CN106772407A - 基于mems微镜扫描的激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及雷达技术领域，公开了一种基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，采用MEMS微镜折射激光器发射的出射激光并根据预设指定旋转角度对目标区域进行激光扫描，接收探测器接收所述目标区域内目标反射物的反射激光并转化为回波脉冲信号，信号处理模块接收并处理所述回波脉冲信号以获得所述目标反射物的位置信息。借此，本发明的测量频率高且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统。
背景技术
目前的多线激光雷达由多个发射激光器和多个接收探测器实现多线扫描，如美国verlodyne公司的激光雷达VLP-16，需要16个激光器发射和接收，16个发射电路和接收电路的控制比较难处理，时序算法较难控制，且此激光器使用激光二极管，激光器功率最大峰值为75W，测量距离为200m时，若目标反射率较小，则无回波信号。
综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。
发明内容
针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，其光路对准更易实现，测量频率高且成本低。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，至少包括：
激光器，发射出射激光；
MEMS微镜，折射所述出射激光并根据预设指定旋转角度对目标区域进行激光扫描；
接收探测器，接收所述目标区域内目标反射物的反射激光并转化为回波脉冲信号；
信号处理模块，接收并处理所述回波脉冲信号以获得所述目标反射物的位置信息。
根据所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，所述信号处理模块包括依次连接的互阻抗放大器、后置放大器、时刻鉴别电路以及FPGA模块；所述回波脉冲信号输入到所述互阻抗放大器，所述互阻抗放大器输出电压信号到后置放大器，所述电压信号经过所述后置放大器调制放大后输出至所述时刻鉴别电路，所述电压信号经所述时刻鉴别电路生成激光飞行结束时刻脉冲，所述FPGA模块接收所述时刻鉴别电路输入的所述激光飞行结束时刻脉冲。
根据所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，所述FPGA模块包括：
根据所述激光飞行结束时刻脉冲以测量出激光飞行时间间隔的测量子模块；
根据所述激光飞行时间间隔生成所述目标反射物的距离信息的距离子模块；
检测所述激光雷达系统和/或所述MEMS微镜扫描旋转的角度信息的角度子模块；
将所述距离信息和所述角度信息整合形成所述目标反射物的所述位置信息的位置子模块。
根据所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，所述FPGA模块还包括：
根据所述MEMS微镜旋转角度控制触发所述激光器的激光脉冲发射的控制子模块。
根据所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，所述接收探测器为光电探测器，所述反射激光经过所述光电探测器上的光电二极管以转化为所述回波脉冲信号。
根据上述任一项所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，包括有雷达主体，所述MEMS微镜和所述接收探测器离轴对称封装在所述雷达主体内，所述激光器设在所述MEMS微镜和所述接收探测器的顶部且所述激光器的激光发射头与所述MEMS微镜相对应。
根据所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，所述MEMS微镜和所述接收探测器中间设有电机；所述电机上设有至少一对磁环，所述电机通过所述磁环无线驱动所述雷达主体和/或所述MEMS微镜旋转。
根据所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，所述雷达主体内设有至少一用于调整所述MEMS微镜折射所述出射激光的光路径和/或调整所述接收探测器接收所述反射激光的光路径的反射镜。
根据所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，所述激光雷达系统还设有用于获取电能和/或数据传输的数据接口。
根据所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，所述激光器为光纤激光器。
本发明所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统采用MEMS微镜折射激光器发射的出射激光并根据预设指定旋转角度对目标区域进行激光扫描，接收探测器接收所述目标区域内目标反射物的反射激光并转化为回波脉冲信号，信号处理模块接收并处理所述回波脉冲信号以获得所述目标反射物的位置信息。借此，本发明测量频率高且成本低。
附图说明
图1为本发明优选实施例所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统的示意图；
图2为本发明优选实施例所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统的俯视剖析图；
图3为本发明优选实施例所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统的正视剖析图；
图4为本发明优选实施例所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统的所述接收光学模块的结构示意图；
图5为本发明优选实施例所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统的回波信号处理流程图；
图6为本发明优选实施例所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统的所述FPGA模块的结构图；
图7为本发明优选实施例所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统的扫描探测流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明优选的实施例如图1～3所示，至少包括：激光器10，发射出射激光101；MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)微镜20，折射所述出射激光101并根据预设指定旋转角度对目标区域进行激光扫描；接收探测器30，接收所述目标区域内目标反射物的反射激光102并转化为回波脉冲信号；信号处理模块，接收并处理所述回波脉冲信号以获得目标反射物的位置信息。
随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，MEMS发展的又一领域是与光学相结合，称为微光机电系统(MOEMS)。MOEMS是利用微加工技术实现的微光机电器件与系统，系统中的微光学元件(如透镜、反射镜、光栅等)在微电子和微机械装置的作用下能够对光束进行汇聚、反射、衍射等控制作用，从而实现光的开关、衰减、扫描和成像等功能。MOMES扫描镜通常指微反射镜面在驱动力作用下发生偏转，从而改变光束的出射角度，与传统光学扫描方式相比，MOMES扫描镜在体积、重量、功耗以及动态响应方面的优点尤为突出，此外还具备MEMS器件所共有的成本低、易于实现批量制造的优点。即本发明所采用的MEMS微镜为MOEMS扫描镜，可控设置其旋转操作，因此其镜面通过旋转折射所述激光器10发射的出射激光101可对目标区域进行扫描；本实施例优选采用一维MEMS微镜，可以是一维垂直方向旋转扫描也可以是一维水平方向旋转扫描；如若采用的是一维垂直方向旋转扫描，则可相应地控制整个雷达系统水平方向360度旋转，以使激光扫描能够达到最大扫描角度，反之亦可。
由于MEMS微镜20的尺寸小，谐振频率高，因此其一维扫描频率可代替现有雷达系统中的16线激光器扫描频率，即利用一个激光器10、一个MEMS微镜以及一个接受探测器30就可实现16线扫描，从而不必考虑16个激光器的时序电路，使得雷达更易于实现批量制造。
本实施例的所述接收探测器30为光电探测器，所述反射激光经过所述光电探测器30上的光电二极管以转化为所述回波脉冲信号，所述回波脉冲信号为脉冲电流。如图5所示，本实施例优选的所述信号处理模块包括依次连接的互阻抗放大器201、后置放大器202、时刻鉴别电路203以及FPGA模块204；所述接收探测器30发送回波脉冲信号到所述信号处理模块，所述回波脉冲信号输入到互阻抗放大器201，所述互阻抗放大器201将所述回波脉冲信号转化为电压信号并输出到后置放大器202，所述电压信号经后置放大器202调制放大后输出到时刻鉴别电路203，所述电压信号经所述时刻鉴别电路203生成激光飞行结束时刻脉冲，所述FPGA模块204接收时刻鉴别电路203输入的所述激光飞行结束时刻脉冲。在实际测量过程中，因距离、目标反射率等因素的变化，回波脉冲信号的幅度会发生较大变化，即动态范围较大，波形也会受到影响，从而可能对探测精度产生影响；在考虑到以上实际因素的基础上，本方案所采用的时刻鉴别电路203可达到减小或消除测量结果的漂移误差和时间抖动，可保证测量结果的准确性。
如图6所示，所述FPGA模块204包括：
根据所述激光飞行结束时刻脉冲以测量出激光飞行时间间隔的测量子模块2041；
根据所述激光飞行时间间隔生成所述目标反射物的距离信息的距离子模块2042；
检测所述雷达系统和/或所述MEMS微镜20扫描旋转的角度信息的角度子模块2043；
将所述距离信息和角度信息整合形成所述目标反射物的所述位置信息的位置子模块2044。
所述FPGA模块还包括：
根据所述MEMS微镜20旋转角度控制触发激光器10的激光脉冲发射的控制子模块2045。
FPGA是一种现场可编程门阵列的集成电路，本发明将现有雷达系统中的TDC(Time-to-Digital Converter，时间数字转化器)电路的测量功能写入到FPGA模块204中的测量子模块2041进行代替；本实施例的所述FPGA模块的控制子模块2045还可同时控制激光器10的同步触发，其角度子模块2043可以是编码盘301，由编码盘301获得角度信息，并将角度信息结合距离子模块2042获得的距离信息可在位置子模块2044上获得目标反射物的所述位置信息。目前FPGA的传输速度为30M/s，因此其测量与计算速度更快更高效。
图4示出本实施例优选的用于聚焦所述反射激光102到接收探测器30上的接收光学模块50，所述接收光学模块50由至少一光学透镜组成。本实施例包括有第一光学透镜51、第二光学透镜52、第三光学透镜53以及第四光学透镜54，其中第一光学透镜51和第三光学透镜53为球面透镜，第二光学透镜52和第四光学透镜54为非球面透镜；反射激光102经过第一光学透镜51后折射到第二光学透镜52，第二光学透镜52和第四光学透镜54的入射面都为凹曲面且出射面为平面，反射激光102从第二光学透镜52的凹曲面入射并准直射入到第三光学透镜53，第三光学透镜53折射其反射激光102并聚焦在第四光学透镜54的凹曲面上，最终通过所述第四光学透镜54准直出射到接收探测器20上，其结构优化了接收光路的设计。当然，所述接收光学模块50还可以采用不同组合结构的光学透镜形成。
具体的是，所述接收光学模块50的有效聚焦直径为15毫米，即第一光学透镜51的入射面的直径为15毫米，所述接收探测器30的光敏面的直径为3毫米，通过对其他光学透镜的参数优化使得所述接收光学系统的焦距为8毫米；进而将所述雷达系统的测量确定200m量程和视场角为20度范围内，可满足光斑一直在探测器光敏面内。
所述激光器10为光纤激光器，光纤激光器光束质量比激光二极管光束质量好，发散角小；即发射光斑在最远量程处发射光斑能量仍较集中，则所需激光发射能量就越小，且通过接收光学模块50，使接收光斑汇聚得非常小，因此优化光源的使用和光路设计可有效降低所需激光功率。MEMS微镜20与接收光路离轴，光纤激光器发射的激光进入MEMS微反射镜片，MEMS扫描频率为20KHz，机械扫描角度为+/-5度，光学扫描角度为+/-10度，即实现一维20度视场垂直扫描，同时整个机构360度水平旋转，实现光束的水平扫描，以此完成光束垂直和水平方向的同时扫描。若MEMS微镜20垂直方向扫描一次，则FPGA模块204的控制子模块2045通过控制光纤激光器发射16个激光脉冲，即完成16线激光的扫描。当发射激光在空间捕获到目标，产生后向散射光，来自目标的后向散射光进入单基光学接收系统，这样就完成了单基离轴系统的发射和接收。
如图2～3，本实施例的所述雷达系统包括有雷达主体，所述MEMS微镜20和接收探测器30离轴对称封装在雷达主体内，所述激光器10设在MEMS微镜20和接收探测器30的顶部且所述激光器10的激光发射头111与MEMS微镜相对应。其中部设有电机组件40，包括有设在MEMS微镜20和接收探测器30中间的电机41；所述电机41上设有至少一对磁环42，所述电机41的底部设有轴承43支撑固定，所述电机41通过所述磁环42无线驱动雷达主体和/或MEMS微镜20旋转。具体是，整个雷达系统依靠电机41进行360度水平旋转，且避免了使用滑环，整个结构中不存在滑环之类的摩擦损耗件，上部供电和信号传输是依靠一对磁环连接，大大提高了产品使用寿命。其创新的结构设计，在不使用滑环的情况下实现三维距离和角度、灰度信息测量。
所述雷达主体内还设有第一无线传输控制板302和第二无线传输控制板303，所述第一无线传输控制板302设在编码盘301的上部，所述第二无线传输控制板303设在光纤激光器10的底部。具体运作如下：所述第二无线传输控制板303接收控制子模块2045的控制指令以控制激光器10发射出射激光101到MEMS微镜20上向外折射，激光遇到目标反射物后反射回来的反射激光102经接收光学模块50汇聚在接收探测器30上，再发送到第二无线传输控制板303上通过激光发射、反射的时间差进行计算获得目标反射物的距离信息，再将距离信息发送到第一无线传输控制板302上与编码盘301得到的角度信息进行整合得到目标反射物的所述位置信息，其位置信息根据距离信息和角度信息计算得出。所述激光雷达系统还设有用于获取电能和/或数据传输的数据接口304，通过此接口设备可从外部获取电能，并通过通信接口传递指令和数据。当然，还可以采用相位测距或者三角测距的方法。
更好的是，所述雷达主体内设有至少一用于调整所述MEMS微镜20折射出射激光101的光路径和/或调整所述接收探测器30接收反射激光102的光路径的反射镜13。
如图7示出本发明扫描步骤流程如下：
步骤S101：所述电机41上电驱动所述雷达主体与所述MEMS微镜20旋转；
步骤S102：所述激光器10发射出射激光101；
步骤S103：所述MEMS微镜20旋转折射所述出射激光101到所述目标区域进行激光扫描；
步骤S104：所述接收探测器30接收所述目标反射物的所述反射激光102；
步骤S105：所述信息处理模块计算出所述目标反射物的位置信息；
步骤S106：所述信息处理模块控制所述激光器10发射激光。
综上所述，本发明所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统采用MEMS微镜折射激光器发射的出射激光并根据预设指定旋转角度对目标区域进行激光扫描，接收探测器接收所述目标区域内目标反射物的反射激光并转化为回波脉冲信号，信号处理模块接收并处理所述回波脉冲信号以获得所述目标反射物的位置信息。借此，本发明采用优化的电路、光路以及产品结构设计能够测量200米范围内，视场角±10°的三维距离和角度、灰度信息，测量频率达到每秒320000次。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，其特征在于，至少包括：
激光器，发射出射激光；
MEMS微镜，折射所述出射激光并根据预设指定旋转角度对目标区域进行激光扫描；
接收探测器，接收所述目标区域内目标反射物的反射激光并转化为回波脉冲信号；
信号处理模块，接收并处理所述回波脉冲信号以获得所述目标反射物的位置信息。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，其特征在于，所述信号处理模块包括依次连接的互阻抗放大器、后置放大器、时刻鉴别电路以及FPGA模块；所述回波脉冲信号输入到所述互阻抗放大器，所述互阻抗放大器输出电压信号到后置放大器，所述电压信号经过所述后置放大器调制放大后输出至所述时刻鉴别电路，所述电压信号经所述时刻鉴别电路生成激光飞行结束时刻脉冲，所述FPGA模块接收所述时刻鉴别电路输入的所述激光飞行结束时刻脉冲。
3.根据权利要求2所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，其特征在于，所述FPGA模块包括：
根据所述激光飞行结束时刻脉冲以测量出激光飞行时间间隔的测量子模块；
根据所述激光飞行时间间隔生成所述目标反射物的距离信息的距离子模块；
检测所述激光雷达系统和/或所述MEMS微镜扫描旋转的角度信息的角度子模块；
将所述距离信息和所述角度信息整合形成所述目标反射物的所述位置信息的位置子模块。
4.根据权利要求3所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，其特征在于，所述FPGA模块还包括：
根据所述MEMS微镜旋转角度控制触发所述激光器的激光脉冲发射的控制子模块。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，其特征在于，所述接收探测器为光电探测器，所述反射激光经过所述光电探测器上的光电二极管以转化为所述回波脉冲信号。
6.根据权利要求1～5任一项所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，其特征在于，包括有雷达主体，所述MEMS微镜和所述接收探测器离轴对称封装在所述雷达主体内，所述激光器设在所述MEMS微镜和所述接收探测器的顶部且所述激光器的激光发射头与所述MEMS微镜相对应。
7.根据权利要求6所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，其特征在于，所述MEMS微镜和所述接收探测器中间设有电机；所述电机上设有至少一对磁环，所述电机通过所述磁环无线驱动所述雷达主体和/或所述MEMS微镜旋转。
8.根据权利要求6所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，其特征在于，所述雷达主体内设有至少一用于调整所述MEMS微镜折射所述出射激光的光路径和/或调整所述接收探测器接收所述反射激光的光路径的反射镜。
9.根据权利要求6所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统还设有用于获取电能和/或数据传输的数据接口。
10.根据权利要求6所述的基于MEMS微镜扫描的激光雷达系统，其特征在于，所述激光器为光纤激光器。
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