CN109270513A - 一种基于mems振镜的三维扫描激光雷达 - Google Patents

一种基于mems振镜的三维扫描激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，包括控制模块、多组发射模块和多组接收模块，所述发射模块用于在俯仰方向和水平方向分区域连续扫描发射，所述接收模块用于在各个方向分区域接收探测回波，所述控制模块用于控制所述发射模块发射不同编码的光脉冲，控制所述接收模块接收所述光脉冲，而且对所述光脉冲进行解码，最后根据采集数据形成点云图形。本发明提供的三维扫描激光雷达之中的发射模块使用双振镜和光学元件进行组合发射，接收模块使用接收镜头、阵列光开关和面探测器进行组合接收。本发明提供的三维扫描激光雷达结构紧凑，减小了体积和重量，降低了成本，提高了散热效果。

Description

一种基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达。
背景技术
激光扫描测距雷达能够用于检测目标位置、轮廓和速度，激光测距雷达的应用领域逐步拓展，精确测量、导航定位、安全避障，而且开始应用于无人驾驶技术。目前三维扫描激光雷达在垂直方向为多层扫描，能够很好的反应待测物的特征信息，适用于多个领域，例如无人驾驶的导航、形状轮廓检测。
目前的三维扫描激光雷达大多采用多线扫描方式，即发射使用多个激光管顺序发射，结构为多个激光管纵向排列，每个激光管之间具有一定的夹角，垂直发射视场为30°至40°，接收模块在对应角度进行接收，每一个接收探测器对应一个发射角度，结构为接收模块和发射模块在两侧对称排布，内部使用反光镜进行光路转折，然后在水平方向旋转实现三维扫描测距。现有的三维扫描激光雷达快速获得扫描测试信息，并且采集更多的特征信息提高点阵像素，多线激光雷达采用控制多个发射二极管在垂直方向顺序发射，同时对应多个发射二极管安装同等数量的接收探测器，造成垂直方向体积增大，功耗散热提高，并且需要无线供电和无线传输，因此成本居高不下，制约了多线激光雷达的发展。
发明内容
为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，包括控制模块、多组发射模块和多组接收模块；所述发射模块包括第一MEMS振镜、第二MEMS振镜、聚焦透镜、自由曲面反射镜、分光镜、CCD镜头、CCD探测器和光纤接收镜头；所述接收模块包括接收镜头、阵列光开关和面阵探测器；
所述自由曲面反射镜为凹面反射镜，所述凹面反射镜包括椭圆面反射镜、球面反射镜和抛物面反射镜之中的至少一种；所述阵列光开关为DMD微镜阵列或者MEMS振镜阵列；
所述控制模块用于控制所述发射模块发射不同编码的光脉冲；
所述发射模块用于在俯仰方向和水平方向分区域连续扫描发射；
所述控制模块用于控制所述接收模块接收所述光脉冲，而且对所述光脉冲进行解码；
所述接收模块用于在各个方向分区域探测回波；
所述控制模块用于根据获得的数据形成点云图形。
可选的，所述发射光束通过所述聚焦透镜聚焦，照射到所述第一MEMS振镜，然后扫描照射到所述自由曲面反射镜，再反射到所述第二MEMS振镜，最后经过所述分光镜进行发射。
可选的，所述分光镜的分光比例范围为1:20至1:8，所述CCD镜头设置在所述分光镜分光比例少的一面。
可选的，所述CCD探测器用于接收所述分光镜的部分光源，所述光纤接收镜头用于接收所述分光镜的另一部分光源，而且将这部分光源传导至所述接收模块。
可选的，所述光脉冲为脉冲强度调制、脉宽调制或者相位调制。
可选的，所述控制模块用于控制所述阵列光开关随着照射角度的不同进行相应接收角度的开合关闭。
可选的，还包括AD采集模块、滤波拟合模块、扫描点阵模块，所述AD采集模块分别与所述控制模块和所述滤波拟合模块连接，所述扫描点阵模块与所述滤波拟合模块连接；
所述控制模块用于对获得的信号进行解码，所述AD采集模块用于对解码之后的信号进行采集，所述滤波拟合模块用于根据滤波算法和TFT拟合算法对采集之后的信息进行处理，所述控制模块用于根据处理之后的信号计算距离，所述扫描点阵模块用于根据发射角度和测试距离形成所述点云图形。
可选的，所述自由曲面反射镜为椭圆面反射镜，所述第一MEMS振镜设置在所述椭圆面反射镜的焦距位置，所述第二MEMS振镜设置在所述椭圆面反射镜的焦距位置。
本发明具有下述有益效果：
本发明提供的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，包括控制模块、多组发射模块和多组接收模块，所述发射模块用于在俯仰方向和水平方向分区域连续扫描发射，所述接收模块用于在各个方向分区域接收探测回波，所述控制模块用于控制所述发射模块发射不同编码的光脉冲，控制所述接收模块接收所述光脉冲，而且对所述光脉冲进行解码，最后根据采集数据形成点云图形。本发明提供的三维扫描激光雷达之中的发射模块使用双振镜和光学元件进行组合发射，接收模块使用接收镜头、阵列光开关和面探测器进行组合接收。本发明提供的三维扫描激光雷达结构紧凑，减小了体积和重量，降低了成本，提高了散热效果。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达的发射接收光路示意图。
图2为本发明实施例一提供的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达的发射光路示意图。
图3为本发明实施例一提供的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达的控制流程示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达进行详细描述。
实施例一
激光扫描雷达是将发射的激光束通过扫描发射形成扫描截面，从而测试出待测物的特征信息。图1为本发明实施例一提供的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达的发射接收光路示意图，图2为本发明实施例一提供的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达的发射光路示意图，图3为本发明实施例一提供的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达的控制流程示意图。如图1-3所示，本实施例提供的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达包括控制模块、多组发射模块和多组接收模块，所述发射模块用于在俯仰方向和水平方向分区域连续扫描发射，所述接收模块用于在各个方向分区域接收探测回波，所述控制模块用于控制所述发射模块发射不同编码的光脉冲，控制所述接收模块接收所述光脉冲，而且对所述光脉冲进行解码，最后根据采集数据形成点云图形。本实施例提供的三维扫描激光雷达结构紧凑，减小了体积和重量，降低了成本，提高了散热效果。
参见图1和图2，所述发射模块包括第一MEMS振镜、第二MEMS振镜、聚焦透镜、自由曲面反射镜、分光镜、CCD镜头、CCD探测器和光纤接收镜头。本实施例提供的发射模块使用双振镜和光学元件进行组合发射，接收模块使用接收镜头、阵列光开关和面探测器进行组合接收。
本实施例中，发射光束先通过聚焦透镜进行聚焦，照射到第一MEMS振镜，在水平方向进行扫描，然后照射到自由曲面反射镜，反射到第二MEMS振镜，在垂直方向进行扫描，经过分光镜之后进行发射。
参见图1和图2，聚焦透镜和自由曲面反射镜形成扩束系统，自由曲面反射镜为凹面反射镜，可以为椭圆面反射镜、球面反射镜或者抛物面反射镜。
本实施例中，当自由曲面反射镜为椭圆面反射镜时，第一MEMS振镜设置在椭圆面反射镜的第一焦距位置，进行水平方向的扫描，第二MEMS振镜设置在椭圆面反射镜的第二焦距位置，进行俯仰方向的扫描，光源经过聚焦首先照射到椭圆面反射镜上，其聚焦焦点在第一MEMS振镜和椭圆面反射镜之间，经过椭圆面反射镜之后，所有扫描光进行扩束，然后每束扫描准直光聚集照射到第二MEMS振镜，然后保持准直发射出去，最后进行三维扫描。上述扫描方式利用椭圆面反射镜的特点，首先聚焦透镜和椭圆面反射镜形成准直扩束系统，然后利用经过椭圆面反射镜第一焦点的扫描发射光会通过第二焦点，达到将水平扫描方向扫描光照射到第二MEMS振镜上。
本实施例中，所述分光镜的分光比例范围为1:20至1:8，CCD镜头设置在分光镜分光比例少的一面。CCD探测器接收分光镜的少量光源，用于判断经过两个MEMS振镜扫描之后的俯仰水平角度位置。具体来说，在聚焦透镜或者准直透镜之后，可以通过小棱镜获取少量光源通过光纤接收镜头传输到接收面阵探测器产生编码信号，用于判断经过两个MEMS振镜扫描之后的俯仰水平角度位置。
参见图1和图2，所述接收模块包括接收镜头、阵列光开关和面阵探测器。可选的，阵列光开关可以是DMD微镜阵列，也可以是MEMS振镜阵列，光脉冲为脉冲强度调制、脉宽调制或者相位调制。
本实施例提供的控制模块用于控制所述阵列光开关随着照射角度的不同进行相应接收角度的开合关闭，控制模块能够控制阵列光开关随着照射角度不同进行相应开合，使得对应的接收探测器接收相应角度的反射光。本实施例中，照射扫描角度对应区域的阵列光开关开合，非照射角度对应区域的阵列光开关关闭，使得探测器不会接收到非扫描区域光源，从而减少外界环境光源的干扰。
参见图3，本实施例提供的三维扫描激光雷达还包括AD采集模块、滤波拟合模块、扫描点阵模块，所述AD采集模块分别与所述控制模块和所述滤波拟合模块连接，所述扫描点阵模块与所述滤波拟合模块连接。所述控制模块用于对获得的信号进行解码，所述AD采集模块用于对解码之后的信号进行采集，所述滤波拟合模块用于根据滤波算法和TFT拟合算法对采集之后的信息进行处理，所述控制模块用于根据处理之后的信号计算距离，所述扫描点阵模块用于根据发射角度和测试距离形成所述点云图形。
本实施例提供的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，包括控制模块、多组发射模块和多组接收模块，所述发射模块用于在俯仰方向和水平方向分区域连续扫描发射，所述接收模块用于在各个方向分区域接收探测回波，所述控制模块用于控制所述发射模块发射不同编码的光脉冲，控制所述接收模块接收所述光脉冲，而且对所述光脉冲进行解码，最后根据采集数据形成点云图形。本实施例提供的三维扫描激光雷达之中的发射模块使用双振镜和光学元件进行组合发射，接收模块使用接收镜头、阵列光开关和面探测器进行组合接收。本实施例提供的三维扫描激光雷达结构紧凑，减小了体积和重量，降低了成本，提高了散热效果。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，包括控制模块、多组发射模块和多组接收模块；所述发射模块包括第一MEMS振镜、第二MEMS振镜、聚焦透镜、自由曲面反射镜、分光镜、CCD镜头、CCD探测器和光纤接收镜头；所述接收模块包括接收镜头、阵列光开关和面阵探测器；
所述自由曲面反射镜为凹面反射镜，所述凹面反射镜包括椭圆面反射镜、球面反射镜和抛物面反射镜之中的至少一种；所述阵列光开关为DMD微镜阵列或者MEMS振镜阵列；
所述控制模块用于控制所述发射模块发射不同编码的光脉冲；
所述发射模块用于在俯仰方向和水平方向分区域连续扫描发射；
所述控制模块用于控制所述接收模块接收所述光脉冲，而且对所述光脉冲进行解码；
所述接收模块用于在各个方向分区域探测回波；
所述控制模块用于根据获得的数据形成点云图形。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述发射光束通过所述聚焦透镜聚焦，照射到所述第一MEMS振镜，然后扫描照射到所述自由曲面反射镜，再反射到所述第二MEMS振镜，最后经过所述分光镜进行发射。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述分光镜的分光比例范围为1:20至1:8，所述CCD镜头设置在所述分光镜分光比例少的一面。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述CCD探测器用于接收所述分光镜的部分光源，所述光纤接收镜头用于接收所述分光镜的另一部分光源，而且将这部分光源传导至所述接收模块。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述光脉冲为脉冲强度调制、脉宽调制或者相位调制。
6.根据权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述控制模块用于控制所述阵列光开关随着照射角度的不同进行相应接收角度的开合关闭。
7.根据权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，还包括AD采集模块、滤波拟合模块、扫描点阵模块，所述AD采集模块分别与所述控制模块和所述滤波拟合模块连接，所述扫描点阵模块与所述滤波拟合模块连接；
所述控制模块用于对获得的信号进行解码，所述AD采集模块用于对解码之后的信号进行采集，所述滤波拟合模块用于根据滤波算法和TFT拟合算法对采集之后的信息进行处理，所述控制模块用于根据处理之后的信号计算距离，所述扫描点阵模块用于根据发射角度和测试距离形成所述点云图形。
8.根据权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述自由曲面反射镜为椭圆面反射镜，所述第一MEMS振镜设置在所述椭圆面反射镜的焦距位置，所述第二MEMS振镜设置在所述椭圆面反射镜的焦距位置。
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