CN111239749A - 一种新型高线数mems激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种新型高线数MEMS激光雷达系统，包括：激光发射模块，用于产生激光以实现激光扫描；旋转反射模块，用于调整激光的方向使激光投射到待测物体，折射激光投射到待测物体后的反射激光；激光接收模块，包括：用于接收反射激光并将反射激光折射为目标光斑的折射透镜组，排布有多个APD像元、用于接收目标光斑的线列APD；目标光斑的宽度大于两个相邻APD像元的间隙宽度；与激光发射模块、激光接收模块均连接的数据处理模块，用于测量激光的飞行时间。本申请中不要求APD像元的个数必须与发射激光线数一致，可选择数量较少的APD像元来实现高线数雷达，本申请使用元件数量较少，器件成本低，降低了应用和操作难度。

Description

一种新型高线数MEMS激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种新型高线数MEMS激光雷达系统。
背景技术
多线激光雷达，一般是通过多个激光器发射激光来探测目标的位置、速度等特征量，其工作原理是先向目标发射探测激光光束，然后接收从目标物体反射回来的信号并与发射信号进行飞行时间测量和信号特征提取，从而获得目标的有关信息。雷达线数越高，分辨率越高，获取到外界信息也就越全面，从而产生了对高线数激光雷达的迫切需求。
目前，机械旋转式激光雷达的线数是由激光源LD数目决定，并且探测器数目和LD数目相等，光路上一一对应。当雷达线数较高时，比如128线激光雷达中，就需要由128个激光源LD与128线的探测器APD(avalanche photo diodes，雪崩光电二极管)，这种技术下的高线束激光雷达的器件数目巨大，成本高，调试难度大。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种元件数量少、成本低、调试简单的新型高线数MEMS激光雷达系统。其具体方案如下：
一种新型高线数MEMS激光雷达系统，包括：
激光发射模块，用于产生激光，以实现激光扫描；
旋转反射模块，用于调整所述激光的方向使所述激光投射到待测物体，还用于折射所述激光投射到所述待测物体后的反射激光；
激光接收模块，包括：用于接收所述反射激光并将所述反射激光折射为目标光斑的折射透镜组，排布有多个APD像元、用于接收所述目标光斑的线列APD；所述目标光斑的宽度大于两个相邻的所述APD像元的间隙宽度；
与所述激光发射模块、所述激光接收模块均连接的数据处理模块，用于测量所述激光的飞行时间。
优选的，所述激光发射模块包括激光驱动电路、激光器、发射透镜组、MEMS驱动电路和MEMS微镜，其中：
所述激光驱动电路驱动所述激光器产生所述激光，所述发射透镜组对所述激光进行准直操作并将所述激光投射到所述MEMS微镜上，所述MEMS微镜将所述激光折射到所述旋转反射模块，所述MEMS驱动电路驱动所述MEMS微镜变换角度。
优选的，所述旋转反射模块包括：
折射所述激光的双面旋转反射镜；
控制所述双面旋转反射镜的电机。
优选的，所述数据处理模块包括：
与所述线列APD连接的信号放大电路；
通道个数与所述APD像元的个数相同、与所述信号放大电路连接的接收通道选择单元；
与所述接收通道选择单元连接的高速ADC；
与所述激光发射模块、所述接收通道选择单元、所述高速ADC均连接，用于测量飞行时间的高速处理器。
优选的，所述接收通道选择单元具体用于：
根据所述目标光斑所覆盖的所述APD像元，确定对应连续的多个接收通道，以对所述目标光斑所覆盖的所述APD像元的回波信号求和得到总信号。
优选的，所述激光发射模块，具体用于产生激光，以实现激光俯仰扫描。
优选的，所述目标光斑的宽度具体为所述线列APD上两个相邻的所述APD像元的外侧边之间的距离。
优选的，所述APD线列排布有16个APD像元。
本申请公开了一种新型高线数MEMS激光雷达系统，包括：激光发射模块，用于产生激光，以实现激光扫描；旋转反射模块，用于调整所述激光的方向使所述激光投射到待测物体，还用于折射所述激光投射到所述待测物体后的反射激光；激光接收模块，包括：用于接收所述反射激光并将所述反射激光折射为目标光斑的折射透镜组，排布有多个APD像元、用于接收所述目标光斑的线列APD；所述目标光斑的宽度大于两个相邻的所述APD像元的间隙宽度；与所述激光发射模块、所述激光接收模块均连接的数据处理模块，用于测量所述激光的飞行时间。本申请中激光接收模块包括折射透镜组和线列APD，由于目标光斑的宽度大于两个相邻APD像元的间隙宽度，因此不要求APD像元的个数必须与发射激光线数一致，所有反射激光均可投射到APD像元上，解除了现有技术中雷达线数必须与探测器数量相等的限制，从而可选择数量较少的APD像元来实现高线数雷达，本申请使用元件数量较少，器件成本低，容易调试，降低了应用和操作难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种MEMS激光雷达的结构分布图；
图2为本发明实施例中一种具体的MEMS激光雷达的结构分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，机械旋转式激光雷达的线数是由激光源LD数目决定，并且探测器数目和LD数目相等，光路上一一对应。当雷达线数较高时，比如128线激光雷达中，就需要由128个激光源LD与128线的探测器APD，这种技术下的高线束激光雷达的器件数目巨大，成本高，调试难度大。
本申请中激光接收模块包括折射透镜组和线列APD，由于目标光斑的宽度大于两个相邻APD像元的间隙宽度，因此不要求APD像元的个数必须与发射激光线数一致，所有反射激光均可投射到APD像元上，本申请使用元件数量较少，器件成本低，容易调试，降低了应用和操作难度。
本发明实施例公开了一种新型高线数MEMS激光雷达系统，参见图1所示，包括：
激光发射模块1，用于产生激光，以实现激光扫描；
旋转反射模块2，用于调整激光的方向使所述激光投射到待测物体，还用于折射激光投射到所述待测物体后的反射激光；
激光接收模块3，包括：用于接收反射激光并将反射激光折射为目标光斑的折射透镜组31，排布有多个APD像元30、用于接收目标光斑的线列APD 32；目标光斑的宽度大于两个相邻APD像元30的间隙宽度；
与激光发射模块1、激光接收模块3均连接的数据处理模块4，用于测量激光的飞行时间。
可以理解的是，激光发射模块1通过MEMS控制产生设定线数的激光，以实现对待测物体的激光俯仰扫描。
可以理解的是，目标光斑的宽度被设置为大于两个相邻APD像元30的间隙宽度，因此不论目标光斑的位置在哪，总会有APD像元30被目标光斑覆盖到，从而被覆盖到的APD像元30实现对待测物体的回波信号的探测。这种设置不再对APD像元30的个数限制，利用较少的APD像元30即可实现较高线数的激光雷达。例如，APD线列仅排布有16个APD像元30，而整个新型高线数MEMS激光雷达系统可实现高线数激光测试，如128线、256线等。
本申请中激光接收模块包括折射透镜组和线列APD，由于目标光斑的宽度大于两个相邻APD像元的间隙宽度，因此不要求APD像元的个数必须与发射激光线数一致，所有反射激光均可投射到APD像元上，解除了现有技术中雷达线数必须与探测器数量相等的限制，从而可选择数量较少的APD像元来实现高线数雷达，本申请使用元件数量较少，器件成本低，容易调试，降低了应用和操作难度。
本发明实施例公开了一种具体的新型高线数MEMS激光雷达系统，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的，参见图2所示：
其中，激光发射模块1包括激光驱动电路11、激光器12、发射透镜组13、MEMS微镜14和MEMS驱动电路15，其中：
激光驱动电路11驱动激光器12产生激光，发射透镜组3对激光进行准直操作并将激光投射到MEMS微镜14上，MEMS微镜14将激光折射到旋转反射模块12，MEMS驱动电路15驱动MEMS微镜14变换角度。
具体的，MEMS驱动电路15驱动MEMS微镜14在竖直平面内振动，激光经过MEMS微镜14反射射出，实现竖直方向的扫描。其中，竖直方向上扫描线数由MEMS微镜14在一个震动周期内激光器12发射脉冲激光的次数决定，激光器12的脉冲输出必须匹配MEMS微镜14的震动相位。本实施例只使用了一个激光器，激光器的数目降低。
进一步的，旋转反射模块2包括：
折射激光的双面旋转反射镜21；
控制双面旋转反射镜21的电机22。
可以理解的是，双面旋转反射镜21没旋转180°完成一次激光的水平方向扫描，双面旋转反射镜21的上半部分反射发射的激光，以调整激光的方向，下半部分反射来自被测物体的反射激光，反射激光最终进入激光接收模块3。
可以理解的是，激光接收模块3中，折射透镜组31实现对反射激光的聚焦，使之在线列APD 32上形成目标光斑，该目标光斑尺寸较大，至少要大于两个相邻APD像元30之间的间隙宽度；由于激光在MEMS微镜14震动条件下实现了俯仰扫描，目标光斑也将在竖直方向上上下移动，线列APD 32上的多个APD像元30竖直从上到下排列，如图2所示，目标光斑在移动过程中始终能够覆盖至少一个APD像元30，使得后续数据处理模块4始终能够接收到待测物体的回波信号。进一步的，还可设置目标光斑的宽度具体为线列APD上两个相邻的APD像元30的外侧边之间的距离，其具体情况为以目标光斑a和目标光斑b为例。
进一步的，数据处理模块4包括：
与线列APD 32连接的信号放大电路41；
通道个数与APD像元30的个数相同、与信号放大电路41连接的接收通道选择单元42；
与接收通道选择单元42连接的高速ADC 43；
与激光发射模块1、接收通道选择单元42、高速ADC 43均连接，用于测量飞行时间的高速处理器44。
其中，信号放大电路41实际上是多路小信号放大电路41。
进一步的，接收通道选择单元42，简称选通开关，具体用于：
根据目标光斑所覆盖的APD像元30，确定对应连续的多个接收通道，以对目标光斑所覆盖的APD像元30的回波信号求和得到总信号。
以16个APD像元30为例，接收通道选择单元设置16个接收通道(ch1～ch16)与16个像元一一对应，可设置两级结构，第一级分为A、B、C、D四个子块，每个子块内部包括四个接收通道，并4选1输出，在分组时需要遵循：相邻编号的接收通道始终分布在不同的子块内。第一级选择后有四个输出分别为Aout、Bout、Cout和Dout，然后进入第二级，第二级包括四个单刀单掷开关，在高速处理器44的控制下经过第一级和第二级的配合选择，并在与激光发射对应的时隙选择该时隙时目标光斑所覆盖的APD像元30对应的接收通道，然后对所有回波信号进行加法计算，得出目标光斑的总信号。
进一步的，回波信号的总信号被传递给高速ADC 43，高速ADC 43将接收模拟信号转为数字信息传递给高速处理器44，高速处理器44结合数字信息和激光发射时刻，通过飞行时间相关的算法，完成飞行时间的测量计算。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种新型高线数MEMS激光雷达系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种新型高线数MEMS激光雷达系统，其特征在于，包括：
激光发射模块，用于产生激光，以实现激光扫描；
旋转反射模块，用于调整所述激光的方向使所述激光投射到待测物体，还用于折射所述激光投射到所述待测物体后的反射激光；
激光接收模块，包括：用于接收所述反射激光并将所述反射激光折射为目标光斑的折射透镜组，排布有多个APD像元、用于接收所述目标光斑的线列APD；所述目标光斑的宽度大于两个所述APD像元的间隙宽度；
与所述激光发射模块、所述激光接收模块均连接的数据处理模块，用于测量所述激光的飞行时间。
2.根据权利要求1所述新型高线数MEMS激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射模块包括激光驱动电路、激光器、发射透镜组、MEMS驱动电路和MEMS微镜，其中：
所述激光驱动电路驱动所述激光器产生所述激光，所述发射透镜组对所述激光进行准直操作并将所述激光投射到所述MEMS微镜上，所述MEMS微镜将所述激光折射到所述旋转反射模块，所述MEMS驱动电路驱动所述MEMS微镜变换角度。
3.根据权利要求2所述新型高线数MEMS激光雷达系统，其特征在于，所述旋转反射模块包括：
折射所述激光的双面旋转反射镜；
控制所述双面旋转反射镜的电机。
4.根据权利要求1所述新型高线数MEMS激光雷达系统，其特征在于，所述数据处理模块包括：
与所述线列APD连接的信号放大电路；
通道个数与所述APD像元的个数相同、与所述信号放大电路连接的接收通道选择单元；
与所述接收通道选择单元连接的高速ADC；
与所述激光发射模块、所述接收通道选择单元、所述高速ADC均连接，用于测量飞行时间的高速处理器。
5.根据权利要求4所述新型高线数MEMS激光雷达系统，其特征在于，所述接收通道选择单元具体用于：
根据所述目标光斑所覆盖的所述APD像元，确定对应连续的多个接收通道，以对所述目标光斑所覆盖的所述APD像元的回波信号求和得到总信号。
6.根据权利要求1至5任一项所述新型高线数MEMS激光雷达系统，其特征在于，
所述激光发射模块，具体用于产生激光，以实现激光俯仰扫描。
7.根据权利要求6所述新型高线数MEMS激光雷达系统，其特征在于，
所述目标光斑的宽度具体为所述线列APD上两个相邻的所述APD像元的外侧边之间的距离。
8.根据权利要求7所述新型高线数MEMS激光雷达系统，其特征在于，
所述APD线列排布有16个APD像元。
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