[發明專利]一種基于SPAD線陣探測器的三維掃描激光雷達

有效

• 申請號: 202211346923.3
• 申請日: 2022-10-31
• 公開（公告）號: CN115480253B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 王春生
• 申請（專利權）人: 北京因泰立科技有限公司
• 主分類號: G01S17/02
• 分類號: G01S17/02;G01S7/481;G01S7/484;G01S7/486
• 代理公司: 天津英揚昊睿專利代理事務所(普通合伙) 12227
• 代理人: 吳揚

本發明提供了一種基于SPAD線陣探測器的三維掃描激光雷達，包括發射模塊，接收模塊，掃描模塊，控制模塊、殼體，發射模塊由發射電路板、VCSEL、整形透鏡組成，接收模塊由SPAD線陣探測器、接收鏡頭和接收電路板組成，掃描模塊由電機和四面反光鏡組成，控制模塊由控制系統和算法單元組成，殼體上安裝有收發透光的窗口片；多個VCSEL光源整形為一長條形狀光斑，通過四面鏡掃描照射到待測物上，返回回波通過相鄰面的反光鏡反射信號光給接收鏡頭并聚焦到SPAD接收探測器上進行信號放大，控制單元對接收信號進行處理同時能夠進行算法處理進行背景光抑制；使用收發異軸方案，同時添加背景光抑制算法能夠得到更大的動態范圍，同時提高了激光雷達的可靠性。

技術領域

本發明涉及激光探測技術領域，尤其涉及一種基于SPAD線陣探測器的三維掃描激光雷達。

背景技術

激光雷達能夠用于檢測目標位置，輪廓和速度，激光掃描雷達是將發射的激光束通過掃描發射形成掃描截面，從而測試出待測物的特征信息。目前三維掃描激光雷達在垂直方向為多層掃描，能夠很好的反應待測物的特征信息，適用于多個領域，如無人駕駛的導航，交通車輛輪廓檢測。

目前的三維掃描激光雷達多采用多線掃描方式，即發射使用多個激光管順序發射，結構為多個激光管縱向排列，每個激光管之間有一定的夾角，垂直發射視場在30-40°，接收模塊在對應角度進行接收，每一個接收探測器對應一個發射角度，結構為接收模塊和發射模塊在兩側對稱排布，發射接收和控制模塊整體在水平方向旋轉實現三維掃描測距；另外一種方式是發射和接收在同側，使用收發同軸光路，發射發光照射到掃描多面鏡然透過窗口片照射待測物信號光返回到相同的掃描多面鏡的同一面進行接收。第一種方法整體掃描導致電機功耗過大，很難通過振動沖擊，第二種方法通過同軸方案進行發收，窗口片返回雜散信號對近段盲區有影響，并且目前使用探測器從APD轉到SiPM再升級到SPAD，為了保證能夠測遠，提高信噪比不只在提高發射功率增加接收口徑上進行設計優化，還需要進行算法優化，低成本能夠得到更遠的距離，同時使用多個發射輪循進行，很容易出現某一個發射失效導致激光雷達“瞎線”問題。因此在激光雷達掃描方式和控制處理方法上還需要進行一步優化設計，提供激光雷達的可靠性等。

發明內容

根據以上存在的技術問題，本發明提供一種基于SPAD線陣探測器的三維掃描激光雷達，其特征在于包括發射單元、接收單元、掃描單元、控制單元、殼體，所述發射模塊由發射電路板、VCSEL和整形透鏡組成。所述接收模塊由SPAD線陣探測器、接收鏡頭和接收電路板組成，所述掃描模塊由電機和四面反光鏡組成，所述控制模塊由控制系統和算法單元組成，所述殼體上安裝有收發透光的窗口片；

多個所述VCSEL光源整形為一長條形狀光斑，通過四面反光鏡掃描照射到待測物上，返回回波通過相鄰面的反光鏡反射信號光給接收鏡頭并聚焦到SPAD線陣探測器上進行信號放大，SPAD線陣探測器的多個像素單元提供角度信息；控制模塊可以進行發射和掃描控制，對接收信號進行處理同時能夠進行算法處理進行背景光抑制。

具體的，所述發射模塊的VCSEL使用的是N×M排布的VCSEL芯片模塊，N在1-5之間，M為5-100之間，VCSEL芯片的尺寸為200-500um,VCSEL芯片之間間距在200-500um，按照豎直方向并行排布，使用的VCSEL芯片為多邊形或者圓形，交叉排列，保證發光面的間隙最小，整形透鏡使用非球面柱面透鏡進行長條狀整形，發散角在θ∥*θ⊥°，θ∥可以為0.1°-0.3°之間，θ⊥可以為10-45°之間，多個VCSEL為同時發射。其中VCSEL芯片可以選在200um，VCSEL芯片中心間距為300um，選用的發射光源單列拼接，數量為120個，垂直方向尺寸為36mm,使用非球面柱透鏡的焦距為80mm，在水平方向達到0.14°發散角，保證0.7°角度分辨率，垂直方向視場為25°。VCSEL使用同時發射可以保證單個VCSEL失效后，整體光源組成的線光斑仍能夠保證整個視場的發射光。