CN107219532A - 基于mems微扫描镜的三维激光雷达及测距方法 - Google Patents

Abstract

针对现有基于双轴MEMS微扫描镜的激光雷达的结构较复杂、扫描视场较小、刷新率较低的缺点，本发明提供了一种基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达及测距方法，利用单轴MEMS微扫描镜和具有一维放大功能的光学元件配合使用实现二维面扫描，利用线状探测单元组成的光电探测器实现激光回波探测，结构简单、扫描视场大、刷新率高。

Description

基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达及测距方法

技术领域

本发明属于激光雷达领域，涉及一种基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达及测距方法。

背景技术

无人驾驶技术要求汽车能对现实中复杂的交通状况了如指掌，可以像人的眼睛和大脑一样灵活应变。实现自动驾驶能力的关键在于需要各种各样的传感器协作，将监测到的数据传给高精密的处理器，以识别道路、标示和行人，从而做出加速、转向、制动等决策。

目前，用于感测周围环境的主流传感器有以下三种：摄像头视觉传感器、普通毫米波雷达和激光雷达。摄像头视觉传感器可以轻松的实现高分辨率的图像，但是容易受到环境因素(如光线强度)和外部因素的影响，而且要实现对图像中物体的识别还须依赖强大的算法。普通毫米波雷达具备较强的穿透雾、烟、灰尘的能力，具有全天候全天时的特点，但是其由于波长原因，探测距离非常有限，也无法准确感知行人，且由于衍射效应无法感知较小的障碍物。相对于摄像头视觉传感器和普通毫米波雷达，激光雷达以红外波段的激光为光源，通过扫描并探测从一个物体上反射回来的激光来确定物体的距离(光的飞行时间法)，形成精度高达厘米级的3D环境地图，可以对周边所有障碍物进行精准的建模，因此它在无人驾驶系统中起重要作用。

激光雷达发展形成了多种技术路线，包含非扫描式和扫描式。Flash 3D激光雷达是一种固定视场角的非扫描式激光雷达技术，采用阵列光源和面阵探测器实现视场范围内物体的3D成像，具有较高的分辨率。但由于面阵光源耗能高，且采用Flash方式的探测距离较近，其采用的算法导致实时性较差，因而Flash 3D激光雷达在应用中受到一定限制。

扫描式激光雷达依据激光扫描技术可以分为传统机械旋转扫描、全固态扫描(如光学相控阵)和基于MEMS(微机电系统)的混合固态扫描。传统机械旋转式激光雷达可以实现水平方向上360°的视场角和较高的水平角分辨率，发射光与接收光的同轴(或近似同轴)设计增强了系统的抗干扰性，但是目前机械旋转式激光雷达尺寸较大，机械式转动部件的抗振性能较差，激光收发模组阵列成本高，垂直视场角和角分辨率较差。光学相控阵激光雷达是一种全固态的激光雷达技术，可以调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的出射角度，实现MHz量级的扫描频率、0.001°量级的角分辨率、90～120°的扫描范围、灵活可控的扫描方向和可靠的抗振特性。但是光学相控阵雷达核心器件的纳米级尺寸使加工技术难度大成本高，同时也限制了激光的发射功率和光效，而且大视场角的接收光学系统降低了回波信号的信噪比，系统的抗干扰性较差。

基于MEMS微扫描镜的混合固态扫描技术，在激光雷达的应用中受到广泛关注。MEMS技术使高可靠性力学扫描式激光雷达的小型化、低成本化和低功耗化成为可能，但是现有技术所公开的双轴(二维)MEMS微扫描镜实现面扫描具有扫描视场较小和刷新率较低的缺点，例如专利CN204903760U提出一种基于二维MEMS微扫描镜扫描并通过锥形光纤束接收反射光实现3D图像的激光雷达；专利CN205120965U提出一种基于电热驱动的二维MEMS微扫描镜的激光雷达；专利CN106415309A提出一种基于MEMS微扫描镜的芯片级扫描激光雷达，通过两组完全同步扭转的二维MEMS微扫描镜实现激光的发射和接收，实现激光雷达的微型芯片化。

发明内容

针对现有基于双轴MEMS微扫描镜的激光雷达的结构较复杂、扫描视场较小、刷新率较低的缺点，本发明提供了一种基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达及测距方法，利用单轴MEMS微扫描镜和具有一维放大功能的光学元件实现二维面扫描，利用线状探测单元组成的光电探测器实现激光回波探测，结构简单、扫描视场大、刷新率高。

本发明的技术解决方案：

基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达，包括激光发射装置、激光扫描装置、激光接收装置、驱动电路以及信号处理电路；所述激光扫描装置设置在激光发射装置的输出光路上，激光接收装置和激光发射装置位于待测目标物的同一侧；激光接收装置的视场角大于激光扫描装置的扫描范围且中心区域重合；其特殊之处在于：

所述激光发射装置包括沿同一光路依次设置的脉冲激光器和具有一维放大功能的光学元件；脉冲激光器发出的脉冲激光经所述光学元件放大后形成沿X轴方向发散的线光斑；

所述激光扫描装置包括单轴MEMS微扫描镜和用于实时输出单轴MEMS微扫描镜扫描角度的反馈电路；

单轴MEMS微扫描镜位于光学元件的出射光路上且靠近所述光学元件设置；所述光学元件出射的线光斑应完全处于单轴MEMS微扫描镜的反射镜面范围内；

单轴MEMS微扫描镜的扭转轴与所述线光斑重合；当单轴MEMS微扫描镜静止时，所述线光斑经单轴MEMS微扫描镜反射后形成长度方向沿X轴方向的长条形光斑；在单轴MEMS微扫描镜扭转过程中，所述线光斑经单轴MEMS微扫描镜反射后形成一系列沿Y轴方向平行排列的长条形光斑；

所述激光接收装置用于接收探测待测目标物反射的回波信号；

所述驱动电路用于驱动单轴MEMS微扫描镜扭转、驱动脉冲激光器按照预设频率发射脉冲激光以及驱动信号处理电路采集和处理所述激光接收装置的探测信号；

信号处理电路用于获取目标物的距离并构建三维位置信息。

基于上述基本技术方案，本发明还做出以下优化和限定：

上述激光接收装置包括光电探测器；所述光电探测器由多个相互平行紧密排列的线状探测单元构成，所有线状探测单元与所述长条形光斑垂直。

上述线状探测单元的宽度尺寸决定X方向的探测分辨率，所反馈的单轴MEMS微扫描镜扫描角度的步长决定Y方向的探测分辨率。

上述光学元件为自聚焦透镜、柱面镜或波浪镜。

上述激光接收装置包括广角镜头、单波长滤光片及光电探测器；待测目标物反射的回波信号依次经广角镜头和单波长滤光片成像在光电探测器的探测面上。

上述激光发射装置还包括设置在脉冲激光器和光学元件之间的准直透镜。

上述激光发射装置和光电探测器尽可能靠近且相对位置固定，激光扫描装置和激光接收装置所对应的视场中心区域尽可能重合。

本发明还提供了一种利用上述基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达进行测距的方法，包括以下步骤：

1)使单轴MEMS微扫描镜在一定频率下扭转扫描；

2)根据单轴MEMS微扫描镜的实时扫描角度驱动脉冲激光器产生激光脉冲，或者脉冲激光器产生激光脉冲的同时查询并记录单轴MEMS微扫描镜反馈的扫描角度值；

3)在单轴MEMS微扫描镜扭转运动过程中，脉冲激光器产生的脉冲激光依次经具有一维放大功能的光学元件和单轴MEMS微扫描镜反射后形成一系列长条形光斑并投射到待测目标物上；

4)光电探测器的各线状探测单元分别探测待测目标物反射的回波信号，并将所述回波信号送入信号处理电路；

5)信号处理电路对所接收到的信号进行处理得到所述一系列长条形光斑对应的扫描视场内各目标物的实际距离信息；

6)将步骤5)所得到的距离信息分别与其所对应的单轴MEMS微扫描镜的扫描角度相匹配可获得扫描视场范围内所扫描过的待测目标物的三维位置信息。

与现有三维激光雷达的相比，本发明具有如下优点：

1、相对于现有通过双轴MEMS微扫描镜实现二维面扫描的技术，本发明通过单轴MEMS微扫描镜与具有一维放大功能的光学元件的结合使用即可实现二维面扫描；由于单轴MEMS微扫描镜只有一个扭转轴，扫描过程中仅需反馈一个扫描角度，因此所需驱动电路和反馈电路结构较简单；相对于双轴MEMS微扫描镜，单轴MEMS微扫描镜容易实现较大的扫描角度，同时对MEMS微扫描镜的加工工艺要求较低。

2、现有双轴MEMS微扫描镜的刷新频率为其两个扭转轴工作频率的最大公约数，而采用单轴MEMS微扫描镜时最大刷新率等于其唯一扭转轴工作频率的2倍，因此本发明能够提供相对较高的刷新频率。

3、本发明可通过设置线状探测单元的宽度尺寸和单轴MEMS微扫描镜的反馈角度步长以满足实际使用所需的探测分辨率。

4、与现有Flash面扫描的三维激光雷达相比，本发明提供激光面扫描技术可以集中利用系统激光光源能量针对各小区域逐步扫描从而实现较远的探测距离。

附图说明

图1是本发明的结构和原理示意图；

图2是本发明光电探测器的激光回波检测示意图；

图3光电探测器的结构示意图；

图中标号：1-脉冲激光器；2-光学元件；3-单轴MEMS微扫描镜；4-激光接收装置；41-广角镜头；42-单波长滤光片；43-光电探测器；431-线状探测单元。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

参见图1，本发明所提供的基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达包括激光发射装置、激光扫描装置、激光接收装置4、驱动电路以及信号处理电路。

激光扫描装置设置在激光发射装置的输出光路上，激光接收装置4和激光发射装置位于待测目标物的同一侧；激光发射装置和光电探测器尽可能靠近且相对位置固定；激光接收装置4的视场角应大于激光扫描装置的扫描范围；为了充分利用扫描范围和光电探测器43的有效探测面，激光扫描装置和激光接收装置4所对应的视场中心区域应尽可能重合。

激光发射装置包括沿同一光路依次设置的大功率脉冲激光器1、准直透镜(图中未示出)和具有一维放大功能的光学元件2(例如自聚焦透镜，柱面镜，波浪镜等)。脉冲激光器1发射的脉冲激光首先通过准直透镜准直，然后经具有一维放大功能的光学元件2扩展成一条沿X轴方向发散的具有特定发散角度的线光斑。设置准直透镜的目的是使脉冲激光器1发出的脉冲激光有良好的准直特性，使入射到光学元件2后出射线光斑的线条宽度较小，最大限度的集中激光的能量并促进提高分辨率。

激光扫描装置包括单轴MEMS微扫描镜3和反馈电路；反馈电路用于在单轴MEMS微扫描镜3扭转扫描的过程中实时反馈其扫描角度，可采用现有单元。沿光学元件2的入射光路方向，单轴MEMS微扫描镜3设置在所述光学元件2之后并与其靠近，并且应保证光学元件2出射的线光斑完全处于单轴MEMS微扫描镜3的反射镜范围内，同时应保证单轴MEMS微扫描镜3的扭转轴与所述线光斑重合。

当单轴MEMS微扫描镜3静止时，光学元件2出射的线光斑经单轴MEMS微扫描镜3反射后会在远处形成一条具有一定宽度的长度方向沿X轴方向的长条形光斑。

当单轴MEMS微扫描镜在被施加一定频率的驱动信号时其反射镜面发生扭转，在扭转过程中的每一个时刻，光学元件2出射的线光斑经单轴MEMS微扫描镜都会形成一条长条形光斑；由于每一时刻单轴MEMS微扫描镜的反射镜的位置不同，所以每一时刻对应的长条形光斑的位置也不同；长条形光斑的位置随着单轴MEMS微扫描镜的扭转沿Y轴步进；因此，在单轴MEMS微扫描镜扭转扫描的过程中，光学元件2出射的线光斑被扭转的反射镜面反射并在Y轴方向步进扫描形成一系列相互平行的沿Y轴方向排列的长条形光斑(相当于每一时刻对应长条形光斑的组合)，从而实现二维面扫描，如图1所示。长条形光斑在X轴方向的发散角度由所述光学元件2的规格参数决定，在Y轴方向的扫描角度由单轴MEMS微扫描镜的扫描角度决定。若单轴MEMS扫描镜的扭转角度为±Y°，那么单轴MEMS微扫描镜3的反射镜面所反射的线光斑将在Y轴方向的±(2Y)°的范围内扫描成二维激光光斑。在激光接收装置4的视场角大于激光扫描范围的前提下，经单轴MEMS微扫描镜反射形成的长条形光斑X轴方向的发散角度与Y轴方向的扫描角度决定了激光雷达的视场角。

激光接收装置4包括广角镜头41、单波长滤光片42及光电探测器43，待测目标物反射的回波信号依次经广角镜头41和单波长滤光片42成像在光电探测器43的探测面上；光电探测器43采用用于接收激光的雪崩光电二极管(APD)面阵光电探测器43。广角镜头的适用波长，滤光片的适用波长和光电探测器的适用波长需要与激光光源相匹配。

如图3所示，本发明的光电探测器43主要由多个线状探测单元431构成，多个线状探测单元431相互紧密地平行排列，且所有线状探测单元431与单轴MEMS微扫描镜3静止时所呈现的长条形光斑垂直，以保证所得到的待测目标物的三维位置信息不错位/变形。从图2中来看是与X轴垂直，与Y轴方向平行；线状探测单元431的宽度尺寸和相互间距越小，所能达到的X方向的探测分辨率越高；反之，线状探测单元431的宽度尺寸和相互间距越大，所能达到的X方向的探测分辨率越低；线状探测单元431采用可接收激光的雪崩光电二极管(APD)。线状探测单元组成的探测器阵列与单轴MEMS微扫描镜的扫描方式共同决定激光雷达的面分辨率。

驱动电路用于驱动脉冲激光器1按照预设频率发射脉冲激光、驱动单轴MEMS微扫描镜扭转从而实现激光扫描以及驱动信号处理电路采集和处理待测目标物所返回的回波信号，驱动电路可采用现有单元。

信号处理电路通过计算光电探测器43每个线状探测单元所探测到的脉冲激光器1所发射的脉冲激光和待测目标物返回的回波信号之间的时间差或者相位差来计算待测目标物的距离信息；将所得到的距离信息分别与相应的单轴MEMS微扫描镜3的实时扫描角度相匹配，最终可得出待测目标物的三维位置信息。

本发明的工作原理和过程：

在激光扫描的过程中，脉冲激光器1和单轴MEMS微扫描镜3被关联控制。单轴MEMS微扫描镜在扫描过程中输出实时扫描角度，驱动电路根据实时扫描角度决定开启或者关闭脉冲激光器1(或者激光器1自主产生系列激光脉冲的同时查询并记录单轴MEMS微扫描镜3反馈的扫描角度值)，从而得到一系列沿Y轴方向相互平行的、独立的长条形光斑。整个扫描范围内的平面被分割成一系列长条形的小区域逐区扫描。由于光电探测器43的所有线状探测单元431与长条形光斑垂直，每个长条形光斑经目标物反射的回波信号被相应的多个线状探测单元431分别独立接收并通过信号处理电路处理，进而得到被每个长条形光斑所照射区域的实际距离信息。

在单轴MEMS微扫描镜3扫描的半周期时间内，将每一次脉冲激光照射所得到的距离信息与其对应的扫描角度相匹配就可以得到扫描视场范围内各目标物的距离信息，即三维位置信息。三维位置信息的最大刷新率为单轴MEMS微扫描镜3工作频率的两倍，三维位置信息在X轴方向的分辨率由线状探测单元431的宽度及其相互间距决定，在Y轴方向所能达到的分辨率由所反馈的单轴MEMS微扫描镜3扫描角度的步长决定。

上述将每一次脉冲激光照射所得到的距离信息与其对应的扫描角度相匹配的方法具体为：

单轴MEMS微扫描镜扭转到一定角度时反馈电路输出一个信号给脉冲激光器，脉冲激光器收到反馈电路的信号后会输出一个脉冲，同时光电探测器得到这一时刻长条形光斑所照射区域的距离信息。任何一个瞬间(时刻)，长条形光斑所照射区域的距离信息会与反馈电路提供的扫描角度信息相对应并记录。或者激光器自主产生系列激光脉冲的同时查询并记录各激光脉冲对应的单轴MEMS微扫描镜反馈的扫描角度值，然后与相应的距离信息匹配。

Claims (8)

1.基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达，包括激光发射装置、激光扫描装置、激光接收装置、驱动电路以及信号处理电路；所述激光扫描装置设置在激光发射装置的输出光路上，激光接收装置和激光发射装置位于待测目标物的同一侧；激光接收装置的视场角大于激光扫描装置的扫描范围且中心区域重合；其特征在于：

所述激光发射装置包括沿同一光路依次设置的脉冲激光器和具有一维放大功能的光学元件；脉冲激光器发出的脉冲激光经所述光学元件放大后形成沿X轴方向发散的线光斑；

所述激光扫描装置包括单轴MEMS微扫描镜和用于实时输出单轴MEMS微扫描镜扫描角度的反馈电路；

单轴MEMS微扫描镜位于光学元件的出射光路上且靠近所述光学元件设置；所述光学元件出射的线光斑应完全处于单轴MEMS微扫描镜的反射镜面范围内；

单轴MEMS微扫描镜的扭转轴与所述线光斑重合；当单轴MEMS微扫描镜静止时，所述线光斑经单轴MEMS微扫描镜反射后形成长度方向沿X轴方向的长条形光斑；在单轴MEMS微扫描镜扭转过程中，所述线光斑经单轴MEMS微扫描镜反射后形成一系列沿Y轴方向平行排列的长条形光斑；

所述激光接收装置用于接收探测待测目标物反射的回波信号；

所述驱动电路用于驱动单轴MEMS微扫描镜扭转、驱动脉冲激光器按照预设频率发射脉冲激光以及驱动信号处理电路采集和处理所述激光接收装置的探测信号；

信号处理电路用于获取目标物的距离并构建三维位置信息。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达，其特征在于：所述激光接收装置包括光电探测器；所述光电探测器由多个相互平行紧密排列的线状探测单元构成，所有线状探测单元与所述长条形光斑垂直。

3.根据权利要求2所述的基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达，其特征在于：所述线状探测单元的宽度尺寸决定X方向的探测分辨率，所反馈的单轴MEMS微扫描镜扫描角度的步长决定Y方向的探测分辨率。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达，其特征在于：所述光学元件为自聚焦透镜、柱面镜或波浪镜。

5.根据权利要求1所述的基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达，其特征在于：所述激光接收装置包括广角镜头、单波长滤光片及光电探测器；待测目标物反射的回波信号依次经广角镜头和单波长滤光片成像在光电探测器的探测面上。

6.根据权利要求1所述的基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达，其特征在于：所述激光发射装置还包括设置在脉冲激光器和光学元件之间的准直透镜。

7.根据权利要求1至6任一所述的基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达，其特征在于：所述激光发射装置和光电探测器尽可能靠近且相对位置固定，激光扫描装置和激光接收装置所对应的视场中心区域尽可能重合。

8.利用权利要求1至7任一所述的基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达进行测距的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使单轴MEMS微扫描镜在一定频率下扭转扫描；

2)根据单轴MEMS微扫描镜的实时扫描角度驱动脉冲激光器产生激光脉冲，或者脉冲激光器产生激光脉冲的同时查询并记录单轴MEMS微扫描镜反馈的扫描角度值；

3)在单轴MEMS微扫描镜扭转运动过程中，脉冲激光器产生的脉冲激光依次经具有一维放大功能的光学元件和单轴MEMS微扫描镜反射后形成一系列长条形光斑并投射到待测目标物上；

4)光电探测器的各线状探测单元分别探测待测目标物反射的回波信号，并将所述回波信号送入信号处理电路；

5)信号处理电路对所接收到的信号进行处理得到所述一系列长条形光斑对应的扫描视场内各目标物的实际距离信息；

6)将步骤5)所得到的距离信息分别与其所对应的单轴MEMS微扫描镜的扫描角度相匹配可获得扫描视场范围内所扫描过的待测目标物的三维位置信息。