CN110488247B - 一种二维mems扫描振镜激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光雷达探测领域，为扩大接收视场角、提高信噪比提出一种二维MEMS扫描振镜激光雷达系统；二维MEMS扫描振镜作为扫描机构，由控制系统控制激光器发出高频脉冲激光，返回的激光信号光线依次经过滤光片、大相对孔径光学镜头成像在传像纤维光锥入射端面上，传像纤维光锥进一步将光线传递到APD阵列探测器表面。传像纤维光锥由锥形光纤束排列而成，APD阵列探测器根据二维MEMS扫描振镜的扫描角度和对应回波光线在所述传像纤维光锥输出的光斑位置，选通对应的APD探测器单元采集信号。实现了接收光学系统口径和焦距及探测器面积一定时，扩大MEMS激光雷达的视场，降低环境背景光对系统的干扰，提高信号接收的信噪比。

Description

一种二维MEMS扫描振镜激光雷达系统

技术领域

本发明属于激光雷达探测领域，具体涉及一种二维MEMS扫描振镜激光雷达系统。

背景技术

激光雷达可大致分为机械式激光雷达和固态激光雷达。目前大接收视场的激光雷达都采用机械旋转结构，利用激光光源配合转台式的机械扫描系统，对被测对象进行逐点的扫描，将数据按照顺序还原成目标的距离图像。当进行三维扫描时，需要存在两个维度的扫描，结构复杂，成本较高，且分辨率不高。将MEMS微机电系统应用在激光雷达上，可以直接在硅基芯片上集成体积十分精巧的微振镜，由可以二维旋转的微振镜来反射激光器的光线，从而实现扫描。相比于机械式激光雷达，二维MEMS扫描振镜激光雷达不仅可以减小激光雷达体积，结构相对简单，提高量产能力，降低成本，而且探测距离远、方向性好、可测速测距，运行可靠，测量精度较高，因此有望在车载系统得到广泛的应用，其是车载传感器发展的一个趋势。

激光雷达系统主要有收发共轴光路和收发并行光路，将MEMS振镜用于激光雷达收发共轴光路系统中，由于MEMS微镜的镜面较小会限制接收系统的口径，从而限制激光雷达系统对远距离目标的探测。将二维MEMS扫描振镜用于激光雷达收发并行光路系统中，以二维MEMS扫描振镜作为扫描机构，对目标进行逐点扫描；激光接收系统收集经目标反射的回波光线并成像在探测器表面，控制系统通过准确计算激光发射和接收的时间差来计算目标的距离。激光探测距离的大小与回波信号的强弱息息相关，而回波信号受到很多因素影响，如激光发射功率、发散角度，光学镜头的衰减，目标的漫反射，接收光路的口径等；激光雷达系统的接收视野主要取决于接收系统的视场范围。在提高雷达系统的视野范围和回波信号的功率时，如何降低背景光对系统的干扰，提高系统接收信噪比是雷达系统的关键问题。

发明内容

本发明为解决激光信号接收系统中的光学系统口径较大的情况下，APD阵列探测器面积较小限制了二维MEMS扫描振镜激光雷达接收光学系统的视场角以及背景光对系统的干扰导致的信噪比不高的技术问题，采用的技术方案如下：

一种二维MEMS扫描振镜激光雷达系统，包括激光发射系统、控制系统、激光信号接收系统；沿着光传播方向的光轴方向上，所述的激光发射系统依次设置为：激光器，激光准直系统、二维MEMS扫描振镜；从物方至像方所述的激光信号接收系统依次设置为：窄带滤光片、大相对孔径光学镜头、传像纤维光锥、APD阵列探测器；大相对孔径光学镜头与传像纤维光锥组成接收镜头；所述的传像纤维光锥外形为锥形结构，其口径大的一端为入射端面，口径小的一端为出射端面；所述的传像纤维光锥为由上千万根锥形光纤规则排列组合而成的锥形光纤束；激光雷达回波光线依次经过窄带滤光片、大相对孔径光学镜头成像在传像纤维光锥入射端面上，传像纤维光锥进一步将光线传递到APD阵列探测器表面；控制系统分别与激光发射系统、APD阵列探测器、二维MEMS扫描振镜通过导线或无线信号连接，用于控制激光器的激光脉冲发射、二维MEMS扫描振镜的摆动和APD阵列探测器数据的接收。此处的无线信号连接包括：蓝牙通讯协议、红外通讯协议、WLAN通讯协议。

工作原理为：二维MEMS扫描振镜激光雷达系统是一种以二维MEMS扫描振镜作为扫描机构，由控制系统控制激光器发出高频率脉冲激光，此处的激光器可选用脉冲式激光二极管。激光器发出的光经过激光准直系统成为发散角较小、能量集中的光斑，提高激光雷达的角度分辨率和探测距离。以二维MEMS扫描振镜为扫描机构反射经激光准直系统出射的光斑，对目标进行逐点扫描；经目标反射的回波光线经过窄带滤光片、大相对孔径光学镜头成像在传像纤维光锥口径大的一端横截面处，传像纤维光锥进一步将光线从传像纤维光锥口径小的一端横截面射出并传递到APD阵列探测器表面；APD阵列探测器根据二维MEMS扫描振镜的扫描角度和对应回波光线在所述传像纤维光锥的输出端面输出的光斑位置，由选通控制电路控制选择对应的某个或某几个APD阵列探测器单元采集信号。所述传像纤维光锥具有放大率M，可将传像纤维光锥入射端面接收到的图像分解为与组成传像纤维光锥的锥形光纤束相对应的像元，规则排列的锥形光纤束将所携带的像元信息一一对应地传递到传像纤维光锥的另一端；像元在传递过程中随锥形光纤直径的变化被放大或缩小，在出射端面按原排列方式组合成像。线阵APD探测器将光信号转换为电信号传递到控制系统，控制系统通过准确计算激光飞行往返路径的时间来实现距离测量。

上述方案的优化方案如下：

所述的APD阵列探测器由APD探测器单元排列组成，根据二维MEMS扫描振镜的扫描角度和对应回波光线在所述传像纤维光锥的输出端面输出的光斑位置，由选通控制电路选择对应的某个或某几个APD阵列探测器单元采集信号。可避免其他APD探测器单元接收到环境背景光对系统造成干扰。

所述二维MEMS扫描振镜可以沿水平和竖直两个方向摆动，改变激光光路。

所述锥形光纤的直径从所述传像纤维光锥入射端面到传像纤维光锥出射端面逐渐变小；每根锥形光纤都由纤芯和包层组成，纤芯的材料折射率大于包层的材料折射率。

所述大相对孔径光学镜头可以为单透镜或者镜头组。

所述传像纤维光锥的入射端面靠近大相对孔径光学镜头，出射端面紧贴APD阵列探测器，所述传像纤维光锥与APD阵列探测器之间由光学胶粘结。

所述传像纤维光锥的入射端面位于大相对孔径光学镜头的像方焦平面位置。

所述激光器选用脉冲式激光二极管。

所述APD阵列探测器为线阵APD探测器，该线阵APD探测器的长边方向与脉冲式激光二极管快轴方向平行。

所述二维MEMS扫描振镜的水平摆动扫描方向与脉冲式激光二极管快轴方向平行。

所述的二维MEMS扫描振镜可以沿水平和竖直两个方向分别摆动α、β角，其中α在0°~±25°之间，β在0°~ ±15°之间，通过二维MEMS扫描振镜实现激光光源在水平和垂直方向的扫描。

所述激光准直系统，包括一个水平放置的柱透镜和一个垂直放置的柱透镜，分别准直激光二极管的慢轴和快轴方向，准直后快轴发散角<0.3°，慢轴发散角<0.8°，提高激光雷达的角度分辨率和探测距离。

所述二维MEMS扫描振镜的扫描方式为：在一固定垂直位置沿水平方向自左向右扫描α角后，水平方向快速反方向旋转-α角，垂直方向旋转γ角，γ<β，接着该垂直位置沿水平方向自左向右扫描α角，依次重复上述步骤。

所述二维MEMS扫描振镜在某一固定垂直位置沿水平方向按一定频率扫描α角，对应线阵APD探测器依次选通某些APD探测器单元，此可视为一个周期，当二维MEMS扫描振镜扫描到下一个垂直位置时，所述线阵APD探测器开始新一个周期的规律选通。

本发明所述激光二极管可以为905nm或1550nm激光二极管或者其他波段的脉冲式激光二极管。

更为具体的方案如下：

所述大相对孔径光学镜头从物方至像方依次由第一组元、第二组元、第三组元组成，其光焦度依次为负，正，正；其中第一组元用于将大视场的光接收进入所述的接收镜头，第二组元压缩光线的角度，第三组元进一步会聚光线，第三组元中一个面为非球面，用于校正球差。

更进一步的：所述大相对孔径光学镜头包括5片镜片，自物方至像方依次为第一平凸透镜、平凹透镜、第二平凸透镜、双凸透镜、非球面正透镜；其中第一平凸透镜与第二平凸透镜的凸面均位于物方一侧，平凹透镜的凹面位于像方一侧。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明结合二维MEMS扫描振镜、传像纤维光锥作为大相对孔径光学镜头和线阵APD探测器的中继元件以扩大视野和线阵APD探测器选通模式在激光雷达并行光路系统中，可减小激光雷达的体积，简化结构，同时可以提高激光雷达的探测距离以及探测精度。利用传像纤维光锥作为大相对孔径光学镜头和APD阵列探测器之间的中继元件，通过传像纤维光锥缩小并传递大相对孔径光学镜头所成的像到APD阵列探测器表面，在MEMS激光雷达接受光学系统口径和焦距及探测器面积一定的条件下，可扩大MEMS激光雷达的视场。APD阵列探测器根据MEMS激光雷达的扫描方位采用选通模式，在提高雷达系统的视野范围和回波信号的功率时，降低环境背景光对系统的干扰，提高回波信号接收的信噪比。

相比于专利CN 207833020 U的焦平面阵列探测器每次只选通一个探测器单元，本发明可以选择几个APD阵列探测器单元为一组进行选通，可以容许大相对孔径光学镜头接收更大视场范围内的回波信号，也使APD探测器接收更多的回波信号，提高激光雷达的探测距离和视野范围。

附图说明

图1为二维MEMS扫描振镜激光雷达系统工作原理示意框图；

图2为二维MEMS扫描振镜激光雷达系统的结构示意图，

其中：Ⅰ区为发射系统，Ⅱ区为大视场接收系统；1为激光器，2为激光准直系统，3为二维MEMS扫描振镜，4为窄带滤光片，5为大相对孔径光学镜头，6为传像纤维光锥，7为APD阵列探测器;

图3为二维MEMS扫描振镜的扫描路径示意图；

图4为APD阵列探测器的分组示意图；

图5为激光信号接收系统结构示意图，

其中：5为大相对孔径光学镜头，6为传像纤维光锥；

图6为传像纤维光锥结构示意图，

其中：8为传像纤维光锥入射端面，9为传像纤维光锥出射端面，10为锥形光纤；

图7为组成传像纤维光锥的单根光纤的示意图，

其中：11为光纤包层，12为光纤纤芯。

具体实施方式

为了更清楚地说明发明，下面结合附图及实施例作进一步描述：

实施例一

一种二维MEMS扫描振镜激光雷达系统，如图1、图2所示，包括激光发射系统、控制系统、激光信号接收系统；沿着光传播方向的光轴方向上，所述的激光发射系统依次设置为：激光器1、激光准直系统2、二维MEMS扫描振镜3；如图5所示，所述的激光信号接收系统从物方至像方依次设置为：窄带滤光片4、大相对孔径光学镜头5、传像纤维光锥6、APD阵列探测器7；大相对孔径光学镜头与传像纤维光锥组成接收镜头；所述的传像纤维光锥外形为锥形结构，其口径大的一端为入射端面8，口径小的一端为出射端面9；所述传像纤维光锥为由上千万根锥形光纤10规则排列组合而成的锥形光纤束；大相对孔径光学镜头和传像纤维光锥组成接收镜头；激光雷达回波光线依次经过窄带滤光片、大相对孔径光学镜头成像在传像纤维光锥入射端面上，传像纤维光锥进一步将光线传递到APD阵列探测器表面；控制系统分别与激光发射系统、APD阵列探测器、二维MEMS扫描振镜通过导线或者无线信号连接，用于控制激光器的激光脉冲发射、二维MEMS扫描振镜的摆动和APD阵列探测器数据的接收。

值得注意的是，图1~图7仅示意元件之间的位置关系；其图尺寸以及各个部件之间比例关系不构成对本方案的具体限定。

更优的方案为：

所述脉冲式激光二极管为905nm波长，快轴发散角为25°，慢轴发散角为9°。

所述激光准直系统，包括一个水平放置的柱透镜和一个垂直放置的柱透镜，分别准直激光二极管的慢轴和快轴方向，准直后快轴发散角<0.3°，慢轴发散角<0.8°。

所述二维MEMS扫描振镜，镜面直径5mm，可以沿水平和竖直两个方向分别摆动α、β角，其中α在0°~±25°之间，β在0°~±15°之间，通过二维MEMS扫描振镜实现光源在水平和垂直方向的扫描。

所述二维MEMS扫描振镜的扫描方式为：在一固定垂直位置沿水平方向自左向右扫描α角后，水平方向快速反方向旋转-α角，垂直方向旋转γ角，γ<β，接着该垂直位置沿水平方向自左向右扫描α角，重复上述步骤，即可实现对目标的逐行扫描，如图3中黑色直线所示。

所述大相对孔径光学镜头可以为单透镜或镜头组，本实施例采用镜头组，如图6所示，口径40mm，包括5片镜片，由物方至像方依次为第一平凸透镜、平凹透镜、第二平凸透镜、双凸透镜、非球面正透镜；其中第一平凸透镜与第二平凸透镜的凸面均位于物方一侧，平凹透镜的凹面位于像方一侧。系统F数<1，其垂直光锥方向视场角大于±20°，水平方向视场角为±6°，不同视场的光经过镜头组后，被会聚到所述传像纤维光锥的入射端面，光斑直径≤1mm。

所述APD阵列探测器采用1×16线阵APD探测器，单个APD探测器单元面积为1mm×0.45mm，沿长边方向排列，将16个APD探测器单元根据所述纤维光锥的输出端面输出的光斑大小，以相邻两个APD探测器单元为一组，共15组，依次为A、B、C、…、O组，如图4所示。

所述APD阵列探测器采用选通信号采集，如图2所示，当二维MEMS扫描振镜的扫描角度对应目标1时，由目标1反射的回波信号经由窄带滤光片进入大相对孔径光学镜头，接着成像在传像纤维光锥的入射端面上，由传像纤维光锥进一步将光线传递到某组APD探测器单元上，如图2中实线所示，当二维MEMS扫描振镜的扫描角度对应目标2时，由目标2反射的回波信号由窄带滤光片、大相对孔径光学镜头、传像纤维光锥传递到另一组APD探测器单元上，如图2中虚线所示。；随着二维MEMS扫描振镜扫描角度的变化，单次选通对应的一组APD探测器单元采集信号，可避免其他组APD阵列探测器单元接收到环境背景光对系统造成干扰，改善接收系统的信噪比。

所述窄带滤光片为905nm的窄带滤光片，根据MEMS激光雷达发射系统的发射激光波长而定，用以滤除其他波段的干扰光。

所述窄带滤光片位于激光信号接收系统的最前端。

本实施例所述传像纤维光锥外形为锥形结构，如图6所示，其由数千万根锥形光纤规则排列组合而成；所述传像纤维光锥口径大的一端为入射端面，直径22mm，口径小的一端为出射端面，直径10mm；所述传像纤维光锥具有放大倍率2.2，可将传像纤维光锥入射端面接收到的图像分解为与组成传像纤维光锥的数千万根锥形光纤相对应的像元，规则排列的锥形光纤将所携带的像元信息一一对应地传递到传像纤维光锥的另一端；像元在传递过程中随锥形光纤直径的变化被放大或缩小，在出射端面按原排列方式组合成像。

传像纤维光锥为由锥形光纤规则排列组合而成的锥形光纤束；锥形光纤束的外形为锥台，其两侧端面可根据APD阵列探测器形状加工为矩形或圆形。

本实例所述传像纤维光锥由数千万根规则排列的锥形光纤组成，每根锥形光纤的直径从所述传像纤维光锥口径大的一端到传像纤维光锥口径小的一端逐渐变小，丝径≤6µm；如图7，每根光纤都由纤芯11和包层12组成，里层为折射率为n1的纤芯，外层为折射率为n2的包层，n1>n2。

上述技术方案的二维MEMS扫描振镜激光雷达系统采用收发并行光路，使接收光路口径不受二维MEMS扫描振镜面积的限制，提高激光雷达系统的探测距离和视场；以传像纤维光锥作为大相对孔径光学镜头和APD阵列探测器的中继元件，线阵APD探测器根据二维MEMS扫描振镜激光雷达的扫描方位采用选通模式，可降低环境背景光对系统的干扰，提高回波信号接收的信噪比。

Claims (8)

1.一种二维MEMS扫描振镜激光雷达系统，包括激光发射系统、控制系统、激光信号接收系统，其特征在于：

沿着光传播方向的光轴方向上，所述的激光发射系统依次设置为：激光器，激光准直系统、二维MEMS扫描振镜；

所述激光器为脉冲激光器；

从物方至像方所述的激光信号接收系统依次设置为：窄带滤光片、大相对孔径光学镜头、传像纤维光锥、APD阵列探测器；所述的传像纤维光锥外形为锥形结构，其口径大的一端为入射端面，口径小的一端为出射端面；所述的传像纤维光锥是由锥形光纤规则排列组合而成的锥形光纤束；大相对孔径光学镜头和传像纤维光锥组成接收镜头；激光雷达回波光线依次经过窄带滤光片、大相对孔径光学镜头成像在传像纤维光锥入射端面上，传像纤维光锥进一步将光线传递到APD阵列探测器表面；

控制系统分别与激光发射系统、APD阵列探测器、二维MEMS扫描振镜通过导线或无线信号连接，用于控制激光器的激光脉冲发射、二维MEMS扫描振镜的摆动和APD阵列探测器数据的接收；

传像纤维光锥的入射端面位于大相对孔径光学镜头的像方焦平面位置；

由控制系统控制激光器发出高频率脉冲激光，以二维MEMS扫描振镜为扫描机构反射经激光准直系统出射的光斑，对目标进行逐点扫描；经目标反射的回波光线经过窄带滤光片、大相对孔径光学镜头成像在传像纤维光锥口径大的一端横截面处，传像纤维光锥将光线从传像纤维光锥口径小的一端横截面射出并传递到APD阵列探测器表面；

APD阵列探测器由APD探测器单元排列组成，根据二维MEMS扫描振镜的扫描角度和对应回波光线在所述传像纤维光锥的输出端面输出的光斑位置，通过控制系统选择对应的APD阵列探测器单元采集信号；随着二维MEMS扫描振镜扫描角度的变化，单次选通对应的一组APD探测器单元采集信号。

2.根据权利要求1所述的二维MEMS扫描振镜激光雷达系统，其特征在于，二维MEMS扫描振镜可以沿水平和竖直两个方向扫描。

3.根据权利要求2所述的二维MEMS扫描振镜激光雷达系统，其特征在于，所述激光器选用脉冲式激光二极管；

所述APD阵列探测器为线阵APD探测器，该线阵APD探测器的长边方向与激光二极管快轴方向平行。

4.根据权利要求3所述的二维MEMS扫描振镜激光雷达系统，其特征在于，所述二维MEMS扫描振镜的水平扫描方向与脉冲式激光二极管快轴方向平行。

5.根据权利要求4所述的二维MEMS扫描振镜激光雷达系统，其特征在于，所述锥形光纤的直径从所述传像纤维光锥入射端面到传像纤维光锥出射端面逐渐变小；每根锥形光纤都由纤芯和包层组成，纤芯的材料折射率大于包层的材料折射率。

6.根据权利要求1所述的二维MEMS扫描振镜激光雷达系统，其特征在于，

所述大相对孔径光学镜头从物方至像方依次由第一组元、第二组元、第三组元组成，其光焦度依次为负，正，正；其中第一组元用于将大视场的光接收进入所述的接收镜头，第二组元压缩光线的角度，第三组元进一步会聚光线，第三组元中一个面为非球面，用于校正球差。

7.根据权利要求1所述的二维MEMS扫描振镜激光雷达系统，其特征在于，所述传像纤维光锥的入射端面靠近大相对孔径光学镜头，出射端面紧贴APD阵列探测器。

8.根据权利要求1～7之一所述的二维MEMS扫描振镜激光雷达系统，其特征在于，所述大相对孔径光学镜头包括5片镜片，自物方至像方依次为第一平凸透镜、平凹透镜、第二平凸透镜、双凸透镜、非球面正透镜；其中第一平凸透镜与第二平凸透镜的凸面均位于物方一侧，平凹透镜的凹面位于像方一侧。

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