一种激光雷达系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及激光雷达系统技术领域，尤其涉及一种激光雷达系统及其控制方法。

背景技术

激光雷达LiDAR(Light Detection And Ranging)是激光探测和测距系统的简称，通过发射并接收激光光束探测目标的三维结构、空间位置、表面反射率、运动状态等信息。激光雷达包含主控模块，光源驱动模块，激光源、收发光学系统、光束偏转装置，视窗片等，通常利用TOF (光的飞行时间法，Time Of Flight)进行测距。TOF激光雷达通过发射和接收激光脉冲，测量激光脉冲的飞行时间和回波信号的强度值，获得空间目标的距离、反射强度，速度等信息，形成具有一定属性的三维空间点云。TOF激光雷达通过测量激光光束的飞行时间、分析回波信号进行目标信息的感知。车载激光雷达常用的激光脉冲光源的波长有两种905nm和1550nm。905nm的激光源有边缘发射激光器和垂直腔面发射激光器两种，通常采用半导体工艺制造，在成本和集成度上占据优势。1550nm的光源通常采用光纤激光器，具有光束准直度好，光源亮度高，抗干扰能力强等优点，测距性能和人眼安全上优于905nm光源，更容易实现远距离探测。与光源对应的是光电探测器，905nm光源对应的光电探测器采用硅基工艺制造，技术成熟且成本，容易实现集成化。1550nm光源对应的光电探测器是铟镓砷探近红外探测器，成本高且在集成化程度方面不如硅基容易实现。采用1550nm光纤激光器作为激光雷达的发射光源，通常要采用一个转镜加一个振镜的组合，才能实现水平和垂直两个方向的二维扫描。

905nm激光器可以直接选用价格较低的硅材质，并且对应的探测器也可以选用硅基光电探测器，如APD、SiPM、SPAD等。但是，905nm波长的激光雷达不容易被晶状体和角膜吸收，容易对人眼视网膜带来危害。905nm激光雷达为了避免对人眼造成伤害，发射功率需先在在对人无害的范围内，因此905nm激光的探测距离也会收到限制。在1550nm波段，大部分光在到达视网膜之前就会被眼球的透明部分吸收，降低了对视网膜损失。所以，1550nm波长的光比905nm的光可发射更大功率。但是1550nm激光雷达无法采用常规的硅吸收，而需要用到更加昂贵的铟镓砷材质，因此在价格上较905nm激光雷达会贵出很多。

因此，有必要设计一种新的系统，解决探测距离和产品成本的问题，实现低成本和集成化的激光雷达探测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种激光雷达系统。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种激光雷达系统，包括：依序设置的处理模块、激光器、第一光学处理单元、光束偏转装置、探测目标、第二光学处理单元、光电探测器，所述处理模块，用于控制所述激光器的激光光束发射，接收所述光电探测器探测所得的回波信号，并进行处理；所述第一光学处理单元，用于对所述激光器发射的激光光束依序进行准直、分束、光学处理以及发散；所述光束偏转装置，用于采用发射后的激光光束对所述探测目标进行扫描；所述第一光学处理单元，用于对经过所述探测目标反射的激光光束依序进行一次过滤、接收、倍增处理以及二次过滤；光电探测器，用于探测二次过滤后的激光光束，形成回波信号。

其进一步技术方案为：所述第一光学处理单元包括依序连接的准直镜、分束器、发射光学系统、发散透镜；所述准直镜，用于所述激光器发射的激光光束的准直；所述分束器，用于准直后的激光光束的分束；所述发射光学系统，用于将分束后的激光光束的光学处理；所述发散透镜，用于光学处理后的激光光束的发散。

其进一步技术方案为：所述第二光学处理单元包括依序连接的第一滤波片、接收光学系统、倍频器、第二滤波片；所述第一滤波片，用于过滤所述探测目标反射的激光光束；所述接收光学系统，用于接收过滤后的激光光束；所述倍频器，用于将接收的激光光束的频率进行倍增处理；所述第二滤波片，用于处理倍增处理后的激光光束。

其进一步技术方案为：所述发射光学系统包括依序连接的透镜、反射镜以及光阑。

其进一步技术方案为：所述接收光学系统包括依序连接的透镜、反射镜以及光阑。

其进一步技术方案为：所述光电探测器包括硅基探测器。

其进一步技术方案为：所述分束器与所述发射光学系统之间还设置有透镜。

其进一步技术方案为：所述光束偏转装置包括双面转镜，三面转镜、四面转镜以及多面转镜中至少一种。

其进一步技术方案为：所述第一滤波片以及所述第二滤波片分别为窄带滤波片。

另外，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，还提供一种上述的激光雷达系统的控制方法，包括：

处理模块控制所述激光器的激光光束的发射；

第一光学处理单元对所述激光器发射的激光光束依序进行准直、分束、光学处理以及发散；

光束偏转装置发射后的激光光束的扫描，并投在探测目标上；

第一光学处理单元对进过所述探测目标反射的激光光束依序进行一次过滤、接收、倍增处理以及二次过滤；

光电探测器，用于探测二次过滤后的激光光束，形成回波信号；

处理模块接收光电探测器探测所得的回波信号，并进行处理。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过依序设置的处理模块、激光器、第一光学处理单元、光束偏转装置、探测目标、第二光学处理单元、光电探测器，光束偏转装置采用转镜的形式，舍弃了振镜，通过分束器，实现特定视场角的二维扫描，通过倍频器，将回波信号的波长降到硅基探测器的响应范围内，解决探测距离和产品成本的问题，实现低成本和集成化的激光雷达探测。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的示意性框图；

图2为本发明实施例提供的分束器的分束方式示意图一；

图3为本发明实施例提供的分束器的分束方式示意图二；

图4为本发明实施例提供的分束器的分束方式示意图三；

图5为本发明实施例提供的分束器的分束方式示意图四；

图6为本发明实施例提供的发射光学系统将分束后的激光光束平行处理的示意图；

图7为本发明实施例提供的发散透镜的设置原理示意图一；

图8为本发明实施例提供的发散透镜的设置原理示意图二；

图9为本发明实施例提供的双面转镜的示意图；

图10为本发明实施例提供的三面转镜的示意图；

图11为本发明实施例提供的四面转镜的示意图；

图12为本发明实施例提供的多面转镜的示意图；

图13为本发明实施例提供的第一滤波片以及第二滤波片的透过率示意图；

图14为本发明实施例提供的倍频器的工作示意图；

图15为本发明另一实施例提供的一种激光雷达系统的示意性框图；

图中标识说明：

10、处理模块；20、窗口片；30、激光器；40、准直镜；50、分束器；60、发射光学系统；70、发散透镜；80、光束偏转装置；90、探测目标；100、第一滤波片；110、接收光学系统；120、倍频器；130、第二滤波片；140、光电探测器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和 “包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的示意性框图，该系统可以运用在需要激光雷达处理的场景中，采用1550nm光源的全新激光雷达系统，光束偏转装置80采用转镜的形式，舍弃了振镜，通过分束器50，实现特定视场角（Field of View，FOV）的二维扫描，通过倍频器120，将回波信号的波长降到硅基探测器的响应范围内。相对于现有技术而言，系统结构简单、探测器可以选用硅基探测器，更容易实现低成本和集成化。

请参阅图1，上述的一种激光雷达系统，包括：依序设置的处理模块10、激光器30、第一光学处理单元、光束偏转装置80、探测目标90、第二光学处理单元、光电探测器140，处理模块10，用于控制激光器30的激光光束发射，接收光电探测器140探测所得的回波信号，并进行处理；第一光学处理单元，用于对激光器30发射的激光光束依序进行准直、分束、光学处理以及发散；光束偏转装置80，用于采用发射后的激光光束对探测目标90进行扫描；第一光学处理单元，用于对经过探测目标90反射的激光光束依序进行一次过滤、接收、倍增处理以及二次过滤；光电探测器140，用于探测二次过滤后的激光光束，形成回波信号。

本实施例的系统采用1550nm光源的全新激光雷达系统，光束偏转装置80采用转镜的形式，舍弃了振镜，通过分束器50，实现特定视场角（Field of View，FOV）的二维扫描，通过倍频器120，将回波信号的波长降到硅基探测器的响应范围内。系统结构简单、探测器可以选用硅基探测器，更容易实现低成本和集成化。

这种激光雷达系统的好处包括：

高精度探测：通过激光雷达系统中的光学处理单元和光束偏转装置80，可以实现对目标的高精度扫描和探测，提高了目标检测的准确性和可靠性。

高速扫描：光束偏转装置80可以实现快速的激光光束扫描，使得激光雷达系统能够在较短的时间内完成对大范围区域的扫描，适用于需要快速响应的场景。

光学处理优化：第一和第二光学处理单元对激光光束进行准直、分束、过滤等处理，能够优化光束的性能，提高了系统的灵敏度和分辨率。

数据处理和增强：处理模块10负责控制激光器30的发射和接收回波信号，并进行相应的数据处理，有助于提取目标信息并增强探测信号，提高了系统的性能。

总的来说，这种激光雷达系统结构完善，功能齐全，能够实现高精度、高速度的目标探测和数据处理，适用于需要高性能激光雷达技术支持的各种应用场景。

在一实施例中，请参阅图1，上述的第一光学处理单元包括依序连接的准直镜40、分束器50、发射光学系统60、发散透镜70；准直镜40，用于激光器30发射的激光光束的准直；分束器50，用于准直后的激光光束的分束；发射光学系统60，用于将分束后的激光光束的光学处理；发散透镜70，用于光学处理后的激光光束的发散。

在一实施例中，请参阅图1，上述的第二光学处理单元包括依序连接的第一滤波片100、接收光学系统110、倍频器120、第二滤波片130；第一滤波片100，用于过滤探测目标90反射的激光光束；接收光学系统110，用于接收过滤后的激光光束；倍频器120，用于将接收的激光光束的频率进行倍增处理；第二滤波片130，用于处理倍增处理后的激光光束。

具体地，处理模块10控制激光器30的激光发射、光电探测器140接收和回波信号的处理。激光器30用于发射波长为λ的激光脉冲，如1550nm光纤激光器30。准直镜40用于激光器30发射的激光光束的准直。分束器50用于激光光束的分束，把单束激光分成多束激光。发射光学系统60用于激光脉冲的发射光路。发散透镜70用于激光光束的发散，可以把平行光束变成发散光束，以实现某个方向的视场覆盖，比如垂直方向25°的视场覆盖。光束偏转装置80用于实现某一方向的光束扫描，比如实现水平方向的120°视场范围的扫描。发散透镜70和光束偏转装置80的联合作用，可以实现一定视场范围（FOV）的扫描，比如120°*25°。探测目标90为视场范围内的被探测物体。第一滤波片100的作用是实现激光器30发射的λ波长的激光脉冲的带通，只允许激光器30发射的λ波长的激光脉冲通过，对其他波长的光进行过滤。接收光学系统110是接收的激光脉冲的光路，可以包含透镜、反射镜、光阑等。倍频器120可以将激光的频率增加一倍，用于将发射激光器30λ波长的激光变成λ/2波长的激光，比如，将1550nm的激光变成775nm的激光，增加倍频器120装置，可以使激光雷达选用对人眼安全更友好的波长更长的激光器30，发射激光脉冲的功率可以更高，使得激光雷达系统能够探测更远的距离。第二滤波片130用于实现λ/2的带通，阻止其他波长的光通过。光电探测器140用于λ/2波长激光脉冲的探测。举个例子，如果激光器30选用的是1500nm～2000nm波长的激光，那么探测器可选用750nm～1000nm的硅基探测器，硅基探测器的成本，相较于波长更长的铟镓砷探测器（工作在0.8μm～2.6μm），性能更高，成本更低。通过第一滤波片100和第二滤波片130，可以把背景噪声降到一个很低水平，提升光电探测器140的信噪比，进而可以提升探测精度。

在一实施例中，上述的发射光学系统60包括依序连接的透镜、反射镜以及光阑。

在一实施例中，上述的接收光学系统110包括依序连接的透镜、反射镜以及光阑。

综上所述，发射光学系统60的工作原理：

激光器30：通过发射波长为λ的激光脉冲，如1550nm光纤激光器30，产生激光束。

准直镜40：将激光束进行准直，使其成为平行光束。

分束器50：将单束激光分成多束激光，可用于增加扫描范围或多目标探测。

发散透镜70：将平行光束变成发散光束，实现特定方向的视场覆盖，例如垂直方向25°的视场。

光束偏转装置80：实现光束在某一方向的扫描，如水平方向的120°视场范围。

发射光学系统60的好处：

扫描范围广：通过光束偏转装置80的扫描，可以实现较大的视场范围，提高目标探测能力。

视场覆盖灵活：通过发散透镜70和光束偏转装置80的联合作用，可以实现特定方向的视场覆盖，满足不同应用需求。

高功率激光器30：通过增加倍频器120装置，可以将发射激光器30的波长变成λ/2波长的激光，提高激光雷达系统的探测距离。

接收光学系统110的工作原理：

第一滤波片100：实现激光脉冲的带通，只允许激光器30发射的λ波长的激光脉冲通过，对其他波长的光进行过滤。

透镜、反射镜和光阑：接收激光脉冲并将其聚焦到光电探测器140上，同时限制背景光的进入。

接收光学系统110的好处：

降低背景噪声：通过第一滤波片100和光阑的组合，可以将背景噪声降到较低水平，提高光电探测器140的信噪比。

提高探测精度：降低背景噪声和提高信噪比可以提高光电探测器140的探测精度，准确地检测目标物体。

总体来说，上述光学系统的设计和组合可以提高激光雷达系统的性能和可靠性，实现较大视场范围的目标探测，并通过滤波和聚焦等手段提高信号质量和精度。

在一实施例中，上述的光电探测器140包括硅基探测器。

在本实施例中，请参阅图2至图5，对于激光光束的分束方式而言，光纤激光器30发出的激光，经过准直透镜进行准直，以减少激光光束的发散角，准直透镜可以是单片透镜，也可以是透镜组。单束激光光束经分束器50后，光束可以分为2、3、4、…、N束激光束，分束器50可以实现1*N的一维分束，在某些实施例中，可以实现M*N的二维分束效果，分束的多少可以根据实际系统需求进行设定。在一些实施例中，为了实现更多的扫描线数，光纤激光器30能不止1个，例如，可以是K个，能够实现K*N线激光雷达的扫描效果。在某些实施例中，激光器30可以是其他类型的激光器30，比如说半导体激光器30，激光器30的数量可是多个，以一维或者二维阵列的形式进行排列，对于激光器30的数量和排列形式，没有特殊的要求。

在一实施例中，请参阅图6，分束器50与发射光学系统60之间还设置有透镜。在某些实施例中，经过分束器50后的激光光束，会增加一个透镜，用于将经分束器50分束后的激光束处理成平行光，然后经发射光学系统60到达发散透镜70。也就是该透镜为平行透镜；在某些实施列中，用于分光后的激光光束平行的透镜可以是单个透镜，也可以是多个透镜组成的透镜组。增加的平行透镜，可以放置在发射光学系统60中，也可以集成在分束器50中，还可以单独设置。在某些实施例中，激光器30可以是其他类型的激光器30，比如说半导体激光器30。分束后，最上方光束和最下方光束的宽度，可以通过调节透镜及透镜与分束器50的距离来调节。

在一实施例中，请参阅图7和图8，发散透镜70用于将激光光束进行发散，以实现某一反向的视场范围，比如垂直方向视场范围（Vertical Field of View， V-FOV）比如从﹣15°到15°范围30°的视场角。发散透镜70可以设置为如图7所示的均匀发散透镜70或如图8所示的非均匀发散透镜70。当使用均匀发散透镜70时，出射光线的光束之间呈均匀分布的状态，生成的点云图像在该方向上均匀分布。当使用非均匀发散透镜70时，可以实现出射光线的光束呈不同的疏密分布，可以实现中心区域较密，边缘区域较疏的分布，从而在最终生成的点云图像中，实现感兴趣区域（Range of Interesting， ROI）区域的更高的分辨率。发散透镜70可以是一个透镜，也可以是一组透镜，可以单独设置，也可以集成到发射光学系统60中。

在一实施例中，请参阅图9至图12，上述的光束偏转装置80包括双面转镜，三面转镜、四面转镜以及多面转镜中至少一种。光束偏转装置80用来实现激光束的偏转。光束偏转装置80的扫描方向和发散透镜70的发散方向垂直，比如，发散透镜70可以实现垂直方向的发散，光束偏转装置80则是进行水平方向的扫描，二者共同作用，可以是实现一定的视场范围的扫描，比如120°*25°的视场范围，水平方向是120°，垂直方向是25°。

在一实施例中，请参阅图13，上述的第一滤波片100以及第二滤波片130分别为窄带滤波片。

第一级窄带滤波片透光的中心波长是λ，仅允许在中心波长附近一定范围内的光通过，第二级滤波片的中心波长是λ/2，仅允许在中心波长附近一定范围内的光线通过，两级窄带滤波片可以滤除几乎全部的背景干扰光。比如，第一级窄带滤波片的中心波长是1550nm，那么第二级窄带滤波片的中心波长是775nm。光线经过第一级窄带滤波片可以滤除除1550nm±∆λ1以外的其他波长光线，2*∆λ1为第一滤波片100的带宽，此时775nm的光线会被滤除，在经过77nm的第二级窄带滤波片，可以滤除除775nm±∆λ2以外的其他光线，2*∆λ2为第二滤波片130的带宽，此时，1550nm的光线会被滤除。最终到达探测器上的光线，几乎全部是775nm附近的光线。

在一实施例中，请参阅图14，在经过一次过滤和光学接收之后的激光光束，也就是波长为λ的激光脉冲，会经过倍频器120，激光频率会增加，相应的波长会变为原来的二分之一，也就是λ/2。比如，1550nm的激光脉冲，因为人眼安全更友好，可以发射更高的功率，实现更远的探测距离，在回波接收的时候，激光脉冲经过倍频器120，波长变为原来的一半，也就是775nm，在探测器选型上，可以选用对775nm有较好响应效果的硅基探测器。

对于整个激光雷达系统，其工作方法为：启动激光雷达后，激光雷达首先进行整机状态检查，整机工作状态正常后，处理模块10控制激光器30发射激光脉冲，激光脉冲经准直镜40进行准直，以降低激光脉冲发散角。经准直的激光脉冲经过分束器50分束后，分束成多束激光脉冲。多束激光脉冲经过发射光学系统60和发散透镜70后，变成具有在某一方向上有一定视场角的发散的多束激光脉冲，光束偏转装置80在控制和信号处理模块10的控制下，丢发散的多束激光脉冲进行偏转，形成在一定FOV范围内的扫描效果。激光脉冲到达探测目标90后，被探测目标90反射，回波激光信号经第一滤波片100，滤除干扰光线，在经过接收光学系统110，到达倍频器120，在倍频器120的作用下，回波激光脉冲的波长变为原来的二分之一，再经过第二滤波片130，进一步滤除干扰光线。然后，回波激光脉冲达到探测器，被探测器检测到，检测到的信号经控制和信号处理模块10的进一步处理后，获取目标的距离、反射强度等信号，最终形成点云数据，被控制和信号处理模块10发送给上位机。

这种激光雷达系统的工作方法具有以下好处：

高分辨率：通过发射多束激光脉冲并进行扫描，可以获取更多的目标信息，从而实现高精度的目标检测和距离测量。

宽视场范围：通过发散透镜70和光束偏转装置80的联合作用，可以实现特定方向上的视场覆盖，提供宽广的扫描范围，有效增加目标探测能力。

低背景噪声：通过滤波器和光阑等装置的组合使用，可以滤除干扰光线和背景噪声，提高回波信号的信噪比，从而提高探测器的灵敏度和可靠性。

高精度测距：通过倍频器120对回波激光脉冲进行处理，可以将其波长缩短一半，从而提高测距的精确度和分辨率。

快速数据处理：控制和信号处理模块10负责对回波信号进行实时处理和分析，快速获取目标的距离、反射强度等信息，并生成点云数据，以便后续应用和处理。

总体而言，这种工作方法的激光雷达系统具有高分辨率、宽视场范围、低背景噪声、高精度测距和快速数据处理等优点，适用于各种目标检测、遥感、自动驾驶等领域。

在另一实施例中，请参阅图15，在光束偏置装置与探测目标90之间还设置有窗口片20，窗口片20还可具备加热功能，窗口片20还会做耐腐蚀、耐氧化、抗碎石冲击等处理。

在光束偏转装置80与探测目标90之间设置窗口片20的目的是为了防止外界杂质进入激光雷达系统，同时保护内部光学元件不受污染和机械损坏。而加热功能可以通过保持窗口片20表面温度，防止冰雪或雾气等物质的积聚，从而有效提高激光雷达系统的可靠性。

耐腐蚀、耐氧化、抗碎石冲击等处理，则是为了增强窗口片20的耐用性和稳定性，使其更能适应复杂恶劣的环境条件下的工作。例如，在一些海洋环境下，窗口片20可能会接触到腐蚀性的海水和氧化气体，因此需要具备耐腐蚀和耐氧化的特性；而在一些野外或山区环境下，窗口片20可能会碰到碎石和其他物体的冲击，因此需要具备抗碎石冲击的特性。

总体而言，窗口片20的设置和加热功能以及耐腐蚀、耐氧化、抗碎石冲击等处理的目的是为了保障激光雷达系统的工作稳定性和可靠性，使其能够在各种恶劣环境下长期稳定地工作，为实现目标检测、测绘、自动驾驶等应用提供保障。

上述的激光雷达系统，通过依序设置的处理模块10、激光器30、第一光学处理单元、光束偏转装置80、探测目标90、第二光学处理单元、光电探测器140，光束偏转装置80采用转镜的形式，舍弃了振镜，通过分束器50，实现特定视场角的二维扫描，通过倍频器120，将回波信号的波长降到硅基探测器的响应范围内，解决探测距离和产品成本的问题，实现低成本和集成化的激光雷达探测。

在一实施例中，还提供了一种上述的激光雷达系统的控制方法，包括：

处理模块10控制激光器30的激光光束的发射；

第一光学处理单元对激光器30发射的激光光束依序进行准直、分束、光学处理以及发散；

光束偏转装置80发射后的激光光束的扫描，并投在探测目标90上；

第一光学处理单元对进过探测目标90反射的激光光束依序进行一次过滤、接收、倍增处理以及二次过滤；

光电探测器140，用于探测二次过滤后的激光光束，形成回波信号；

处理模块10接收光电探测器140探测所得的回波信号，并进行处理。

需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述一种激光雷达系统的控制方法的具体实现过程，可以参考前述系统实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。

以上所述，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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。