CN208000376U - 一种车载激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种车载激光雷达。该车载激光雷达包括：激光光源，用于产生激光信号；光纤分束器，与激光光源通过光纤连接，用于将激光光源产生的激光信号分为至少两束；至少两个雷达组件，每个雷达组件包括：MEMS扫描镜，与光纤分束器通过光纤连接，用于在预设角度范围内调节激光信号的发射角度；发射光学系统，用于对各个目标方向发射的激光信号进行准直；接收光学系统，用于接收由目标物体反射回来的光信号并将回光信号聚焦到探测器上；探测器，用于将光信号转换成电信号；信号处理系统，用于根据回光信号基于飞行时间法确定目标方向上的目标物距离。上述技术方案，实现简化车载激光雷达的安装构件的同时，保证车载雷达的探测精度。

Description

一种车载激光雷达

技术领域

本实用新型实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种车载激光雷达。

背景技术

近年来电子电器技术发展突飞猛进，相应地，其在汽车工业领域的应用也日益广泛，同时，随着消费者对汽车安全性的关注越来越深入，诸如倒车雷达这种增强主动安全的电子产品已经日渐成为许多新车型的标准配置。通常情况下，以在汽车的前后保险杠上安装倒车雷达最为常见，在后保险杠上安装倒车雷达时，为了保证雷达稳定的工作，在许多车型上往往会选择在保险杠上安装支架，然后将雷达固定到支架上。然而，当需要安装雷达数目较多时，比如前四后四雷达，安装结构复杂，安装过程繁琐，不利于节约成本。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种车载激光雷达，实现简化车载激光雷达的安装构件的同时，保证车载雷达的探测精度。

本实用新型实施例提供了一种车载激光雷达，包括：

激光光源，用于产生激光信号；

光纤分束器，与所述激光光源通过光纤连接，用于将激光光源产生的激光信号分为至少两束；

至少两个雷达组件，每个雷达组件包括：

MEMS扫描镜，与所述光纤分束器通过光纤连接，用于在预设角度范围内调节所述激光信号的发射角度；

发射光学系统，用于对各个目标方向发射的激光信号进行准直；

接收光学系统，用于接收由目标物体反射回来的光信号并将回光信号聚焦到探测器上；

探测器，用于将接收的光信号转换成电信号；

所述车载激光雷达还包括：

信号处理系统，基于飞行时间法计算出目标方向上的目标物的距离。

进一步的，所述MEMS扫描镜包括单轴MEMS扫描镜。

进一步的，所述激光光源包括光纤激光器。

进一步的，所述光纤激光器发出的激光信号的波长为1550纳米。

进一步的，当所述车载激光雷达为同轴光路时，所述雷达组件还包括：

至少两个光纤环形器，连接在所述光纤分束器与所述MEMS扫描镜之间：

所述光纤环形器包括：

输入端口，用于输入由所述光纤分束器分束后的激光信号；

输出端口，用于输出所述激光信号；所述输出端口还用于接收回光信号；

回波传送端口，与所述信号处理系统连接，用于将所述输出端口接收到的回光信号传送到线阵光电探测器。

进一步的，所述激光光源设置于车顶、车引擎盖、车后备箱盖以及车内中的任意一处。

进一步的，所述车载激光雷达包括8个雷达组件，所述雷达组件的安装位置为：四个车门部位、两个前车灯部位以及两个车尾灯部位。

进一步的，在所述激光光源与所述光纤分束器之间增加一个或多个放大器。

本实用新型实施例所提供的车载激光雷达，激光光源，用于产生激光信号；光纤分束器，与所述激光光源通过光纤连接，用于将激光光源产生的激光信号分为至少两束；至少两个雷达组件，每个雷达组件包括：MEMS扫描镜，与所述光纤分束器通过光纤连接，用于在预设角度范围内调节所述激光信号的发射角度；发射光学系统，用于对各个目标方向发射的激光信号进行准直；接收光学系统，用于接收由目标物体反射回来的光信号并将回光信号聚焦到探测器上；探测器，用于将接收的光信号转换成电信号；还包括：信号处理系统，基于飞行时间法计算出目标方向上的目标物的距离。通过采用本实用新型所提供的技术方案，实现简化车载激光雷达的安装构件的同时，保证车载雷达的探测精度。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的车载激光雷达结构框图；

图2是本优选实施例提供的一种车载激光雷达布设示意图；

图3是本优选实施例提供的一种车载激光雷结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例

图1是本实用新型实施例提供的车载激光雷达结构框图，本实施例可适用雷达探测情况，该车载激光雷达可以由软件和/或硬件的方式来实现。

如图1所示，所述车载激光雷达包括：

激光光源110，用于产生激光信号；

光纤分束器120，与所述激光光源110通过光纤连接，用于将激光光源产生的激光信号分为至少两束；

至少两个雷达组件130，每个雷达组件130包括：

MEMS扫描镜1301，与所述光纤分束器120通过光纤连接，用于在预设角度范围内调节所述激光信号的发射角度；

发射光学系统1302，用于将所述MEMS扫描镜1301调节后的所述激光信号进行准直，得到向目标方向发射的激光信号；

接收光学系统1303，用于接收由目标物体反射回来的光信号并将回光信号聚焦到探测器上；

探测器1304，用于将回光信号转换成电信号；

信号处理系统140，与所述接收光学系统连接，用于根据所述回光信号确定目标方向上的目标物距离。

其中，激光光源110可以是能够在控制信号的驱动下，产生光脉冲信号的光源，例如可以是气体激光器、固体激光器或者激光二极管等。在本实施例中，优选的，激光光源110可以是光纤激光器，由于光纤激光器在雷达探测技术领域具有体积小，可控性强等优点。

光纤分束器120，与所述激光光源110通过光纤连接，用于将激光光源产生的激光信号分为至少两束。通过在车载激光雷达系统中设置光纤分束器，可以在一个激光光源或者数量较少的激光光源时，实现支持多个车载激光雷达组件的运行，为每个车载激光雷达的雷达组件提供相同的激光信号，从而简化车载激光雷达的构件，降低成本，同时提高车载激光雷达的可维护性。

在本实施例中，优选的，所有的光纤固定在车辆的构件上，这样设置的好处是安装方便，系统稳定，可以避免光纤的不固定对雷达信号识别过程中造成的误差。

MEMS扫描镜1301(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)可以是单轴MEMS扫描镜，也可以是双轴MEMS扫描镜，在本实施例中，优选的，所述MEMS扫描镜1301包括单轴MEMS扫描镜。由于双轴MEMS扫描镜的结构及工艺复杂，且扫描角度一般在40°左右，相对于双轴MEMS扫描镜，单轴MEMS扫描镜结构简单，体积较小，控制方便，并且其扫描角度一般会在80°左右，甚至更大。

通过使用MEMS扫描镜，可以将其安装在车载激光雷达的电路板上，并通过驱动电路控制器转动的方向，固定方向的雷达探测方法相比，MEMS扫描镜工作过程中可以使每个雷达组件的探测范围增大，达到360°测量的效果，并且结构稳定性强，没有机械磨损，可以避免机械磨损以及机械转动过程中对探测精度的影响，可以提高车载激光雷达的探测准确性和稳定性。

发射光学系统1302和接收光学系统1303，可以根据车载激光雷达的设计需要采用同轴光路和离轴光路，其中，同轴光路可以是由相同的光学组件即承担发射激光信号又承担接收回光信号的特点，比如可以利用一组光学透镜，即用于对发射的激光信号的准直，又负责对接收到的回光信号的汇聚。离轴光路则是分别设置光学组件，分别承担发射和接收的任务。

其中，如果激光光源所发射的激光信号的波长在可见光波长范围内，或者其频率在可见光频率范围内时，可以在接收光学系统中加入滤光片，滤光片可以将自然光中其他频率的可见光滤掉，从而提高信噪比，增加回光信号识别及处理过程中的准确性。

探测器1304，用于将回光信号转换成电信号。其中，所述探测器具体的可以是线阵光电探测器。

信号处理系统140，与探测器1304相连，根据所述回光信号确定目标方向上的目标物距离。具体的，信号处理系统140可以根据车载激光雷达的信号处理类型进行回光信号的处理，比如车载激光雷达为时间飞行法，则信号处理系统140可以根据激光信号的发出时间和回光信号的接收时间来确定激光信号的在雷达与目标物之间的往返传播时间，再根据激光信号的传播速度确定目标物与车载激光雷达之间的距离，还可以是根据相位测距法来对目标物的距离进行测定。

除此之外，车载激光雷达还需要设置控制系统、壳体以及车载激光雷达内部的支撑部件，具体的设置方式可以依据需要来进行设置，此处不再赘述。

本实用新型实施例所提供的车载激光雷达，包括激光光源，用于产生激光信号。光纤分束器，与所述激光光源通过光纤连接，用于将激光光源产生的激光信号分为至少两束。至少两个雷达组件，每个雷达组件包括：MEMS扫描镜，与所述光纤分束器通过光纤连接，用于在预设角度范围内调节所述激光信号的发射角度；发射光学系统，用于将所述MEMS扫描镜调节后的所述激光信号进行准直，得到向目标方向发射的激光信号；接收光学系统，接收由目标物体反射回来的光信号并将回光信号聚焦到探测器上；探测器，将回光信号转换成电信号；还包括：信号处理系统，与探测器相连接，用于根据所述回光信号确定目标方向上的目标物距离。通过采用本实用新型所提供的技术方案，实现简化车载激光雷达的安装构件的同时，保证车载雷达的探测精度。

在上述技术方案的基础上，优选的，所述光纤激光器发出的激光信号的波长为1550纳米。这样设置的好处是人眼对于1550纳米波长的光是不透明的，该波长的光无法透射到视网膜上，因此可以采用高功率的激光而不会对人眼造成伤害，实现长距离的探测，例如对反射率低于10％的物体，探测距离可达200米。

在上述技术方案的基础上，优选的，当所述车载激光雷达为同轴光路时，所述雷达组件还包括：至少两个光纤环形器，连接在所述光纤分束器与所述MEMS扫描镜之间：所述光纤环形器包括：输入端口，用于输入由所述光纤分束器分束后的激光信号；输出端口，用于输出所述激光信号；所述输出端口还用于接收回光信号；回波传送端口，与所述信号处理系统连接，用于将所述输出端口接收到的回光信号传送到线阵光电探测器。设置光纤环形器的好处是可以在同轴光路的车载激光雷达中，实现对发送的激光信号和接收的回光信号进行双向传输的效果，节省车载激光雷达的内部组件，可以实现缩小车载激光雷达的体积，简化车载激光雷达的内部设置，同时还适用于离轴光路的车载激光雷达，可以提高本实用新型实施例所提供的技术方案的适用范围。

在上述技术方案的基础上，优选的，所述激光光源设置于车顶、车引擎盖、车后备箱盖以及车内中的任意一处。这样设置的好处是可以充分利用车内空间，以及便于布置光纤，简化车载激光雷达的拆装流程。

在上述技术方案的基础上，优选的，所述车载激光雷达包括8个雷达组件，所述雷达组件的安装位置为：四个车门部位、两个前车灯部位以及两个车尾灯部位。这样设置的好处是可以在车辆行驶过程中，为驾驶人员提供360°的环境信息，提高信息的获取范围，保证车辆的行驶安全。

在上述技术方案的基础上，优选的，在所述激光光源与所述光纤分束器之间增加一个或多个放大器。这样设置的好处是可以增强每个雷达组件所得到的激光信号的能量，从而提高回光信号的能量，提高信噪比，有利于车载激光雷达对周围环境的探测。

优选实施例

图2是本优选实施例提供的一种车载激光雷达布设示意图。如图2所示：

车载激光雷达包括一个光纤激光器101，8个基于MEMS扫描镜的雷达组件(102、103、104、105、106、107、108和109)，通过控制单轴MEMS扫描镜(图中未示出)水平转动，雷达组件102、103、104、105、106、107、108和109均可实现二维扫描。

图3是本优选实施例提供的一种车载激光雷结构示意图。如图3所示：

其中201为光纤激光器，202为光纤分束器，203、204和205为基于MEMS扫描镜的激光雷达，206为控制及信号处理系统，207为电源。光纤激光器201发射的光波长为1550纳米，人眼对于1550纳米波长的光是不透明的，该波长的光无法透射到视网膜上，因此可以采用高功率的激光而不会对人眼造成伤害，实现长距离的探测，例如对反射率低于10％的物体，探测距离可达200米。

毫米波雷达可以发现路边障碍，因其角度分辨率较大，只能“看到”模糊形体，而本专利中使用的激光雷达精度可达厘米级，角度分辨率一般为零点几度，且可以在极短时间内清楚区分出障碍是路肩还是斜坡，若自动驾驶汽车断定是斜坡后，就可以做出安全开上车道的决策。这种精度对上路行驶的全自动驾驶汽车而言，可以更加接近100％安全。

摄像头和本专利中使用的激光雷达都可用于进行车道检测，但本专利中使用的激光雷达还可用于路牙检测，可以对物体的运动状态做出判断。不受光线影响，本专利中使用的激光雷达可全天候进行探测，且其探测效果不因白天或黑夜而有所影响，这也是目前许多全自动驾驶车中采用的摄像头所达不到的功能。

测速范围大，本专利中使用的激光雷达可成功扫描出相对速度高达每小时200公里障碍物的轮廓，也就是说，该激光雷达并不局限在市区或低速应用情境，高速移动下的情境也可被应用，此对车辆增加移动速度后之安全系统设计有显著的帮助，系统应用上更具有弹性。

图2和图3可知，完整的车载激光雷达系统方案包括一个光纤激光器、一个光纤分束器、8个基于MEMS扫描镜的雷达组件、一个控制及信号处理系统及一个电源。

光纤激光器发射光波长为1550纳米，为8个雷达组建提供光源；光纤分束器将一束激光分成8束激光；基于MEMS扫描镜的雷达组件用于发射激光信号，探测目标的位置、速度等特征量；控制及信号处理系统主要用于控制光纤激光器的打开/关闭、车载激光雷达内各部件的工作状态并对接收的信号进行处理及融合，生成精确的三维地图，对周围的环境特征进行再还原；电源为光纤激光器、控制及信号处理系统及8个激光雷达供电。

由控制及信号处理系统控制光纤激光器出光，激光信号由光纤传输到光纤分束器，激光信号经光纤分束器的某一通道传输到相应的雷达组件，控制及信号处理系统控制MEMS扫描镜的转动实现激光雷达二维扫描，扫描光束遇到目标物体后被反射回来，回光信号被接收系统聚焦到探测器上，探测器将光信号转换为电信号，并传输至控制及信号处理系统对其处理得到物体的位置信息。对8个激光雷达的回光信号进行处理并融合，即可生成汽车周围环境的三维点云图。

本技术方案使用的激光雷达通过时间飞行法(Time of Flight，TOF)计算激光信号的时间差来确定被测物体的位置信息。

本实用新型实施例中使用8个基于MEMS扫描镜的雷达组件实现对汽车周围环境的360度全覆盖。首先，汽车车头的两个车灯内均安装了一个基于MEMS扫描镜的激光雷达，安装位置高于地面40cm，该激光雷达为长距激光雷达，主要用于车辆前方路面及环境信息的采集，确保与前方车辆或行人保持在安全距离范围内，及在紧急情况下刹车制动。其次，汽车的四个车门部位各安装了一个基于MEMS扫描镜的激光雷达，主要用于变道或转弯时的侧面碰撞预警。最后，汽车的车尾的两个车灯内分别安装一个基于MEMS扫描镜的激光雷达，主要用于后方交通预警及倒车防碰撞。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种车载激光雷达，其特征在于，包括：

激光光源，用于产生激光信号；

光纤分束器，与所述激光光源通过光纤连接，用于将激光光源产生的激光信号分为至少两束；

至少两个雷达组件，每个雷达组件包括：

MEMS扫描镜，与所述光纤分束器通过光纤连接，用于在预设角度范围内调节所述激光信号的发射角度；

发射光学系统，用于对各个目标方向发射的激光信号进行准直；

接收光学系统，用于接收由目标物体反射回来的光信号并将回光信号聚焦到探测器上；

探测器，用于将接收的光信号转换成电信号；

所述车载激光雷达还包括：

信号处理系统，用于基于飞行时间法计算出目标方向上的目标物的距离。

2.根据权利要求1所述的车载激光雷达，其特征在于，所述MEMS扫描镜包括单轴MEMS扫描镜。

3.根据权利要求1所述的车载激光雷达，其特征在于，所述激光光源包括光纤激光器。

4.根据权利要求3所述的车载激光雷达，其特征在于，所述光纤激光器发出的激光信号的波长为1550纳米。

5.根据权利要求1所述的车载激光雷达，其特征在于，当所述车载激光雷达为同轴光路时，所述雷达组件还包括：

至少两个光纤环形器，连接在所述光纤分束器与所述MEMS扫描镜之间：

所述光纤环形器包括：

输入端口，用于输入由所述光纤分束器分束后的激光信号；

输出端口，用于输出所述激光信号；所述输出端口还用于接收回光信号；

回波传送端口，与所述信号处理系统连接，用于将所述输出端口接收到的回光信号传送到线阵光电探测器。

6.根据权利要求1所述的车载激光雷达，其特征在于，所述激光光源设置于车顶、车引擎盖、车后备箱盖以及车内中的任意一处。

7.根据权利要求1所述的车载激光雷达，其特征在于，所述车载激光雷达包括8个雷达组件，所述雷达组件的安装位置为：四个车门部位、两个前车灯部位以及两个车尾灯部位。

8.根据权利要求1所述的车载激光雷达，其特征在于，在所述激光光源与所述光纤分束器之间增加一个或多个放大器。