CN218037313U - 一种基于mems激光雷达的放大同步模块及装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于MEMS激光雷达的放大同步模块，包括：M个第一放大芯片和1个第二放大芯片；所述第一放大芯片包括K路输入端，一个输出端，通过1～3个控制引脚切换K个通路的输出，M个第一放大芯片的M个输出端连接，并连接至所述第二放大芯片的输入。该电路形式不仅能够避免阵列APD之间的光干扰及电干扰，实现精准的测距，还能够节省放大芯片及后级的时刻鉴别模块、计时模块，轻松实现小型化、低成本的三维激光雷达扫描测距。本实用新型还提供了一种基于mems激光雷达的同步装置，采用该放大同步模块，实现mems、激光、线阵APD及放大之间的同步。

Description

一种基于MEMS激光雷达的放大同步模块及装置

技术领域

本实用新型涉及激光检测领域，特别涉及一种基于MEMS激光雷达的放大同步模块及装置。

背景技术

随着激光检测技术的不断发展，对高扫频、高分辨率、小体积的激光雷达的需求不断增加，对激光系统的空间尺寸要求也越来越高。传统的扫描式激光雷达主要通过机械式电机实现，存在尺寸大，寿命受限的问题，另外传统的扫描式激光雷达想要实现多线扫描，必须采用多个激光才能实现。

目前，随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的发展，新型的MEMS振镜体积小、成本低、功耗小的优点，使其具有广泛的应用前景。而一个二维MEMS振镜可以将单个激光的光线通过二个维度的摆动扫描出多条线，从而减少发射器的资源。

目前三维激光雷达为了达到三维测距的目的，一般会采用阵列APD(线阵或面阵)或者多个单管APD，用于接收不同角度的激光回波能量；而N个APD阵列模块必须有N个对应的放大电路，占用较多的放大电路资源。

实用新型内容

为保证三维激光测距的小型化与低成本，节省测距资源，本实用新型提供了：

一种基于MEMS激光雷达的放大同步模块，包括：

前级放大单元：包括M个第一放大芯片；

后级放大单元：包括1个第二放大芯片；

所述第一放大芯片包括K路输入端，一个输出端，通过1～3个控制引脚切换K个通路的输出，其中2≤K≤16；

所述M个第一放大芯片的M个输出端连接，并连接至所述第二放大芯片的输入端；

所述前级放大单元共N个通道的信号输入及输出，N＝M*K。

在其中一个实施例中，第一放大芯片还包括一个使能控制引脚；任一时刻，M个第一放大芯片仅有一个芯片使能。

一种基于MEMS激光雷达的同步装置，包括：上述的放大同步模块及APD阵列模块；

APD阵列模块：包括1个N阵列的APD，用于接收激光的回波能量，并将光能量转换为电信号；

放大同步模块：连接N阵列的APD，所述前级放大单元的M*K＝N个通道对应APD的N个阵列，当第x个APD接收到激光的回波光时，第x个放大通道开启，并将微弱的电流信号放大，其中1≤x≤N。

在其中一个实施例中，基于MEMS激光雷达的同步装置还包括激光同步模块、MEMS同步模块；

激光同步模块：包括1个激光发射单元，光束方向对应MEMS微振镜的中心，用于向被测物发射激光；

MEMS同步模块：包括1个二维MEMS微振镜，通过X、Y两个维度的往复运动将激光反射至不同的障碍物，并将障碍物漫反射返回的回波光反射回接收系统的APD阵列模块上。

本实用新型中提供了一种基于MEMS激光雷达的放大同步模块，所采用的放大同步模块共包括N路放大，和APD阵列一一对应，但放大模块的第一放大芯片包括多个通道，可以通过控制信号控制某个通道的输出，且每个芯片带使能信号，可以将多个芯片直接连接，然后共用一个后级运放。不仅能够避免阵列APD之间的光干扰及电干扰，实现精准的测距，还能够节省放大芯片及后级的时刻鉴别模块、计时模块，轻松实现小型化、低成本的三维激光雷达扫描测距。

本实用新型还提出了一种基于MEMS激光雷达的同步装置，所述装置采用放大同步模块，激光同步模块、mems同步模块、APD阵列模块，通过激光发光角度与mems振镜的同步，在mems摆动下激光角度与APD阵列模块的同步，APD阵列模块与放大模块的同步，实现二维mems激光的同步扫描。

本实用新型采用多个多通道的前级运放芯片，分时控制选通，并连接至后级，不但避免了不同APD之间的光干扰及电干扰；还节省了放大模块、时刻鉴别模块以及计时模块的资源，可以轻松实现三维激光扫描测距。

附图说明

图1是本实用新型一种实施例的第一放大芯片的结构示意图；

图2是本实用新型一种实施例的第一放大芯片的选通控制表；

图3是本实用新型一种实施例的放大同步模块的结构示意图；

图4是本实用新型一种实施例的基于mems激光雷达的同步装置框图；

图5是本实用新型一种实施例的激光发射点数与MEMS振镜的同步示意图；

图6是本实用新型一种实施例的阵列APD与激光及MEMS振镜的同步示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，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的实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在其中一个实施例中，本申请提出一种基于MEMS激光雷达的放大同步模块，包括：前级放大单元：包括M个第一放大芯片，M≥1；后级放大单元：包括1个第二放大芯片；所述第一放大芯片包括K路输入端，一个输出端，通过1～3个控制引脚切换K个通路的输出，其中2≤K≤16；所述M个第一放大芯片的M个输出端连接，并连接至所述第二放大芯片的输入端。

图1示出了以采用了4通道的第一放大芯片100的结构示意图。如图1所示，本实施例的第一放大芯片10，包括：

输入部分:包括第一输入端101、第二输入端102、第三输出端103、第四输入端104；4个输入端用于接收APD的弱电流信号，并将弱电流信号放大为电压或电流信号；

控制部分：包括2个通道控制引脚105、106，芯片使能控制引脚107；

输出端部分：包括1个输出端108；

其中，控制部分的2个通道控制引脚105、106用于控制101、102、103及104共4个通道的选通，单次只能有1个通道选通，被选中的通道，接收对应的APD信号，然后将信号放大后输出到共用的输出端108。

如图2所示所示为本实施例中第一放大芯片的选通控制表，通道控制引脚CH2为105,CH1为106，使能引脚EN为107；

当CH2＝0，CH1＝0，EN＝1时，芯片第一通道选中；

当CH2＝0，CH1＝1，EN＝1时，芯片第二通道选中；

当CH2＝1，CH1＝0，EN＝1时，芯片第三通道选中；

当CH2＝1，CH1＝1，EN＝1时，芯片第四通道选中；

当CH2＝X，CH1＝X，EN＝0时，芯片没有通道选中，输出为高阻，X代表无论引脚状态为高或者低。

需要说明的是，本实施例介绍的为4通道的第一放大芯片，但本实用新型仅以此来说明本实用新型的技术方案·，而非对其限定，本实用新型保护的第一放大芯片可以为2～16通道。

当放大芯片为2个通道时，通道控制引脚为1个，芯片使能引脚1个。

当放大芯片为3-4个通道时，通道控制引脚为2个，芯片使能引脚1个。

当放大芯片为5-8个通道时，通道控制引脚为3个，芯片使能引脚1个。

当放大芯片为9-16个通道时，通道控制引脚为4个，芯片使能引脚1个。

另外，本实用新型保护的重点是采用第一放大芯片和第二放大芯片的放大同步装置，而非单独的第一放大芯片。优选的，第一放大芯片可以但不局限为成品运放芯片LTC6561或LTC6563或MAX40662。

如图3所示：是本实用新型一种实施例的放大同步模块的结构示意图；在该实施例中，放大同步模块包括3个第一放大芯片21、24和27和1个第二放大芯片20，所采用的第一放大芯片21、24和27为上述实施例所采用的4通道的第一放大芯片100，3个第一放大芯片共3个输出，且3个输出直接连接到后级。任一时刻，3个第一放大芯片仅有一个芯片使能，如图2所示，通过控制3个芯片的EN引脚使两个第一放大芯片禁能，一个第一放大芯片使能，在第一放大芯片使能时，通过2个通道控制引脚选通其中一个通道输出，共可选中4个通道输出。

需要说明的是，本实施例介绍的为3个第一放大芯片连接，本实施例仅以此来说明本实用新型的技术方案，而非对其限定，本实用新型保护的放大同步模块可以包括M个第一放大芯片，其中M≥1。

本实用新型还提供了一种基于mems激光雷达的同步装置，本实施例结合图4、图5、图6说明其同步功能；

如图4所示为基于mems激光雷达的同步装置400的功能框图：所述同步装置400除了包括如上所述的放大同步模块401，还包括APD阵列模块402：

APD阵列模块402：在本实施例中，包括1个12阵列的APD，用于接收激光的回波能量，并将光能量转换为电信号；

放大同步模块401：连接12阵列的APD，所述前级放大单元的12个通道对应APD的12个阵列，当第x个APD接收到激光的回波光时，第x个放大通道开启，并将微弱的电流信号放大。

还包括激光同步模块403：包括1个激光发射单元，光束方向对应MEM S微振镜的中心，用于向被测物发射激光；

MEMS同步模块404：包括1个二维MEMS微振镜，通过X、Y两个维度的往复运动将激光反射至不同的障碍物，并将障碍物漫反射返回的回波光反射回接收系统的APD阵列模块上。

如图5所示为激光同步模块发射的激光点与mems同步模块的同步示意图，二维mems微振镜根据其驱动信号扫描出正/余弦或其他形式的扫描轨迹，需要说明的是，本实施例仅以此说明激光与mems的同步关系，不对扫描轨迹做限定及保护。

在本实施例中，二维mems微振镜在快轴(横向)方向处于谐振状态，扫描出余弦的轨迹，在慢轴(纵向)方向处于准静态，激光发光点与mems振镜的同步主要与其快轴振动的周期有关。如图6所示，在mems扫描轨迹501上，激光按照等角度间隔发光，半个快轴扫描周期内，激光共发射24次发光，502为激光发光位置。

为了保证mems与激光的同步，激光按照等角度间隔发光，假设mems在快轴方向的光学扫描角度为-B～B，扫描分辨率为β，其中β＝B/24,则根据快轴振动频率f、最大光学扫描角度即可算出当前激光发光角度y对应的发光时间：

根据y＝Bcos(2πf(t-t₀))

得到

因此mems振动时，根据mems振动的频率、最大角度即可算出需要激光发光的角度对应的发光时间，实现激光与mems振镜的同步，需要说明的是，为了保证mems与激光的完全同步，计算的余弦扫描函数为MEMS振镜反馈的快轴的正/余弦同步信号，该部分非本实用新型的保护范围，仅以此说明同步的原理。

如图6所示为本实用新型一种实施例的阵列APD与激光及MEMS振镜的同步示意图。激光发射的光线经mems振镜反射后打到障碍物上，然后经接收镜筒后被APD接收，阵列APD603的视场与个数需要与激光发光的视场及发光点数匹配。在该实施例中，快轴一个扫描周期内，mems振镜来回扫描两条线，第一条线激光共发射24个点，对应线阵APD 603的12个橡元，12个像元输出12个弱电流信号，对应放大同步模块的12个输入IN1-IN12。因此同步关系如下：

激光发射点1、2，APD的第1个像元接收回波光，IN1对应的放大同步模块的第一放大芯片的第一通道开启；

激光发射点3、4，APD的第2个像元接收回波光，IN2对应的放大同步模块的第一放大芯片的第二通道开启；

……

激光发射点23、24，APD的第12个像元接收回波光，IN12对应的放大同步模块的第三放大芯片的第四通道开启；

当mems振镜快轴的下半个周期内，激光共发射24个点(25-48)，激光从右向左移动，同步关系如下：

激光发射点25、26，APD的第12个像元接收回波光，IN12对应的放大同步模块的第三放大芯片的第四通道开启；

激光发射点27、28，APD的第11个像元接收回波光，IN2对应的放大同步模块的第一放大芯片的第三通道开启；

……

激光发射点47、48，APD的第1个像元接收回波光，IN12对应的放大同步模块的第一放大芯片的第一通道开启。

需要说明的是，为了方便介绍本实用新型的方案，本实施例中采用的线阵APD为12线阵APD，激光在mems振镜的半个周期内发光的点数为24个，为线阵APD的2倍，仅用于说明本实用新型的方案，而非对其限定，激光发光的点数与阵列APD的个数成≥1的整数比例即可。阵列APD与放大同步装置的通道数对应即可。

本实施例介绍的同步模块，首先是MEMS振镜与激光的同步，根据ME MS的反馈的扫描波形即可计算出激光发光的位置；然后根据光学视场匹配，计算出线阵APD与激光的同步关系，最后根据APD与放大同步装置的匹配关系，切换相应的放大通道，从而实现MEMS激光雷达的完全同步。该同步装置不仅能够避免阵列APD之间的光干扰及电干扰，实现精准的测距，还能够节省放大芯片及后级的时刻鉴别模块、计时模块，轻松实现小型化、低成本的三维激光雷达扫描测距。

尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于MEMS激光雷达的放大同步模块，其特征在于，包括：

前级放大单元：包括M个第一放大芯片，M≥1；

后级放大单元：包括1个第二放大芯片；

所述第一放大芯片包括K路输入端，一个输出端，通过1～3个控制引脚切换K个通路的输出，其中2≤K≤16；

所述M个第一放大芯片的M个输出端连接，并连接至所述第二放大芯片的输入端；

所述前级放大单元共N个通道的信号输入及输出，N＝M*K。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS激光雷达的放大同步模块，其特征在于，

所述第一放大芯片还包括一个使能控制引脚；任一时刻，M个第一放大芯片仅有一个芯片使能。

3.一种基于MEMS激光雷达的同步装置，其特征在于，包括：APD阵列模块以及权利要求1或2中所述的基于MEMS激光雷达的放大同步模块；

所述APD阵列模块：包括1个N阵列的APD，用于接收激光的回波能量，并将光能量转换为电信号；

所述放大同步模块：连接N阵列的APD，所述前级放大单元的M*K＝N个通道对应APD的N个阵列，当第x个APD接收到激光的回波光时，第x个放大通道开启，并将微弱的电流信号放大，其中1≤x≤N。

4.根据权利要求3所述的基于MEMS激光雷达的同步装置，其特征在于，还包括激光同步模块、MEMS同步模块；

激光同步模块：包括1个激光发射单元，光束方向对应MEMS微振镜的中心，用于向被测物发射激光；

MEMS同步模块：包括1个二维MEMS微振镜，通过X、Y两个维度的往复运动将激光反射至不同的障碍物，并将障碍物漫反射返回的回波光反射回接收系统的APD阵列模块上。

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