CN219349122U - 扫描装置和激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种扫描装置和激光雷达系统，通过FPGA控制器输出任意所需的振镜驱动数字信号，再经由转换电路将其转换成对应的振镜驱动模拟信号，并通过升压电路对该振镜驱动模拟信号进行升压，以获得恒定的振镜驱动电压信号，该振镜驱动电压信号的幅值可以通过FPGA控制器进行调节，此外，该振镜驱动电压信号经由开关电路进行频率调节，使得最终输出到振镜的振镜驱动电压信号的幅值和频率均可调节，且电路结构简单，制备成本低。

Description

扫描装置和激光雷达系统

技术领域

本申请涉及光电探测技术领域，尤其是涉及一种扫描装置和激光雷达系统。

背景技术

激光雷达系统常用于目标物体的距离探测，其探测距离的过程为：激光雷达系统中的激光发射装置发射出激光后，经由激光雷达系统的扫描装置对激光的照射角度进行偏转，被偏转的激光照射至目标物体进行目标物体距离的探测。因此，激光雷达系统中的扫描装置对激光雷达系统探测距离的准确性至关重要。

现有的激光雷达系统中，振镜驱动回路对振镜的驱动电压的幅值和频率调节方式相对复杂，不利于降低扫描装置的制备成本。

实用新型内容

为解决现有存在的技术问题，本申请提供一种可调节振镜驱动电压幅值和频率且低成本的扫描装置和激光雷达系统。

一种扫描装置，包括振镜及驱动所述振镜的振镜驱动回路，所述振镜驱动回路包括：

FPGA控制器，用于产生振镜驱动数字信号；

数/模转换电路，与所述FPGA控制器连接，用于将所述振镜驱动数字信号转换成模拟电压信号；

升压电路，与所述数/模转换电路连接，用于将所述模拟电压信号升压为所述振镜的振镜驱动电压信号；

开关电路，连接在所述升压电路和所述振镜之间；

其中，所述振镜驱动回路包括所述开关电路切换为导通的工作状态以及所述开关电路切换为断开的关闭状态。

在一些实施例中，所述振镜为MEMS振镜。

在一些实施例中，所述数/模转换电路包括数字电位器；

所述数字电位器连接在所述FPGA控制器和所述升压电路之间，用于将所述振镜驱动数字信号转换成模拟电压信号。

在一些实施例中，所述数/模转换电路包括数/模转换器；

所述数/模转换器连接在所述FPGA控制器和所述升压电路之间，用于将所述振镜驱动数字信号转换成模拟电压信号。

在一些实施例中，所述FPGA控制器还用于产生开关驱动数字信号，所述开关电路还与所述FPGA控制器连接，所述FPGA控制器用于根据所述开关驱动数字信号控制所述开关电路导通和断开。

在一些实施例中，所述开关电路包括偏置电阻、开关以及开关驱动电路；

所述开关的第一端通过所述偏置电阻与所述升压电路的输出端连接，所述开关的第二端接地，所述开关的第三端通过所述开关驱动电路与所述FPGA控制器连接，所述开关驱动电路用于根据所述开关驱动数字信号产生可控制所述开关导通和断开的开关驱动模拟信号；

所述振镜连接在所述开关的所述第一端和所述第二端之间。

在一些实施例中，所述开关为三极管或场效应晶体管。

在一些实施例中，所述的扫描装置，还包括连接在所述振镜和所述FPGA控制器之间的反馈电路，所述反馈电路用于将所述振镜反馈回路的偏转信号反馈至所述FPGA控制器；

其中，所述反馈电路包括与所述振镜连接的滤波电路、与所述滤波电路连接的放大电路以及与所述放大电路连接的模/数转换电路，所述模/数转换电路与所述FPGA控制器连接。

一种激光雷达系统，包括激光发射装置和上述任意一项所述的扫描装置；

所述扫描装置用于将所述激光发射装置发射的激光偏转后扫描至目标物体上。

在一些实施例中，所述的激光雷达系统还包括接收装置、信号处理装置以及显示装置；

所述接收装置用于接收所述目标物体反射回的回波信号，并将所述回波信号转换成电信号；

所述信号处理装置与所述接收装置连接，用于对所述电信号进行处理，获得所述目标物体的距离信号；

所述显示装置与所述信号处理装置连接，用于接收并显示所述距离信号。

由上可见，本申请提供的扫描装置和激光雷达系统，通过FPGA控制器输出任意所需的振镜驱动数字信号，再经由转换电路将其转换成对应的振镜驱动模拟信号，并通过升压电路对该振镜驱动模拟信号进行升压，以获得恒定的振镜驱动电压信号，该振镜驱动电压信号的幅值可以通过FPGA控制器进行调节，此外，该振镜驱动电压信号经由开关电路进行频率调节，使得最终输出到振镜的振镜驱动电压信号的幅值和频率均可调节，且电路结构简单，制备成本低。

附图说明

图1为依据本申请一些实施例提供的扫描装置的结构示意图；

图2为依据本申请一些实施例提供的扫描装置的结构示意图；

图3为依据本申请一些实施例提供的扫描装置的结构示意图；

图4为依据本申请一些实施例提供的扫描装置的结构示意图；

图5为依据本申请一些实施例提供的激光雷达系统的结构示意图；

图6为依据本申请一些实施例提供的激光雷达系统的结构示意图。

附图标记为：

1-激光发射装置、2-扫描装置、3-目标物体、4-接收装置、5-信号处理装置、6-显示装置、11-激光发射器、12-激光驱动电路、13-发射光学系统、21-振镜、22-振镜驱动回路、23-反馈电路、41-接收光学系统、42-光电转换器、43-接收电路、51-转换器、52-处理器、61-上位机、221-FPGA控制器、222-数/模转换电路、223-升压电路、224-开关电路、2221-数/模转换器、2222-数字电位器、2241-开关驱动电路、R-偏置电阻、Q-开关、231-滤波电路、232-放大电路、233-模/数转换电路。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例对本申请技术方案做进一步的详细阐述。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请的实现方式。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参阅图1，其为依据本申请实施例提供的扫描装置的结构示意图。本实施例提供的扫描装置应用于激光雷达系统中，以用于将激光雷达系统中的发射装置发出的激光进行偏转后照射至目标物体上。在本实施例中，扫描装置包括振镜21以及用于驱动振镜21的振镜驱动回路22。振镜驱动回路22进一步包括FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)控制器221、数/模转换电路222、升压电路223以及开关电路224。FPGA控制器221用于产生振镜驱动数字信号，数/模转换电路222与FPGA控制器221连接，其用于将振镜驱动数字信号转换成模拟电压信号。升压电路223与转换电路222连接，用于将数/模转换电路222输出的模拟电压信号升压为振镜21的振镜驱动电压信号，开关电路224连接在升压电路223和振镜21之间。其中，振镜驱动回路22包括开关电路224切换为导通的工作状态以及开关电路224切换为断开的关闭状态。

在本实施例中，振镜驱动回路22的驱动源为FPGA控制器221输出的振镜驱动数字信号，振镜驱动回路22根据开关电路224处于通断状态而具有工作状态和关闭状态两种状态。在开关电路224处于导通状态时，振镜驱动回路22处于工作状态，即振镜驱动回路22处于导通状态，从而可以将FPGA控制器输出的振镜驱动数字信号转换成振镜21的振镜驱动电压信号，以实现对振镜21的驱动，使得振镜21进行相应的偏转。在开关电路224处于断开状态时，振镜驱动回路22处于关闭状态，即此时振镜驱动回路22也处于断开状态，而停止向振镜21输出振镜驱动电压信号。

由上可见，本申请实施例提供的扫描装置，通过FPGA控制器输出任意所需的振镜驱动数字信号，再经由数/模转换电路将其转换成对应的振镜驱动模拟信号，并通过升压电路对该振镜驱动模拟信号进行升压，以获得恒定的振镜驱动电压信号，该振镜驱动电压信号的幅值可以通过FPGA控制器进行调节，此外，该振镜驱动电压信号经由开关电路进行频率调节，使得最终输出到振镜的振镜驱动电压信号的幅值和频率均可调节，且电路结构简单，制备成本低。

在一些实施例中，振镜21为MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)振镜。MEMS振镜是一种基于微机电系统技术制作而成的微小可驱动反射镜。镜面直径通常只有几毫米。与传统的光学扫描镜相比，具有重量轻，体积小，易于大批量生产，生产成本较低的优点。

请参阅图2所示，其为依据本申请一些实施例提供的扫描装置的结构示意图。在本实施例中，数/模转换电路222包括数/模转换器2221。数/模转换器2221与FPGA控制器221连接，用于将FPGA控制器221输出的振镜驱动数字信号转换成模拟电压信号。数/模转换器(DAC，Digital to Analog Converter)的转换速度较快，且转换精度较高。

请继续参阅图2所示，在本实施例中FPGA控制器221还用于产生开关驱动数字信号，开关电路224还与FPGA控制器221连接。FPGA控制器221用于根据开关驱动数字信号控制开关电路224导通和断开。开关电路224的导通和断开的切换频率由FPGA控制器221输出的开关驱动数字信号的频率调节。在本实施例中，采用FPGA控制器221作为开关电路224的开关控制器，即FPGA具有两个输出端，一个输出端输出振镜驱动数字信号，另一个输出端输出开关驱动数字信号。在其它实施例中，用于控制开关电路224导通和断开的开关控制器也可以为与FPGA控制器221相互独立的其它控制器。基于FPGA控制器实现对开关电路224的开关控制，控制方式简单，电路成本低。

请继续参阅图2所示，在一些实施例中，开关电路224包括偏置电阻R、开关Q以及开关驱动电路2241。开关Q的第一端通过偏置电阻R与所述升压电路223的输出端连接，开关Q的第二端接地，开关Q的第三端通过开关驱动电路2241与所述FPGA控制器221连接，开关驱动电路2241用于根据FPGA控制器221输出的开关驱动数字信号产生可控制开关Q导通和断开的开关驱动模拟信号，振镜21连接在开关Q的第一端和第二端之间。本申请实施例提供的开关电路224可以基于FPGA控制器221实现开关控制，控制方案简单，且开关电路224的结构简单，有利于降低扫描装置的制备成本。

以图2所示的扫描装置为例，对本申请实施例提供的扫描装置的工作过程和实现驱动电压信号的幅值及频率调节的工作原理做进一步解释说明。在本实施例中，振镜驱动回路22对振镜21的驱动方式为开关式恒压驱动，振镜驱动回路22主要由FPGA控制器、数/模转换器2221、升压电路223以及包含开关Q、偏置电阻R、开关驱动电路2241的开关电路224构成。振镜驱动回路22驱动振镜21进行相应偏转的工作过程为：通过FPGA控制器221输出任意所需要的振镜驱动数字信号，然后由数/模转换器2221将该振镜驱动数字信号转换成对应的振镜驱动模拟信号，接着由升压电路223对该振镜驱动模拟信号进行升压处理，以获得恒定的振镜驱动电压信号，通过调整FPGA控制器221输出的振镜驱动数字信号，可以实现振镜驱动电压信号的幅值调节，且振镜驱动电压信号在驱动振镜21之前，其频率经过开关电路224进行相应的调节，通过开关电路224后的振镜驱动电压信号为脉冲式驱动信号。

请继续参阅图2所示，在本实施例中，开关电路224中的开关Q为场效应晶体管。具体的，开关Q可以选择耐压高压的场效应晶体管，有利于提高扫描装置的使用寿命。此外，在其它实施例中，开关Q还可以为三极管或其它类型的开关管。

在一些实施例中，升压电路223进一步包括主功率电路和开关控制电路，开关控制电路用于控制主功率电路中主功率管的开关状态，以使得主功率电路输出恒定的振镜驱动电压信号。升压电路223可以为boost升压电路也可以为buck-boost升压电路，还可以为其它类型的升压电路。

请参阅图3所示，其为依据本申请一些实施例提供的扫描装置的结构示意图。在本实施例中，数/模转换电路222包括数字电位器，该数字电位器与FPGA控制器221连接，用于将FPGA控制器221输出的振镜驱动数字信号转换成模拟电压信号输出。采用数字电位器将数字信号转换成模拟信号，电路实现简单且可靠性较高。

请参阅图4所示，其为依据本申请一些实施例提供的扫描装置的结构示意图。在本实施例中，扫描装置还进一步包括连接在振镜21和FPGA控制器221之间的反馈电路23，该反馈电路23用于将振镜21反馈回来的偏转信号反馈至FPGA控制器221中，以供FPGA根据振镜21的偏转信号获得的相应的振镜驱动数字信号，以调整振镜21的偏转角度。反馈电路23具体包括与振镜21连接的滤波电路231、与滤波电路231连接的放大电路232以及与放大电路连接的模/数转换电路233，模/数转换电路233与FPGA控制器221连接。在本实施例中，振镜21内设置由偏转角度感测器，用于获取振镜21的偏转角度，并将该偏转角度对应的偏转信号发送至反馈电路23中，以由滤波电路231对振镜21反馈回的偏转信号进行滤波处理，以滤除噪音，然后再经由放大电路232对滤波后的偏转信号进行放大处理，获得的放大后的模拟偏转信号，最后由模/数转换电路233将模拟偏转信号进行转换，获得数字偏转信号，并将该数字偏转信号发送至FPGA控制器221中,以调节FPGA控制器221输出相应的振镜驱动数字信号。在扫描装置中设置反馈电路23可以进一步提高振镜驱动回路22的驱动性能，且提高振镜21的偏转准确性。

请参阅图5所示，其为依据本申请一些实施例提供的激光雷达系统的结构示意图。本实施例提供的激光雷达系统包括依据本申请任意一实施例中提供的扫描装置2和激光发射装置1，其中，扫描装置2用于将激光发射装置1发射出的激光偏转后扫描至目标物体3。进一步的，激光雷达系统还包括接收装置4、信号处理装置5以及显示装置6。接收装置4用于接收目标物体3反射回的回波信号，并将回波信号转换成电信号。信号处理装置5与接收装置4连接，用于对接收装置产生的电信号进行处理，获得目标物体的距离信号。显示装置6与信号处理装置5连接，用于接收并显示目标物体3的距离信号。

请参阅图6所示，其为依据本申请另一些实施例中提供的激光雷达系统的结构示意图。在本实施例中，激光发射装置1包括激光发射器11、激光驱动电路12和发射光学系统13。激光驱动电路12用于驱动激光发射器11发射出脉冲激光，发射光学系统13用于将激光发射器11发出的脉冲激光转换成对应的激光发射出去。在一些实施例中，发射光学系统13包括准直光学系统，用于将激光发射器11发射的脉冲激光转换成准直激光束发射出去。

请继续参阅图6所示，在一些实施例中，接收装置4进一步包括接收光学系统41、光电转换器42以及接收电路43，其中，接收光学系统41用于接收目标物体3反射回的回波信号，并将该回波信号转至光电转换器42，由光电转换器42对该回波信号进行相应的探测，以将该回波信号转换成对应的电信号。接收电路43用于将光电转换器42获得的电信号进行放大后，发送至信号处理装置5对其进行相应的处理。进一步的，接收光学系统41包括滤光片和接收镜组。

请继续参阅图6所示，在一些实施例中，信号处理装置5进一步包括转换器51和处理器52，其中，转换器51可以为模/数转换器(ADC，Analog to Digital Converter))或时间数字转换器(TDC，Time to Digital Convert)，处理器52可以为FPGA。转换器将接收装置4发出的放大后的电信号转换成数字信号后，由FPGA对该数字信号进行处理，获得目标物体3对应的距离信号，并将该距离信号发送中显示装置6中进行显示。

请继续参阅图6所示，在一些实施例中，显示装置6可以包括上位机61，上位机61用于显示距离信号，也即执行点云显示，以显示激光雷达系统的获得点云数据。

依据本申请实施例提供的激光雷达系统的工作过程如下：

激光驱动电路12驱动激光发射器11发出脉冲激光，脉冲激光经过发射光学系统13后射向扫描装置2的振镜21上，经过振镜21的以相应的偏转角度反射后到达目标物体3，目标物体3反射的回波通过接收光学系41统进行接收，接收光学系统41将接收到的回波信号集中在光电转换器42上，通过光电转换将光信号转换为电信号，电信号在经过接收电路43进行放大，放大后的电信号经过ADC或TDC转换成对应的数字信号后，再由FPGA进行信号处理，处理完成的信号通过上位机61进行显示。

在依据本申请实施例提供的激光雷达系统中，激光发射装置1的作用是发出需要频率和能量的激光器，一般采用脉冲式激光发射器,其脉宽为ns级别其能量影响最远探测距离，频率决定了角分辨率。接收装置4为激光雷达系统比较关键的部分，目前采用APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)、SPAD(Single Photon Avalanche Diode，单光子雪崩光电二极管)或SIPM(Silicon Photomultiplier，硅光电倍增管)等作为光电转换器42。以APD作为光电转换器42的优点在于受环境光影响较小，工艺成熟，并且供应链稳定，并且在强光下有较好的表现，其缺点在于倍增因子较小，但是可以通过后级的放大进行弥补。以SIPM作为光电转换器42的优点在于倍增因子更大，有更好的接收灵敏度，并且反偏电压不高，受温度影响较小，其缺点在于受环境光影响太大。扫描系装置2用的MEMS振镜的方式，其采用恒流或恒压驱动方式，通过反馈来实时获取振镜的偏转角度信息。在一些实施例中，扫描装置内还设置有温度传感器(图6中未显示)，该温度传感器用来获取温度变化引起的偏转角度的变化。此外，在一些实施例中，在信号处理装置5中，可以采用ADC全波采样的或采用TDC方案实现对接收装置4发射出的放大的电信号进行处理。

本申请实施例提供的激光雷达系统，通过FPGA控制器输出任意所需的振镜驱动数字信号，再经由转换电路将其转换成对应的振镜驱动模拟信号，并通过升压电路对该振镜驱动模拟信号进行升压，以获得恒定的振镜驱动电压信号，该振镜驱动电压信号的幅值可以通过FPGA控制器进行调节，此外，该振镜驱动电压信号经由开关电路进行频率调节，使得最终输出到振镜的振镜驱动电压信号的幅值和频率均可调节，且电路结构简单，制备成本低。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，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之内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种扫描装置，其特征在于，包括振镜及驱动所述振镜(21)的振镜驱动回路(22)，所述振镜驱动回路(22)包括：

FPGA控制器(221)，用于产生振镜驱动数字信号；

数/模转换电路(222)，与所述FPGA控制器(221)连接，用于将所述振镜驱动数字信号转换成模拟电压信号；

升压电路(223)，与所述数/模转换电路(222)连接，用于将所述模拟电压信号升压为所述振镜(21)的振镜驱动电压信号；

开关电路(224)，连接在所述升压电路(223)和所述振镜(21)之间；

其中，所述振镜驱动回路(22)包括所述开关电路切换为导通的工作状态以及所述开关电路切换为断开的关闭状态。

2.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述振镜(21)为MEMS振镜。

3.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述数/模转换电路(222)包括数字电位器(2222)；

所述数字电位器(2222)连接在所述FPGA控制器(221)和所述升压电路(223)之间，用于将所述振镜驱动数字信号转换成模拟电压信号。

4.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述数/模转换电路(222)包括数/模转换器(2221)；

所述数/模转换器(2221)连接在所述FPGA控制器(221)和所述升压电路(223)之间，用于将所述振镜驱动数字信号转换成模拟电压信号。

5.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，所述FPGA控制器(221)还用于产生开关驱动数字信号，所述开关电路(224)还与所述FPGA控制器(221)连接，所述FPGA控制器(221)用于根据所述开关驱动数字信号控制所述开关电路(224)导通和断开。

6.根据权利要求5所述的扫描装置，其特征在于，所述开关电路(224)包括偏置电阻(R)、开关(Q)以及开关驱动电路(2241)；

所述开关(Q)的第一端通过所述偏置电阻(R)与所述升压电路(223)的输出端连接，所述开关(Q)的第二端接地，所述开关(Q)的第三端通过所述开关驱动电路(2241)与所述FPGA控制器(221)连接，所述开关驱动电路(2241)用于根据所述开关驱动数字信号产生可控制所述开关(Q)导通和断开的开关驱动模拟信号；

所述振镜(21)连接在所述开关(Q)的所述第一端和所述第二端之间。

7.根据权利要求6所述的扫描装置，其特征在于，所述开关(Q)为三极管或场效应晶体管。

8.根据权利要求1所述的扫描装置，其特征在于，还包括连接在所述振镜(21)和所述FPGA控制器(221)之间的反馈电路(23)，所述反馈电路(23)用于将所述振镜(21)反馈回来的偏转信号反馈至所述FPGA控制器(221)；

其中，所述反馈电路(23)包括与所述振镜(21)连接的滤波电路(231)、与所述滤波电路(231)连接的放大电路(232)以及与所述放大电路(232)连接的模/数转换电路(233)，所述模/数转换电路(233)与所述FPGA控制器(221)连接。

9.一种激光雷达系统，其特征在于，包括激光发射装置(1)和如权利要求1至8中任意一项所述的扫描装置(2)；

所述扫描装置(2)用于将所述激光发射装置(1)发射的激光偏转后扫描至目标物体(3)上。

10.根据权利要求9所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括接收装置(4)、信号处理装置(5)以及显示装置(6)；

所述接收装置(4)用于接收所述目标物体(3)反射回的回波信号，并将所述回波信号转换成电信号；

所述信号处理装置(5)与所述接收装置(4)连接，用于对所述电信号进行处理，获得所述目标物体(3)的距离信号；

所述显示装置(6)与所述信号处理装置(5)连接，用于接收并显示所述距离信号。

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