CN111289955A - 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

本申请公开一种基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，包括发射模块、控制模块和接收模块；发射模块包括发射驱动板、半导体激光器、透镜组和扫描组件；接收模块包括接收镜头、阵列探测器和接收信号电路板；控制模块包括MEMS振镜驱动电路板和FPGA控制电路板；发射驱动电路板为半导体激光器供电以驱动其发光，通过透镜组整形照射到MEMS振镜进行扫描发射；接收镜头接收回波信号，阵列探测器接收回波信号，经接收信号电路板处理后输入FPGA控制电路板；FPGA控制电路板进行测距处理并根据阵列探测器像元的位置得到角度信息和距离信息，形成三维扫描点云。本申请的雷达系统结构紧凑，便于安装调节，实现大视场的三维扫描激光雷达。

Description

一种基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达
技术领域
本申请涉及激光雷达探测技术领域，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，并开始应用于无人驾驶技术，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。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，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，每个激光管之间有一定的夹角，同时在对称面有相应的接收探测器进行接收，保证每一个接收探测器和发射激光管的视场角相对应，因此在安装调节过程中非常复杂。目前更多的开始使用MEMS（ Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）激光雷达，但是MEMS激光雷达在水平和俯仰两个方向的视场角非常大，尤其是水平方向，一般水平方向视场角在40-150°，为了达到大的接收视场，一般都需要使用更大的像面进行接收，但是之前使用的APD（（Avalanche Photo Diode，光电二极管））阵列探测器，填充因子较高，探测器之间间隙较大，同时由于MEMS振镜的角度随着温度和电压的变化而变化，使用MEMS振镜提供的角度信息得到点云很不准确。
发明内容
本申请提供了一种基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，包括发射模块、控制模块和接收模块；所述发射模块包括发射驱动板、半导体激光器、透镜组和扫描组件；所述接收模块包括接收镜头、阵列探测器和接收信号电路板；所述控制模块包括MEMS振镜驱动电路板和FPGA控制电路板；
所述发射驱动电路板为所述半导体激光器供电，驱动所述半导体激光器发光，所述半导体激光器通过所述透镜组整形，然后照射到MEMS振镜，由所述扫描组件进行扫描发射；
所述接收镜头接收经MEMS振镜反射后的回波信号，阵列探测器上多个像元同时接收回波信号，经接收信号电路板放大处理后输入FPGA控制电路板；
所述MEMS振镜驱动电路板控制MEMS振镜振动并进行扫描，FPGA控制电路板对测距进行处理并根据阵列探测器上像元的位置得到角度信息和距离信息，形成三维扫描点云。
如上所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其中，所述半导体激光器采用4×75W的半导体激光器芯片模块或者多个120W的半导体激光器，芯片排布按照快轴方向发散角平行排布，整形单元使用柱面透镜进行长条状整形，慢轴方向发散角为0.1°-12°之间，快轴方向发散角可以为0.1°-25°之间，多个整形单元串行发射或并行发射。
如上所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其中，所述扫描组件为一维或者二维MEMS振镜，其扫描光学角度在30-60°，通过使用2-5个发射模组照射振镜得到最大150°的发射视场角。
如上所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其中，所述激光雷达的光路结构为发射和接收分离方式，其中发射模块和接收模块为左右并列的形式，一侧的发射光照射到振镜上，扫描待测物，另一侧接收镜头直接接收。
如上所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其中，接收信号电路板包括跨组放大电路、电压放大电路和比较器；通过接收镜头接收反射回波，使用阵列探测器进行多个像元并行传输，然后通过跨阻放大电路和电压放大电路放大，通过比较器进行比较，将信号传输到FPGA控制电路板中。
如上所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其中，所述控制模块提供发射不同的编码序列，包括相位调制和脉宽调制，脉冲宽度在500PS-5ns，编码序列和解码参考序列满足正交性。
如上所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其中，MEMS振镜驱动电路板包括放大电路、低通滤波器和数模转换器，MEMS振镜驱动电路板将FPGA控制电路板的控制信号进行放大、滤波及数模转换后，控制MEMS振镜进行振动，通过MEMS振镜的振动调整发射光线经MEMS振镜反射后的反射方向。
如上所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其中，FPGA控制电路板内设置有若干数量TDC时间线对接收模块发出的信号进行采集计时，通过多条TDC时间线同时采集多个像元回波的信号，然后通过将反射光信号与参考信号序列进行相关运算，根据计算出的时延和距离得出单元点云信息，将每次的单元点云信息进行拼接组成三维视场的点云信息。
如上所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其中，FPGA控制电路板具体包括发射序列发生器、扫描波形发生器、采样器、相关处理器，以及延时和距离计算单元；发射序列发生器用于在同步脉冲作用下循环产生一串周期性的二进制信号，振镜扫描波形发生器用于对信号进行数字调频调幅，通过采样器对接收信号进行采集，将采集信号经相关处理器进行相关性处理，最后经延时和距离计算单元进行延时和距离计算，最终得到信号传输的延时和距离。
如上所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其中，FPGA控制电路板内设置的FPGA控制程序的运算包括时钟模块、采样模块、FPGA控制模块、相关运算模块、计算处理模块以及编码序列模块；FPGA控制模块控制编码序列模块生成带有序列编码的序列波形驱动激光发射端，然后模拟接收信号输入，经过采样模块采样，然后在相关运算模块中进行相关和求导计算，最后通过计算处理模块对相关求导后的波形数据零点值附近进行内插正相关值和负相关值来精确计算时延信息。
本申请实现的有益效果如下：采用本申请提供的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，解决了现有阵列探测器由于间隙较大所导致的探测盲区的问题，光路便于组装和调节，能够实现大视场的三维扫描激光雷达。
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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达系统示意图；
图2是本申请提供的三维扫描激光雷达的发射光路示意图；
图3是本申请提供的三维扫描激光雷达的接收光路示意图；
图4为本申请三维扫描激光雷达的FPGA控制程序中的相关运算模块图；
图5为本申请三维扫描激光雷达的参考信号和接收信号获取及处理流程图；
图6为本申请三维扫描激光雷达的信号传输示意图。
具体实施方式
下面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。
实施例一
本申请实施例一提供一种基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，如图1所示，包括发射模块、控制模块和接收模块，以下对各模块进行详细描述：
（1）发射模块包括发射驱动电路板、半导体激光器、透镜组和扫描组件；发射驱动电路板为半导体激光器供电，驱动半导体激光器发光，然后半导体激光器通过透镜组整形，光斑形状为长方形或正方形，然后照射到MEMS振镜，由扫描组件进行扫描发射。
半导体激光器优选采用4×75W的半导体激光器芯片模块或者多个120W的半导体激光器，芯片排布按照快轴方向发散角平行排布，整形单元使用柱面透镜进行长条状整形，慢轴方向发散角为0.1°-12°之间，快轴方向发散角可以为0.1°-25°之间，多个单元可以串行发射也可以并行发射；
图2是本申请提供的三维扫描激光雷达的发射光路示意图，如图2所示，具体地，对慢轴方向发散角使用20mm焦距柱透镜进行准直，发散角为10mrad，垂直方向发散角保持25°，光斑形状为0.6°*25°的长方形光斑。MEMS振镜使用其尺寸为10*10mm的一维振镜，一维振动角度为60°，振动频率在100-500HZ，振镜在水平方向进行60°度扫描，通过两组发射照射MEMS振镜，组合其发射视场角为25°*120°，每隔0.3°发射一次。
此外，扫描组件可以是一维或者二维MEMS振镜，其扫描光学角度在30-60°，通过使用2-5个发射模组照射振镜得到最大150°的发射视场角。
（2）接收模块包括接收镜头、探测器（如SPAD阵列探测器或MPPC阵列探测器）、接收信号电路板。本申请所述激光雷达的光路结构为发射和接收分离方式，其中发射模块和接收模块为左右并列的形式，一侧的发射光照射到振镜上，扫描待测物，另一侧接收镜头直接接收。
其中，接收镜头可以使用的接收视场为60-150°，焦距在8-25mm之间，F数在1-2.8之间，接收镜头接收经MEMS振镜反射后的回波信号；图3为本申请三维扫描激光雷达的接收光路示意图，如图3所示，接收镜头优选采用焦距16mm、F数为1.4、接收视场角为120°的接收镜头；探测器可以采用如SPAD阵列探测器或MPPC阵列探测器，单元像素个数为n*m，n的取值在10-200，m的取值为16-800，例如使用探测器为列*行=100*400的SPAD阵列探测器，列中的100个像元可以同时并行传输接收回波信号；
接收信号电路板包括跨组放大电路、电压放大电路和比较器；通过接收镜头接收反射回波，使用SPAD阵列探测器进行100个像元并行传输，然后通过跨阻放大电路和电压放大电路放大，通过比较器进行比较，将信号传输到FPGA控制电路板中。
（3）控制模块包括MEMS振镜驱动电路板和FPGA（Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列）控制电路板；
MEMS振镜驱动电路板包括放大电路、低通滤波器和数模转换器，MEMS振镜驱动电路板将FPGA控制电路板的控制信号进行放大、滤波及数模转换后，控制MEMS振镜进行振动，通过MEMS振镜的振动调整发射光线经MEMS振镜反射后的反射方向。
FPGA控制电路板内设置有若干数量（优选100个）TDC时间线对接收模块发出的信号进行采集计时，优选地1-4条TDC时间线用于对发射进行计时，1-100条TDC时间线对接收进行计时，通过FPGA控制电路板对接收模块多个像素单元进行计时处理，可以实现一次发射，得到多个角度和距离信息；FPGA控制电路板具体包括发射序列发生器、扫描波形发生器、采样器、相关处理器，以及延时和距离计算单元，其中，发射序列发生器用于在同步脉冲作用下循环产生一串周期性的二进制信号、振镜扫描波形发生器用于对信号进行数字调频调幅，然后通过采样器对接收信号进行采集，将采集信号经相关处理器进行相关性处理，最后经延时和距离计算单元进行延时和距离计算，最终得到信号传输的延时和距离。
如图4所示，FPGA控制电路板内设置的FPGA控制程序的运算主要包括时钟模块、采样模块、FPGA控制模块、相关运算模块、计算处理模块以及编码序列模块；FPGA控制模块控制编码序列模块生成带有序列编码的序列波形去驱动激光发射端，然后模拟接收信号输入，经过采样模块采样，然后在相关运算模块中进行相关和求导计算，最后通过计算处理模块对相关求导后的波形数据零点值附近进行内插正相关值和负相关值来精确计算时延信息；
本申请实施例中，FPGA控制程序中的参考信号和接收信号获取及处理流程如图5所示，具体包括如下子步骤：
Step1、在开始采集过程之前，设置获取参考波形所需的参数；
Step2、接收脉冲串序列，从接收到的脉冲串序列中获取上升沿和下降沿个数，将上升沿和下降沿个数相加并计数；
Step3、下载边缘总数，使用信号斜率获取信号波形，对接收的信号波形进行相关处理，估计接收波形到达时间与发射波形时间之间的时间差，根据估计的时间差确定过零点；
具体地，先下载边缘差异数据至存储处理器，然后计算斜率并积分以获取参数信号波形并存储；在对接收信号波形进行相关处理前还包括设置接收信号获取所需参数，接收信号波形后使用相关计算结果求导数据的过零点来确定接收波形到达时间与发射波形时间之间的时间差；
需要说明的是，在获取参考信号和接收信号后，对信号进行采样及边缘检测，还需要判断采样及边缘检测结果是否达到期望值，如果是，则继续后续操作，否则需要重新进行采样及边缘检测，直至满足期望值。
Step4、通过对过零点内插正相关值和负相关值精确计算过零点延迟，将过零点延迟转换为目标距离；
具体地，通过计算公式L=c*∆t/2将延时转换为目标距离，其中c为光在空气介质中的速度，∆t为从发射开始到接收结束的计时。
需要说明的是，本申请实施例中的控制模块可以提供发射不同的编码序列，可以为相位调制或脉宽调制，脉冲宽度在500PS-5ns，编码序列和解码序列满足正交性。
具体地，如图6所示，阵列探测器接收到返回信号后（阵列探测器上设置多个像元进行信号的同时接收），多个回波信号经过信号放大、阈值比较后传输至FPGA控制电路板，在FPGA控制电路板内部通过建立的100条TDC时间线读取100条时间信号进行读取测距，通过多条TDC时间线同时采集多个像元回波的信号，然后通过将反射光信号与参考信号序列进行相关运算，根据计算出的时延和距离得出单元点云信息，使用测距公式得出距离L =c*∆t/2，c为光在空气介质中的速度，∆t为从发射开始到接收结束的计时，结合阵列探测器所测像元位置得到的角度信息得出单元点云信息；
由于一次发射得到多个角度测距单元点云信息，因此将每次的单元点云信息进行拼接组成三维视场为25*120°的点云信息；由此实现通过对MEMS振镜的振动扫描得到多个单元点云信息进行拼接，得到整个扫描角度的三维点云信息，实现大视场的三维扫描激光雷达。
本申请所提供的激光雷达巧妙的运用了阵列探测器多个像元的特点，通过像元位置得到角度信息，另外阵列探测器的使用同时解决了APD间隙较大，造成探测盲区的问题，同时该光路便于组装和调节，是一种新型的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，包括发射模块、控制模块和接收模块；所述发射模块包括发射驱动板、半导体激光器、透镜组和扫描组件；所述接收模块包括接收镜头、阵列探测器和接收信号电路板；所述控制模块包括MEMS振镜驱动电路板和FPGA控制电路板；
所述发射驱动电路板为所述半导体激光器供电，驱动所述半导体激光器发光，所述半导体激光器发出的光通过所述透镜组整形，然后照射到MEMS振镜，由MEMS振镜上的扫描组件进行扫描发射；
所述接收镜头接收经MEMS振镜反射后的回波信号，阵列探测器上多个像元同时接收回波信号，经接收信号电路板放大处理后输入FPGA控制电路板；
所述MEMS振镜驱动电路板控制MEMS振镜振动并进行扫描，FPGA控制电路板对测距进行处理并根据阵列探测器上像元的位置得到角度信息和距离信息，形成三维扫描点云；
所述FPGA控制电路板具体执行如下操作：
Step1、在开始采集过程之前，设置获取参考波形所需的参数；
Step2、接收脉冲串序列，从接收到的脉冲串序列中获取上升沿和下降沿个数，将上升沿和下降沿个数相加并计数；
Step3、下载边缘总数，使用信号斜率获取信号波形，对接收的信号波形进行相关处理，估计接收波形到达时间与发射波形时间之间的时间差，根据估计的时间差确定过零点；
Step4、通过对过零点内插正相关值和负相关值精确计算过零点延迟，将过零点延迟转换为目标距离。
2.如权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述半导体激光器采用4×75W的半导体激光器芯片模块或者多个120W的半导体激光器，芯片排布按照快轴方向发散角平行排布；
所述半导体激光器发出的光通过所述透镜组整形，具体为所述半导体激光器发出的光通过由透镜组组成的整形单元进行长条状整形，透镜组具体为柱面透镜，即整形单元使用柱面透镜对所述半导体激光器发出的光进行长条状整形，慢轴方向发散角为0.1°-12°之间，快轴方向发散角为0.1°-25°之间，多个整形单元串行发射或并行发射。
3.如权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述扫描组件设置在一维或者二维MEMS振镜上，其扫描光学角度在30-60°，通过使用2-5个发射模组照射振镜得到最大150°的发射视场角。
4.如权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述激光雷达的光路结构为发射和接收分离方式，其中发射模块和接收模块为左右并列的形式，一侧的发射光照射到振镜上，扫描待测物，另一侧接收镜头直接接收。
5.如权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，接收信号电路板包括跨阻放大电路、电压放大电路和比较器；通过接收镜头接收反射回波，使用阵列探测器进行多个像元并行传输，然后通过跨阻放大电路和电压放大电路放大，通过比较器进行比较，将信号传输到FPGA控制电路板中。
6.如权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，所述控制模块能够发射不同的编码序列，包括相位调制和脉宽调制，脉冲宽度在500ps-5ns，编码序列和解码参考序列满足正交性。
7.如权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，MEMS振镜驱动电路板包括放大电路、低通滤波器和数模转换器，MEMS振镜驱动电路板将FPGA控制电路板的控制信号进行放大、滤波及数模转换后，控制MEMS振镜进行振动，通过MEMS振镜的振动调整发射光线经MEMS振镜反射后的反射方向。
8.如权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，FPGA控制电路板内设置有若干数量TDC时间线对接收模块发出的信号进行采集计时，通过多条TDC时间线同时采集多个回波信号，然后通过将回波信号与参考信号序列进行相关运算，根据计算出的延时和距离得出单元点云信息，将每次的单元点云信息进行拼接组成三维视场的点云信息。
9.如权利要求8所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，FPGA控制电路板具体包括发射序列发生器、扫描波形发生器、采样器、相关处理器，以及延时和距离计算单元；发射序列发生器用于在同步脉冲作用下循环产生一串周期性的二进制信号，振镜扫描波形发生器用于对信号进行数字调频调幅，通过采样器对接收信号进行采集，将采集信号经相关处理器进行相关性处理，最后经延时和距离计算单元进行延时和距离计算，最终得到信号传输的延时和距离。
10.如权利要求1所述的基于MEMS振镜的三维扫描激光雷达，其特征在于，FPGA控制电路板内设置的FPGA控制程序包括时钟模块、采样模块、FPGA控制模块、相关运算模块、计算处理模块以及编码序列模块；FPGA控制模块控制编码序列模块生成带有序列编码的序列波形驱动激光发射端，然后模拟接收信号输入，经过采样模块采样，然后在相关运算模块中进行相关和求导计算，最后通过计算处理模块对相关求导后的波形数据零点值附近进行内插正相关值和负相关值来精确计算延时信息。
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