CN111366907A - 一种mems三维激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MEMS三维激光雷达系统，包括激光发射模块，光束控制模块，激光探测模块和控制器。本发明的有益效果是：实现水平方向上的探测视场扩展，可以较好的获取方形视场内的深度图像信息，探测距离远且成本较低。

Description

一种MEMS三维激光雷达系统
技术领域
本发明涉及雷达系统，尤其涉及一种MEMS三维激光雷达系统。
背景技术
现有技术一、一种线扫描激光雷达系统，专利申请号：CN201811317323.8，公开号为CN109490908A。主要包括激光发射模块，光束控制模块，激光探测模块和控制器模块等。其中，激光发射模块主要产生准直后的激光光束，经光栅板透射可以在纵向上扩束；光束控制模块主要将发射光束在水平方向上扫描，因此形成一个面状的扫描视场；激光探测模块主要通过深度传感芯片对面状扫描视场内障碍物及目标进行感光深度成像，并将处理后的信号传送至控制器模块；最终，控制器模块完成整体系统的同步控制工作，并对激光探测模块得到的信号进行处理，获取整个面状扫描视场内的深度信息。
现有技术二、现有的高端多线束激光雷达往往采用多激光器多探测器(发射接收对)的方案，如美国Velodyne公司的激光雷达VLP-64采用64个激光器和64个APD探测器，在光路上一一对应，实现目标区域纵向64点探测。然后整体光路系统位于一个水平旋转电机上，实现水平360°扫描探测。
现有技术一所使用的深度传感芯片单像素像元较小，由于接收光路采用的近红外广角镜头景深有限，因而深度成像距离受限，难以实现视场区域内近距离及远距离目标的同时测量。
现有技术二为目前主流三维激光雷达方案，其整体性能强烈依赖于发射接收对的数量，即硬件数量越高性能越好，但因此带来了成本高，体积大的缺点，且由于采用了电机旋转的方式，这将削减其整体使用寿命。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种MEMS三维激光雷达系统。
本发明提供了一种MEMS三维激光雷达系统，包括激光发射模块，光束控制模块，激光探测模块和控制器，其中，所述光束控制模块包括MEMS微镜驱动及其反馈电路、MEMS微镜和光学扩束元件，所述激光探测模块包括光学接收元件，水平聚光元件，线阵APD探测器和信号处理电路，所述控制器的输出端与所述激光发射模块的输入端连接，所述控制器与所述MEMS微镜驱动及其反馈电路双向连接，所述线阵APD探测器的输出端与所述信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与所述控制器的输入端连接，所述MEMS微镜驱动及其反馈电路与所述MEMS微镜双向连接，所述激光发射模块发射激光脉冲发射光束，先后经所述MEMS微镜的反射、光学扩束元件的扩束投射到视场空间，所述光学扩束元件将点状激光光斑纵向扩束为线状光斑，并且，随着所述MEMS微镜在水平方向扫描，最终形成方形的视场空间，所述光学接收元件，水平聚光元件一起构成了接收光学系统，以收集方形的视场空间内经目标反射后的激光脉冲发射光束并聚集至所述线阵APD探测器的光敏面上，随后经所述信号处理电路处理，为所述控制器实时提供经目标反射后的接收脉冲光束信息。
作为本发明的进一步改进，所述MEMS微镜驱动及其反馈电路实时控制所述MEMS微镜在水平方向上的偏转角，以此来控制激光脉冲发射光束经MEMS微镜反射后的水平方位角。
作为本发明的进一步改进，所述激光发射模块包括脉冲激光器及其驱动电路、准直光学模块，所述脉冲激光器及其驱动电路发射出椭圆形光斑，经所述准直光学模块进行准直，然后射入所述MEMS微镜。
作为本发明的进一步改进，采用光纤耦合激光二极管配合光纤准直器以替代所述准直光学模块。
作为本发明的进一步改进，所述光学扩束元件采用光栅板或者鲍威尔棱镜。
作为本发明的进一步改进，所述水平聚光元件为水平聚光锥，经目标反射后的激光脉冲发射光束先后经光学接收元件的接收、水平聚光锥的水平聚光，再射入所述线阵APD探测器的光敏面上。
作为本发明的进一步改进，所述水平聚光锥的截面为等腰梯形，该等腰梯形的高沿水平面设置，水平倾斜角为θ，上底为入射面，入射光束的入射角度为α，上底的宽度为D1，下底为出射面，出射角度为β，下底的宽度为D2，D1＞D2，水平倾斜角满足下式：
Figure BDA0002440348560000021
作为本发明的进一步改进，所述水平聚光锥至少有两个，相邻两个所述水平聚光锥的腰的所在平面相互贴合呈扇形。
作为本发明的进一步改进，所述水平聚光锥用于增强接收光路在水平方向上的视场角，以此让单线APD阵列可以探测面阵视场目标，包括且不限于本文中所提出的水平聚光锥组装体。
作为本发明的进一步改进，所述线阵APD探测器为单线APD阵列。
本发明的有益效果是：通过上述方案，实现水平方向上的探测视场扩展，可以较好的获取方形视场内的深度图像信息，探测距离远且成本较低。
附图说明
图1是本发明一种MEMS三维激光雷达系统的原理示意图。
图2是本发明一种MEMS三维激光雷达系统的水平聚光元件的原理示意图。
图3是本发明一种MEMS三维激光雷达系统的水平聚光元件的组装示意图。
图4是本发明一种MEMS三维激光雷达系统的水平聚光元件的另一组装示意图。
图5是本发明一种MEMS三维激光雷达系统的发射接收示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至图5所示，一种MEMS三维激光雷达系统，包括激光发射模块，光束控制模块，激光探测模块和控制器1，其中，所述光束控制模块包括MEMS微镜驱动及其反馈电路4、MEMS微镜5和光学扩束元件，所述激光探测模块包括光学接收元件7，水平聚光元件8，线阵APD探测器9和信号处理电路10，所述控制器1的输出端与所述激光发射模块的输入端连接，所述控制器1与所述MEMS微镜驱动及其反馈电路4双向连接，所述线阵APD探测器9的输出端与所述信号处理电路10的输入端连接，所述信号处理电路10的输出端与所述控制器1的输入端连接，所述MEMS微镜驱动及其反馈电路4与所述MEMS微镜5双向连接，所述激光发射模块发射激光脉冲发射光束，先后经所述MEMS微镜5的反射、光学扩束元件的扩束投射到视场空间，所述光学扩束元件将点状激光光斑纵向扩束为线状光斑，并且，随着所述MEMS微镜4在水平方向扫描，最终形成方形的视场空间102，所述光学接收元件7，水平聚光元件8一起构成了接收光学系统，以收集方形的视场空间102内经探测目标或障碍物101反射后的激光脉冲发射光束并聚集至所述线阵APD探测器9的光敏面上，随后经所述信号处理电路10处理，为所述控制器1实时提供经探测目标或障碍物101反射后的接收脉冲光束信息。
如图1至图5所示，所述MEMS微镜驱动及其反馈电路4实时控制所述MEMS微镜5在水平方向上的偏转角，以此来控制激光脉冲发射光束经MEMS微镜5反射后的水平方位角。
如图1至图5所示，所述激光发射模块包括脉冲激光器及其驱动电路2、准直光学模块3，所述脉冲激光器及其驱动电路2发射出椭圆形光斑，经所述准直光学模块3进行准直，然后射入所述MEMS微镜5，脉冲激光器优选为脉冲激光二极管21，准直光学模块3优选为。
如图1至图5所示，优选采用光纤耦合激光二极管配合光纤准直器以替代所述准直光学模块3准直透镜31。
如图1至图5所示，所述光学扩束元件优选采用光栅板6或者鲍威尔棱镜。
如图1至图5所示，所述水平聚光元件8优选为水平聚光锥81，经目标反射后的激光脉冲发射光束先后经光学接收元件7的接收、水平聚光锥81的水平聚光，再射入所述线阵APD探测器9的光敏面上。
如图1至图5所示，所述水平聚光锥81的截面为等腰梯形，如图2所示，图2为水平聚光锥81的俯视图，该等腰梯形的高沿水平面设置，水平倾斜角为θ，上底为入射面，入射光束的入射角度为α，上底的宽度为D1，下底为出射面(此处后面紧贴线阵APD探测器9的光敏面)，出射角度为β，下底的宽度为D2，D1＞D2，在水平方向上，入射光束从左侧宽口入射，在聚光锥内多次全反射，最终在右侧窄口出射，达到在水平方向上聚光的目的。根据几何光学理论计算可知，在不考虑材料透过率的情况下，达到百分百入射光汇聚效果只需满足如下表达式：
Figure BDA0002440348560000041
实际情况中，由于材料对入射光透过率不能达到100％，且入射光在两侧界面存在反射损失等，实际的聚光能力(即接收光功率对比)为约十几倍的提升，可以将水平方向探测角度提升至约±30°。
如图1至图5所示，所述水平聚光锥81至少有两个，相邻两个所述水平聚光锥81的腰的所在平面相互贴合呈扇形，如图3所示，三个水平聚光锥81通过胶合方式组装在一起，如图4所示，五个水平聚光锥81通过胶合方式组装在一起。
水平聚光元件可以由多个聚光锥组装构成，数量不定。从光学设计原理上看，聚光锥锥角越小，组装数量越多，其能在水平方向上放大接收光信号强度的倍数越高，且更能有效缩短聚光锥长度，但是聚光锥加工及组装难度越高，工程上更难实现。
如图1至图5所示，所述线阵APD探测器9优选为单线APD阵列91。
如图1至图5所示，所述水平聚光锥81可以实现水平方向上的探测视场扩展，以此让单线APD阵列91可以匹配方形视场区域，获取方形视场内的深度图像信息。
本发明提供的一种MEMS三维激光雷达系统，脉冲激光器通常采用脉冲激光二极管，其产生的光脉冲宽度为ns量级，光斑形状为椭圆形光斑，且横向和纵向发散角不一致。准直光学模块3通常采用一个非球面的平凸透镜，以此来准直光束；或者也可以采用光纤耦合激光二极管配合光纤准直器的方式得到一个准直性好且光斑尺寸小的光束，这样可以方便使用MEMS微镜对其进行光束偏转。来自控制器1的MEMS微镜扫描控制信号经驱动及其反馈电路可以实时控制MEMS微镜5在水平方向上的偏转角，以此来控制激光脉冲发射光束经MEMS微镜反射后的水平方位角。当激光发射模块产生的实际光斑尺寸大于MEMS微镜镜面尺寸时，可以考虑使用光阑限制光斑大小，但是这样会损失一部分光源能量。光学扩束元件可以将点状激光光斑纵向扩束为线状光斑，通常可以采用光栅板6，鲍威尔棱镜等。扩束后的线状光斑投射到视场空间，且随着一维MEMS微镜在水平方向扫描，最终形成一个方形的视场空间102。光学接收元件7和水平聚光元件8一起构成接收光学系统，其可以收集方形的视场空间102内经目标反射后的激光脉冲发射线状光束并聚集至线阵APD探测器9光敏面上，随后经信号处理电路10处理，即可为控制器1实时提供经目标反射后的接收脉冲光束信息。控制器1具有距离测量，同步控制以及数据处理功能等。通常可以采用FPGA来实现。配合实时控制程序用于实现MEMS微镜扫描驱动信号和激光器驱动信号之间的同步，以及MEMS微镜的实时反馈控制。
技术一的固有缺陷是使用深度传感芯片所带来的，其属于面阵CMOS探测器，虽然可以深度成像，但是成像距离比较受限。本发明中采用线阵APD探测器9，其测距能力强于面阵CMOS探测器，因而测距范围更远。
相较于技术二，本发明的优点在于，利用目前已有的线阵APD探测器7，结合单点激光器纵向扩束方案，最大限度的减少发射接收对，可以减少硬件成本，以及减少系统体积。
本发明提供的一种MEMS三维激光雷达系统，基于单线APD阵列91，使用单线APD阵列91结合一维MEMS微镜扫描的方式实现远距离大视场三维激光雷达系统。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种MEMS三维激光雷达系统，其特征在于：包括激光发射模块，光束控制模块，激光探测模块和控制器，其中，所述光束控制模块包括MEMS微镜驱动及其反馈电路、MEMS微镜和光学扩束元件，所述激光探测模块包括光学接收元件，水平聚光元件，线阵APD探测器和信号处理电路，所述控制器的输出端与所述激光发射模块的输入端连接，所述控制器与所述MEMS微镜驱动及其反馈电路双向连接，所述线阵APD探测器的输出端与所述信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路的输出端与所述控制器的输入端连接，所述MEMS微镜驱动及其反馈电路与所述MEMS微镜双向连接，所述激光发射模块发射激光脉冲发射光束，先后经所述MEMS微镜的反射、光学扩束元件的扩束投射到视场空间，所述光学扩束元件将点状激光光斑纵向扩束为线状光斑，并且，随着所述MEMS微镜在水平方向扫描，最终形成方形的视场空间，所述光学接收元件，水平聚光元件一起构成了接收光学系统，以收集方形的视场空间内经目标反射后的激光脉冲发射光束并聚集至所述线阵APD探测器的光敏面上，随后经所述信号处理电路处理，为所述控制器实时提供经目标反射后的接收脉冲光束信息。
2.根据权利要求1所述的MEMS三维激光雷达系统，其特征在于：所述MEMS微镜驱动及其反馈电路实时控制所述MEMS微镜在水平方向上的偏转角，以此来控制激光脉冲发射光束经MEMS微镜反射后的水平方位角。
3.根据权利要求1所述的MEMS三维激光雷达系统，其特征在于：所述激光发射模块包括脉冲激光器及其驱动电路、准直光学模块，所述脉冲激光器及其驱动电路发射出椭圆形光斑，经所述准直光学模块进行准直，然后被所述MEMS微镜反射。
4.根据权利要求3所述的MEMS三维激光雷达系统，其特征在于：采用光纤耦合激光二极管配合光纤准直器以替代所述准直光学模块。
5.根据权利要求1所述的MEMS三维激光雷达系统，其特征在于：所述光学扩束元件采用光栅板或者鲍威尔棱镜。
6.根据权利要求1所述的MEMS三维激光雷达系统，其特征在于：所述水平聚光元件为水平聚光锥，经目标反射后的激光脉冲发射光束先后经光学接收元件的接收、水平聚光锥的水平聚光，汇聚至所述线阵APD探测器的光敏面上。
7.根据权利要求6所述的MEMS三维激光雷达系统，其特征在于：所述水平聚光锥的截面为等腰梯形，该等腰梯形的高沿水平面设置，水平倾斜角为θ，上底为入射面，入射光束的入射角度为α，上底的宽度为D1，下底为出射面，出射角度为β，下底的宽度为D2，D1＞D2，水平倾斜角满足下式：
Figure FDA0002440348550000021
8.根据权利要求6所述的MEMS三维激光雷达系统，其特征在于：所述水平聚光锥至少有两个，相邻两个所述水平聚光锥的腰的所在平面相互贴合呈扇形。
9.根据权利要求1所述的MEMS三维激光雷达系统，其特征在于：所述线阵APD探测器为单线APD阵列。
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