达。在多线激光雷达中，在激光发射单元，需要为每束激光配置一个准直器，在接收单元，也需要为每一目标回波配置一个汇聚透镜。在对激光发射单元和接收单元的光轴进行校准时，由于激光源发出的激光束的线数较多，配置的准直器的数量及汇聚透镜的数量也就相应较多，使得校准难度大，校准时间长。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种激光雷达系统及其校准方法，能够简单快捷地进行校准操作。

第一方面，本发明实施例提供一种激光雷达系统，包括：激光发射单元、扫描单元、接收单元和控制单元，所述控制单元控制所述激光发射单元发射激光，所述激光，经所述扫描单元扫描后射出，以便经目标反射后，由所述接收单元接收；其中，所述激光发射单元，包括光源和位于所述光源的光出射路径上的一个准直器，所述光源具有两个以上的激光输出通道，不同激光输出通道输出的激光束，均经过所述一个准直器准直后以发散的方式输出；和/或，所述接收单元，包括光电探测器，所述光电探测器具有两个以上的像元，在所述两个以上的像元的光接收路径上设有一个汇聚透镜，以使所述两个以上的像元通过一个汇聚透镜接收目标反射回的光。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述光源与所述准直器连接在一起，且能够一起转动，以对所述激光发射单元和所述接收单元的光轴进行校准。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述光电探测器能够相对所述汇聚透镜移动和/或转动，以对所述激光发射单元和所述接收单元的光轴进行校准。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述光电探测器与所述汇聚透镜能够一起移动和/或转动，以对所述激光发射单元和所述接收单元的光轴进行校准。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述光源发出的激光为脉冲激光；所述两个以上的激光输出通道的出口，在垂直方向上线性排列。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述准直器输出的不同光束之间在垂直方向上具有光束夹角；所述扫描单元在垂直方向上的扫描夹角，小于所述光束夹角中最小的夹角。准直器输出的光束设置有固定夹角，通过调整准直器沿光轴的旋转方向，使得不同光束之间的夹角在垂直方向，调整好后用准直器的夹持件将准直器固定好。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述扫描单元在垂直方向上的扫描夹角可调。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述像元的数量与所述激光输出通道的数量相同，所述两个以上的像元与所述两个以上的激光输出通道一一对应。

第二方面，本申请实施例还提供一种可用于前述任一激光雷达系统的校准方法，所述校准方法包括：

将所述光源连同所述准直器一起转动，调整所述准直器输出的光束入射到所述扫描单元上的位置；和/或，

调整所述两个以上的像元相对所述汇聚透镜的位置，或将所述两个以上的像元与所述汇聚透镜一起转动或移动，以使经所述扫描单元扫描后射出的光束，经目标反射后，由所述接收单元准确接收。

根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述准直器输出的不同光束之间在垂直方向上具有光束夹角；所述校准方法还包括：调整所述扫描单元在垂直方向上的扫描夹角，以使所述扫描夹角小于所述光束夹角中最小的夹角。

本发明实施例提供的激光雷达系统及其校准方法，激光发射单元发射的两束以上的脉冲激光，仅通过一个准直器准直输出，和/或在接收单元的两个以上的像元的光接收路径上仅配置一个汇聚透镜，大大减少了所需的准直器和/或汇聚透镜的数量，这样在进行激光发射单元和接收单元之间的光轴校准时，可以降低操作的复杂度，使得校准操作更加简单快捷。

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它的附图。

图1为本申请一实施例激光雷达系统示意图。

图2为本申请一实施例中光纤激光器的光纤头端面示意图。

图3为集成有光纤激光器和准直器的激光发射器示意图。

图4为本申请一实施例中APD光电探测器示意图。

图5为本申请一实施例中接收单元接收脉冲激光的示意图。

图6为本申请一实施例中激光雷达系统发射激光示意图。

图7为本申请一实施例中激光雷达系统扫描轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例旨在提供一种能够简单快捷地进行校准操作的激光雷达系统及其校准方法。

图1为本申请一实施例激光雷达系统示意图，参看图1，本实施例激光雷达系统100，包括：激光发射单元200、扫描单元300、接收单元400和控制单元500，控制单元500控制激光发射单元200发射激光，激光发射单元200发射的激光，经扫描单元300扫描后射出，以便经目标反射后，由接收单元400接收。

激光发射单元200，用于产生脉冲激光，并将脉冲激光准直后输出。其可包括光源和位于光源的光出射路径上的一个准直器，光源具有两个以上的激光输出通道，不同激光输出通道输出的激光束，均经过一个准直器准直后输出。每个激光束通过一根光纤输出，多个激光束对应的多根光纤连接到一个光纤输出接头上，该光纤头连接一个准直器实现多束光束的准直输出。

光源可以是半导体光源、光纤耦合的光源等多种类型的光源。就波长角度来讲，光源可以是波长为905nm、1550nm等波长的光源。在一个例子中，光源采用波长为1550nm的窄脉冲激光光纤激光器。

光源可发出两束以上的脉冲激光。光源发出两束以上的脉冲激光，分别通过不同的激光输出通道输出。

在一个例子中，光源包括一个发光源。一个发光源可发射一束脉冲激光。一束脉冲激光通过分束器件（如分束镜）分为两束以上的脉冲激光。经过分束后获得的两束以上的脉冲激光，分别通过不同的激光输出通道输出。

在另一个例子中，光源包括两个以上发光源。每个发光源可发射一束脉冲激光，相应地，两个以上的发光源可同时发射两束以上的脉冲激光。两个以上的发光源同时发射的两束以上的脉冲激光，分别通过不同的激光输出通道输出。

在光源包括两个以上发光源时，发光源之间的间距是特定排列的。在其中的一实施例中，发光源之间的间距是固定的，例如为100-300微米，排列成为一字型、三角形或者矩形等。

为了使激光雷达系统100具有较高的垂直分辨率（也可称为垂直角分辨率），激光发射单元200的两个以上的激光输出通道的出口，可在垂直方向（如竖直方向）上线性排列，这样便于扫描单元300在垂直方向上形成更多的扫描轨迹，以此增大激光雷达系统100的垂直分辨率。垂直分辨率是指垂直方向相邻光线的角分辨率，垂直分辨率小于或等于扫描夹角，图7中扫描形成的轨迹图的顶部和底部的垂直分辨率等于扫描夹角，中间部分的垂直分辨率由于2个通道轨迹的交错叠加会小于扫描夹角。

为使激光雷达系统100在具有较高垂直分辨率的同时，不至于过度增大光源在垂直方向上的尺寸，光源发射的两束以上的脉冲激光束，由准直器准直后以发散的方式输出时，使得准直器输出的不同光束之间在垂直方向上具有预设的光束夹角，光束夹角大于0.5度，小于5度。

相应地，扫描单元300在垂直方向上的扫描夹角，小于各光束夹角中最小的光束夹角。这样，扫描单元300扫描形成的扫描轨迹图的中间部分相对于顶部和底部部分，会具有更高的垂直分辨率。

扫描单元300在垂直方向上的扫描夹角可动态调整，以实现激光雷达系统100的垂直分辨率的动态调整。具体地，可通过控制单元500动态调整扫描单元300中每条线对应的振镜的振动幅度，来动态调整扫描单元300在垂直方向上的扫描线夹角，以此来动态调整激光雷达系统100的垂直分辨率。

扫描单元300，包括多面棱镜和振镜。多面棱镜用于实现水平方向的扫描，振镜用于实现垂直方向的扫描，多面棱镜和振镜的组合即可实现激光雷达系统100在水平和垂直方向的扫描探测。其中，振镜，可以是电机驱动的振镜，也可以是MEMS（微机电系统）驱动的振镜；棱镜，可以是具有2面、3面、4面、6面等多个反射面的棱镜。

接收单元400，包括光电探测器，光电探测器具有两个以上的像元，在两个以上的像元的光接收路径上设有一个汇聚透镜，以使两个以上的像元通过一个汇聚透镜接收目标反射回的光。其中，光电探测器可以是硅基、InGaAs等不同材料的光电探测器。可以是PIN光电探测器、APD（Aualanche Photo Diode）光电探测器（也可称为雪崩光电探测器）、盖革模式光电探测器等类型的光电探测器。从像元的数量及布置方式来讲，光电探测器可以是线列光电探测器，也可以是面阵光电探测器。光电探测器的每个像元的间距是特定排列的。在其中的一实施例中，光电探测器的像元的排列方式是线列排列或者面阵排列，每个像元的间距可以是固定等间距的，例如为500-1000微米。

为使激光雷达系统100的探测激光具有较高的准确度，激光发射单元200的发光源（或激光输出通道的端口）是线列或面阵排列时，对应接收单元400的光电探测器的像元也是线列或面阵排列，并且每个发光源（或激光输出通道）和每个像元一一对应。比如，激光发射单元200中光源的激光输出通道有两个，分别为L1和L2；光电探测器上的像元也有两个，分别为R1和R2，R1与L1相对应，R2和L2相对应。由L1通道射出、经过准直器准直后的激光束，经扫描单元300扫描后向目标射出，经目标反射后，由像元R1接收；由L2通道射出、经过准直器准直后的激光束，经扫描单元300扫描后向目标射出，经目标反射后，由像元R2接收。

接收单元400，还可包括信号调理电路，用于对光电探测器接收到的由目标反射并经汇聚透镜汇聚的脉冲回波进行处理，如进行去噪或信号增强处理等。经信号调理电路处理后的脉冲回波输出至控制单元500，由控制单元500根据脉冲回波滞后于发射脉冲的时间计算目标距离。

控制单元500，用于控制激光发射单元200发射脉冲激光，然后控制扫描单元300扫描实现对目标的扫描探测，最后通过读取接收单元400的回波信号并计算距离，实现激光雷达的点云显示。控制单元500还可用于计算目标返回的回波信号的强度信息。

激光雷达系统100开始工作时，控制单元500控制激光发射单元200发射脉冲激光，该脉冲激光经过振镜和多面棱镜反射后射向目标，经过目标反射后沿所述棱镜、所述振镜反射后由接收单元400的光电探测器接收并产生回波信号，回波信号经接收单元400的信号调理电路处理后输出至控制单元500，控制单元500根据脉冲回波滞后于发射脉冲的时间计算目标距离，同时控制单元500可实时获取振镜和棱镜的角度数据，经过解算可以获得目标的三维点云信息，通过振镜和棱镜的连续扫描，控制单元500可以实时解算目标的点云信息，最后发送至上位机实时显示目标的点云数据。

可通过改变发光源和准直器的位置，来进行激光发射单元200和接收单元400之间的光轴校准，以使激光发射单元200发出的激光束经扫描单元300扫描后向目标射出，经目标反射后，由接收单元400准确接收。具体地，可以发光源或准直器的光轴为转轴，对发光源和准直器做转动操作，或者对发光源和准直器做三维空间上的移动，以对激光发射单元200和接收单元400的光轴进行校准。

相对于对每束脉冲激光分别配置一个准直器而言，本实施例中，两束以上的脉冲激光，仅通过一个准直器准直输出，这样在进行激光发射单元200和接收单元400之间的光轴校准时，可以降低操作的复杂度，使得校准操作更加简单快捷。

为进一步简化校准操作，发光源和准直器可以作为一个整体进行位置调整。在一个例子中，准直器和发光源连接（或集成）在一起，以便可以将发光源和准直器作为一个整体进行位置调整。

除了可通过改变发光源和准直器的位置，来进行激光发射单元200和接收单元400之间的光轴校准之外，也可通过改变光电探测器和/或汇聚透镜的位置，来进行激光发射单元200和接收单元400之间的光轴校准。

在一个例子中，光电探测器能够相对汇聚透镜移动和/或转动，以对激光发射单元200和接收单元400的光轴进行校准，使得激光发射单元200发出的激光束经扫描单元300扫描后向目标射出，经目标反射后，由接收单元400准确接收。光电探测器相对汇聚透镜的移动，可以是三维空间上的移动（靠近或远离、左右移动、上下移动等）。光电探测器相对汇聚透镜的转动，可以是以汇聚透镜的光轴为转轴所做的转动。

在另一个例子中，光电探测器与汇聚透镜能够一起移动和/或转动，以对激光发射单元200和接收单元400的光轴进行校准，使得激光发射单元200发出的激光束经扫描单元300扫描后向目标射出，经目标反射后，由接收单元400准确接收。光电探测器与汇聚透镜的一起移动，也可以是三维空间上的移动（前移或后退、左右移动、上下移动等）。光电探测器与汇聚透镜的一起转动，也可以是以汇聚透镜的光轴为转轴所做的转动。

相对于对每个像元分别配置一个汇聚透镜而言，本实施例中，在两个以上的像元的光接收路径上仅存在一个汇聚透镜，这样在进行激光发射单元200和接收单元400之间的光轴校准时，可以降低操作的复杂度，使得校准操作更加简单快捷。

上述实施例中，可通过改变发光源和准直器的位置，以及通过改变光电探测器和/或汇聚透镜的位置，来进行激光发射单元200和接收单元400之间的光轴校准。本申请实施例不限于此，在另一些实施例中，可仅通过改变发光源和准直器的位置，来进行激光发射单元200和接收单元400之间的光轴校准。在这种情况下，光源发射的两束以上的脉冲激光，只需通过一个准直器准直输出；而光电探测器的两个以上的像元，即可共同配置一个汇聚透镜，也可分别配置各自的汇聚透镜。在又一些实施例中，可仅通过改变光电探测器和/或汇聚透镜的位置，来进行激光发射单元200和接收单元400之间的光轴校准。在这种情况下，光电探测器的两个以上的像元，只需共同配置一个汇聚透镜；而光源发射的两束以上的脉冲激光，既可通过一个准直器准直输出，也可分别通过不同的准直器准直输出。

下面以一具体实施例为例对本申请激光雷达系统做详细说明：

参看图1，本实施例激光雷达系统100包括：激光发射单元200、扫描单元300、接收单元400和控制单元500。

其中，激光发射单元200的光源采用波长为1550nm的窄脉冲激光光纤激光器。图2为本实施例中光纤激光器的光纤头端面示意图，参看图2，光纤激光器的光纤头201有两个激光输出通道202a和202b，两个激光输出通道202a和202b以特定的间距排列，例如固定的间距为100-300微米之间。

图3为集成有光纤激光器和准直器的激光发射器示意图，参看图3，通过光纤激光器的光纤头的两个激光输出通道202a和202b输出的激光，经过一个准直器输出后形成固定夹角的两束激光204a和204b。

集成有光纤激光器和准直器的激光发射器200固定在激光发射结构件（图中未示出）上，并可以沿激光发射器200的中心光轴调节旋转角度，保证发射的两束激光204a和204b可以被接收APD光电探测器的两个像元探测到。

两个激光输出通道202a和202b的中心间距，与接收单元400的APD光电探测器的两个像元的中心间距相匹配。

扫描单元300的振镜采用电机驱动，振镜的扫描方式、扫描角度范围及扫描频率由控制单元500控制；棱镜采用六面棱镜，每个面的扫描光学角度在90度以上。

接收单元400的光电探测器采用基于InGaAs的APD光电探测器。图4为本实施例中APD光电探测器示意图。图4中APD光电探测器401包括两个呈线性排列的像元402a和402b，两个像元402a和402b以特定的中心间距排列，例如两个像元的间距是固定的500-1000微米之间。

图5为本实施例中接收单元接收脉冲激光的示意图。参看图5，汇聚透镜（也可称为接收透镜）403将激光发射单元200的两束激光204a和204b经目标反射后的脉冲激光404a和404b分别汇聚至两个像元402b和402a上。

汇聚透镜403固定在接收结构件（图中未示出）上。汇聚透镜403位置不变，通过调节APD光电探测器401相对于汇聚透镜403的三个维度的位置，实现接收单元400的APD光电探测器的光轴和激光发射单元200的光轴的校准。

当APD光电探测器的两个像元402a和402b的中心连线与机器的水平方向有夹角时，激光发射单元200的两个激光输出通道202a和202b的中心连线与机器的水平方向也要有夹角，所述夹角应与APD光电探测器的两个像元402a和402b的中心连线与机器的水平方向的夹角相同。

控制单元500可以实时计算目标的距离信息和强度信息，并实时读取扫描单元300的棱镜和振镜的角度信息。

激光雷达系统100的激光发射单元200的两个激光输出通道202a和202b和接收单元400的两个像元402a和402b一一对应。

图6为本实施例中激光雷达系统发射激光示意图。图6中，激光雷达系统100的激光发射单元200发射的两束激光204a和204b，在垂直方向上线性排列。

图7为本实施例中激光雷达系统扫描轨迹示意图。如图7所示，激光雷达系统100的激光发射单元200发射的两束激光分别是光束204a和光束204b，两束激光204a和204b的光束夹角α是固定不变的，光束204b的光斑207沿水平方向扫描形成光束轨迹208，光束204a的光斑207沿水平方向扫描形成光束轨迹209；

图7中，光束夹角α大于垂直方向的扫描夹角β。由于光束夹角α大于垂直方向的扫描夹角β，图7中扫描形成的轨迹图的顶部和底部的垂直分辨率会低于中间部分的垂直分辨率。其中，扫描夹角β是指振镜扫描的相邻两条线的夹角，也是一束激光比如204a扫描形成的相邻两条光线的夹角。

上述各激光雷达系统实施例中，激光雷达系统100可以通过上位机发送指令，实时切换多种工作模式，实现水平视场角、垂直视场角、水平分辨率、垂直分辨率、刷新帧率的动态实时调整。

此外，在扫描单元300中，由于采用棱镜和振镜组合的扫描方式，并且激光发射单元200和接收单元400都通过扫描单元300发射和接收脉冲激光，因此可以使用较少的发光源和光电探测器就可以实现对目标的高密度点云显示。

再者，激光发射单元200、接收单元400和控制单元500，都可以固定安装在平台或支架上，只有棱镜和振镜可相对平台或支架转动，使得整个激光雷达系统100的寿命和可靠性大大提高。

本申请实施例还提供一种激光雷达系统的校准方法，可应用于前述任一实施例所述的激光雷达系统，所述校准方法，可包括：

将光源连同准直器一起转动，调整准直器输出的光束入射到扫描单元上的位置；和/或，

调整两个以上的像元相对汇聚透镜的位置，或将两个以上的像元与汇聚透镜一起转动或移动，以使经扫描单元扫描后射出的光束，经目标反射后，由接收单元准确接收。

本实施例的校准方法，可以应用于图1所示系统实施例中，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

为提高激光雷达系统的垂直分辨率，在一实施例中，准直器输出的不同光束之间在垂直方向上具有光束夹角，光束夹角大于0.5度，小于5度；所述校准方法还可包括：调整扫描单元在垂直方向上的扫描夹角，以使扫描夹角小于各光束夹角中最小的光束夹角。准直器输出的光束设置有固定夹角，通过调整准直器沿光轴的旋转方向，使得不同光束之间的夹角在垂直方向，调整好后用准直器的夹持件将准直器固定好。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，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。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：激光发射单元、扫描单元、接收单元和控制单元，所述控制单元控制所述激光发射单元发射激光，所述激光，经所述扫描单元扫描后射出，以便经目标反射后，由所述接收单元接收；其中，

所述激光发射单元，包括光源和位于所述光源的光出射路径上的一个准直器，所述光源具有两个以上的激光输出通道，不同激光输出通道输出的激光束，均经过所述一个准直器准直后以发散的方式输出；和/或，

所述接收单元，包括光电探测器，所述光电探测器具有两个以上的像元，在所述两个以上的像元的光接收路径上设有一个汇聚透镜，以使所述两个以上的像元通过一个汇聚透镜接收目标反射回的光。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光源与所述准直器连接在一起，且能够一起转动，以对所述激光发射单元和所述接收单元的光轴进行校准。

3.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光电探测器能够相对所述汇聚透镜移动和/或转动，以对所述激光发射单元和所述接收单元的光轴进行校准。

4.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光电探测器与所述汇聚透镜能够一起移动和/或转动，以对所述激光发射单元和所述接收单元的光轴进行校准。

5.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述光源发出的激光为脉冲激光；

所述两个以上的激光输出通道的出口，在垂直方向上线性排列。

6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其特征在于，所述准直器输出的不同光束之间在垂直方向上具有光束夹角；所述扫描单元在垂直方向上的扫描夹角，小于所述光束夹角中最小的夹角。

7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其特征在于，所述扫描单元在垂直方向上的扫描夹角可调。

8.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述像元的数量与所述激光输出通道的数量相同，所述两个以上的像元与所述两个以上的激光输出通道一一对应。

9.一种用于权利要求1至8任一项所述的激光雷达系统的校准方法，其特征在于，包括：

将所述光源连同所述准直器一起转动，调整所述准直器输出的光束入射到所述扫描单元上的位置；和/或，

调整所述两个以上的像元相对所述汇聚透镜的位置，或将所述两个以上的像元与所述汇聚透镜一起转动或移动，以使经所述扫描单元扫描后射出的光束，经目标反射后，由所述接收单元准确接收。

10.根据权利要求9所述的校准方法，其特征在于，所述准直器输出的不同光束之间在垂直方向上具有光束夹角；

所述校准方法还包括：调整所述扫描单元在垂直方向上的扫描夹角，以使所述扫描夹角小于所述光束夹角中最小的夹角。

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