本實(shí)用新型涉及雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前的多線激光雷達(dá)由多個(gè)發(fā)射激光器和多個(gè)接收探測(cè)器實(shí)現(xiàn)多線掃描，如美國(guó)verlodyne公司的激光雷達(dá)VLP-16，需要16個(gè)激光器發(fā)射和接收，16個(gè)發(fā)射電路和接收電路的控制比較難處理，時(shí)序算法較難控制，且此激光器使用激光二極管，激光器功率最大峰值為75W，測(cè)量距離為200m時(shí)，若目標(biāo)反射率較小，則無(wú)回波信號(hào)。

綜上可知，現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)際使用上顯然存在不便與缺陷，所以有必要加以改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述的缺陷，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)，其光路對(duì)準(zhǔn)更易實(shí)現(xiàn)，測(cè)量頻率高且成本低。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)，至少包括：

激光器，發(fā)射出射激光；

MEMS微鏡，折射所述出射激光并根據(jù)預(yù)設(shè)指定旋轉(zhuǎn)角度對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行激光掃描；

接收探測(cè)器，接收所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)反射物的反射激光并轉(zhuǎn)化為回波脈沖信號(hào)；

信號(hào)處理模塊，接收并處理所述回波脈沖信號(hào)以獲得所述目標(biāo)反射物的位置信息。

根據(jù)所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)，所述信號(hào)處理模塊包括依次連接的互阻抗放大器、后置放大器、時(shí)刻鑒別電路以及FPGA模塊；所述回波脈沖信號(hào)輸入到所述互阻抗放大器，所述互阻抗放大器輸出電壓信號(hào)到后置放大器，所述電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)所述后置放大器調(diào)制放大后輸出至所述時(shí)刻鑒別電路，所述電壓信號(hào)經(jīng)所述時(shí)刻鑒別電路生成激光飛行結(jié)束時(shí)刻脈沖，所述FPGA模塊接收所述時(shí)刻鑒別電路輸入的所述激光飛行結(jié)束時(shí)刻脈沖。

根據(jù)所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)，所述FPGA模塊包括：

根據(jù)所述激光飛行結(jié)束時(shí)刻脈沖以測(cè)量出激光飛行時(shí)間間隔的測(cè)量子模塊；

根據(jù)所述激光飛行時(shí)間間隔生成所述目標(biāo)反射物的距離信息的距離子模塊；

檢測(cè)所述激光雷達(dá)系統(tǒng)和/或所述MEMS微鏡掃描旋轉(zhuǎn)的角度信息的角度子模塊；

將所述距離信息和所述角度信息整合形成所述目標(biāo)反射物的所述位置信息的位置子模塊。

根據(jù)所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)，所述FPGA模塊還包括：

根據(jù)所述MEMS微鏡旋轉(zhuǎn)角度控制觸發(fā)所述激光器的激光脈沖發(fā)射的控制子模塊。

根據(jù)所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)，所述激光雷達(dá)系統(tǒng)還包括有聚焦所述反射激光到所述接收探測(cè)器上的接收光學(xué)模塊，所述接收光學(xué)模塊由至少一光學(xué)透鏡組成。

根據(jù)所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)，所述接收光學(xué)模塊的有效聚焦直徑為15毫米，所述接收探測(cè)器的光敏面的直徑為3毫米，所述接收光學(xué)系統(tǒng)的焦距為8毫米。

根據(jù)所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)，所述接收探測(cè)器為光電探測(cè)器，所述反射激光經(jīng)過(guò)所述光電探測(cè)器上的光電二極管以轉(zhuǎn)化為所述回波脈沖信號(hào)。

根據(jù)上述任一項(xiàng)所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括有雷達(dá)主體，所述MEMS微鏡和所述接收探測(cè)器離軸對(duì)稱封裝在所述雷達(dá)主體內(nèi)，所述激光器設(shè)在所述MEMS微鏡和所述接收探測(cè)器的頂部且所述激光器的激光發(fā)射頭與所述MEMS微鏡相對(duì)應(yīng)。

根據(jù)所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)，所述MEMS微鏡和所述接收探測(cè)器中間設(shè)有電機(jī)；所述電機(jī)上設(shè)有至少一對(duì)磁環(huán)，所述電機(jī)通過(guò)所述磁環(huán)無(wú)線驅(qū)動(dòng)所述雷達(dá)主體和/或所述MEMS微鏡旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)，所述雷達(dá)主體內(nèi)設(shè)有至少一用于調(diào)整所述MEMS微鏡折射所述出射激光的光路徑和/或調(diào)整所述接收探測(cè)器接收所述反射激光的光路徑的反射鏡；和/或

所述激光雷達(dá)系統(tǒng)還設(shè)有用于獲取電能和/或數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接口；和/或

所述激光器為光纖激光器。

本實(shí)用新型所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)采用MEMS微鏡折射激光器發(fā)射的出射激光并根據(jù)預(yù)設(shè)指定旋轉(zhuǎn)角度對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行激光掃描，接收探測(cè)器接收所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)反射物的反射激光并轉(zhuǎn)化為回波脈沖信號(hào)，信號(hào)處理模塊接收并處理所述回波脈沖信號(hào)以獲得所述目標(biāo)反射物的位置信息。借此，本實(shí)用新型測(cè)量頻率高且成本低。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)的俯視剖析圖；

圖3為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)的正視剖析圖；

圖4為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)的所述接收光學(xué)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)的回波信號(hào)處理流程圖；

圖6為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)的所述FPGA模塊的結(jié)構(gòu)圖；

圖7為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)的掃描探測(cè)流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

本實(shí)用新型優(yōu)選的實(shí)施例如圖1～3所示，至少包括：激光器10，發(fā)射出射激光101；MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))微鏡20，折射所述出射激光101并根據(jù)預(yù)設(shè)指定旋轉(zhuǎn)角度對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行激光掃描；接收探測(cè)器30，接收所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)反射物的反射激光102并轉(zhuǎn)化為回波脈沖信號(hào)；信號(hào)處理模塊，接收并處理所述回波脈沖信號(hào)以獲得目標(biāo)反射物的位置信息。

隨著信息技術(shù)、光通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，MEMS發(fā)展的又一領(lǐng)域是與光學(xué)相結(jié)合，稱為微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)。MOEMS是利用微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的微光機(jī)電器件與系統(tǒng)，系統(tǒng)中的微光學(xué)元件(如透鏡、反射鏡、光柵等)在微電子和微機(jī)械裝置的作用下能夠?qū)馐M(jìn)行匯聚、反射、衍射等控制作用，從而實(shí)現(xiàn)光的開(kāi)關(guān)、衰減、掃描和成像等功能。MOMES掃描鏡通常指微反射鏡面在驅(qū)動(dòng)力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而改變光束的出射角度，與傳統(tǒng)光學(xué)掃描方式相比，MOMES掃描鏡在體積、重量、功耗以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面的優(yōu)點(diǎn)尤為突出，此外還具備MEMS器件所共有的成本低、易于實(shí)現(xiàn)批量制造的優(yōu)點(diǎn)。即本實(shí)用新型所采用的MEMS微鏡為MOEMS掃描鏡，可控設(shè)置其旋轉(zhuǎn)操作，因此其鏡面通過(guò)旋轉(zhuǎn)折射所述激光器10發(fā)射的出射激光101可對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描；本實(shí)施例優(yōu)選采用一維MEMS微鏡，可以是一維垂直方向旋轉(zhuǎn)掃描也可以是一維水平方向旋轉(zhuǎn)掃描；如若采用的是一維垂直方向旋轉(zhuǎn)掃描，則可相應(yīng)地控制整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)水平方向360度旋轉(zhuǎn)，以使激光掃描能夠達(dá)到最大掃描角度，反之亦可。

由于MEMS微鏡20的尺寸小，諧振頻率高，因此其一維掃描頻率可代替現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)中的16線激光器掃描頻率，即利用一個(gè)激光器10、一個(gè)MEMS微鏡以及一個(gè)接受探測(cè)器30就可實(shí)現(xiàn)16線掃描，從而不必考慮16個(gè)激光器的時(shí)序電路，使得雷達(dá)更易于實(shí)現(xiàn)批量制造。

本實(shí)施例的所述接收探測(cè)器30為光電探測(cè)器，所述反射激光經(jīng)過(guò)所述光電探測(cè)器30上的光電二極管以轉(zhuǎn)化為所述回波脈沖信號(hào)，所述回波脈沖信號(hào)為脈沖電流。如圖5所示，本實(shí)施例優(yōu)選的所述信號(hào)處理模塊包括依次連接的互阻抗放大器201、后置放大器202、時(shí)刻鑒別電路203以及FPGA模塊204；所述接收探測(cè)器30發(fā)送回波脈沖信號(hào)到所述信號(hào)處理模塊，所述回波脈沖信號(hào)輸入到互阻抗放大器201，所述互阻抗放大器201將所述回波脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并輸出到后置放大器202，所述電壓信號(hào)經(jīng)后置放大器202調(diào)制放大后輸出到時(shí)刻鑒別電路203，所述電壓信號(hào)經(jīng)所述時(shí)刻鑒別電路203生成激光飛行結(jié)束時(shí)刻脈沖，所述FPGA模塊204接收時(shí)刻鑒別電路203輸入的所述激光飛行結(jié)束時(shí)刻脈沖。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，因距離、目標(biāo)反射率等因素的變化，回波脈沖信號(hào)的幅度會(huì)發(fā)生較大變化，即動(dòng)態(tài)范圍較大，波形也會(huì)受到影響，從而可能對(duì)探測(cè)精度產(chǎn)生影響；在考慮到以上實(shí)際因素的基礎(chǔ)上，本方案所采用的時(shí)刻鑒別電路203可達(dá)到減小或消除測(cè)量結(jié)果的漂移誤差和時(shí)間抖動(dòng)，可保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

如圖6所示，所述FPGA模塊204包括：

根據(jù)所述激光飛行結(jié)束時(shí)刻脈沖以測(cè)量出激光飛行時(shí)間間隔的測(cè)量子模塊2041；

根據(jù)所述激光飛行時(shí)間間隔生成所述目標(biāo)反射物的距離信息的距離子模塊2042；

檢測(cè)所述雷達(dá)系統(tǒng)和/或所述MEMS微鏡20掃描旋轉(zhuǎn)的角度信息的角度子模塊2043；

將所述距離信息和角度信息整合形成所述目標(biāo)反射物的所述位置信息的位置子模塊2044。

所述FPGA模塊還包括：

根據(jù)所述MEMS微鏡20旋轉(zhuǎn)角度控制觸發(fā)激光器10的激光脈沖發(fā)射的控制子模塊2045。

FPGA是一種現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的集成電路，本實(shí)用新型將現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)中的TDC(Time-to-Digital Converter，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)化器)電路的測(cè)量功能寫(xiě)入到FPGA模塊204中的測(cè)量子模塊2041進(jìn)行代替；本實(shí)施例的所述FPGA模塊的控制子模塊2045還可同時(shí)控制激光器10的同步觸發(fā)，其角度子模塊2043可以是編碼盤(pán)301，由編碼盤(pán)301獲得角度信息，并將角度信息結(jié)合距離子模塊2042獲得的距離信息可在位置子模塊2044上獲得目標(biāo)反射物的所述位置信息。目前FPGA的傳輸速度為30M/s，因此其測(cè)量與計(jì)算速度更快更高效。

圖4示出本實(shí)施例優(yōu)選的用于聚焦所述反射激光102到接收探測(cè)器30上的接收光學(xué)模塊50，所述接收光學(xué)模塊50由至少一光學(xué)透鏡組成。本實(shí)施例包括有第一光學(xué)透鏡51、第二光學(xué)透鏡52、第三光學(xué)透鏡53以及第四光學(xué)透鏡54，其中第一光學(xué)透鏡51和第三光學(xué)透鏡53為球面透鏡，第二光學(xué)透鏡52和第四光學(xué)透鏡54為非球面透鏡；反射激光102經(jīng)過(guò)第一光學(xué)透鏡51后折射到第二光學(xué)透鏡52，第二光學(xué)透鏡52和第四光學(xué)透鏡54的入射面都為凹曲面且出射面為平面，反射激光102從第二光學(xué)透鏡52的凹曲面入射并準(zhǔn)直射入到第三光學(xué)透鏡53，第三光學(xué)透鏡53折射其反射激光102并聚焦在第四光學(xué)透鏡54的凹曲面上，最終通過(guò)所述第四光學(xué)透鏡54準(zhǔn)直出射到接收探測(cè)器20上，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化了接收光路的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，所述接收光學(xué)模塊50還可以采用不同組合結(jié)構(gòu)的光學(xué)透鏡形成。

具體的是，所述接收光學(xué)模塊50的有效聚焦直徑為15毫米，即第一光學(xué)透鏡51的入射面的直徑為15毫米，所述接收探測(cè)器30的光敏面的直徑為3毫米，通過(guò)對(duì)其他光學(xué)透鏡的參數(shù)優(yōu)化使得所述接收光學(xué)系統(tǒng)的焦距為8毫米；進(jìn)而將所述雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)量確定200m量程和視場(chǎng)角為20度范圍內(nèi)，可滿足光斑一直在探測(cè)器光敏面內(nèi)。

所述激光器10為光纖激光器，光纖激光器光束質(zhì)量比激光二極管光束質(zhì)量好，發(fā)散角小；即發(fā)射光斑在最遠(yuǎn)量程處發(fā)射光斑能量仍較集中，則所需激光發(fā)射能量就越小，且通過(guò)接收光學(xué)模塊50，使接收光斑匯聚得非常小，因此優(yōu)化光源的使用和光路設(shè)計(jì)可有效降低所需激光功率。MEMS微鏡20與接收光路離軸，光纖激光器發(fā)射的激光進(jìn)入MEMS微反射鏡片，MEMS掃描頻率為20KHz，機(jī)械掃描角度為+/-5度，光學(xué)掃描角度為+/-10度，即實(shí)現(xiàn)一維20度視場(chǎng)垂直掃描，同時(shí)整個(gè)機(jī)構(gòu)360度水平旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光束的水平掃描，以此完成光束垂直和水平方向的同時(shí)掃描。若MEMS微鏡20垂直方向掃描一次，則FPGA模塊204的控制子模塊2045通過(guò)控制光纖激光器發(fā)射16個(gè)激光脈沖，即完成16線激光的掃描。當(dāng)發(fā)射激光在空間捕獲到目標(biāo)，產(chǎn)生后向散射光，來(lái)自目標(biāo)的后向散射光進(jìn)入單基光學(xué)接收系統(tǒng)，這樣就完成了單基離軸系統(tǒng)的發(fā)射和接收。

如圖2～3，本實(shí)施例的所述雷達(dá)系統(tǒng)包括有雷達(dá)主體，所述MEMS微鏡20和接收探測(cè)器30離軸對(duì)稱封裝在雷達(dá)主體內(nèi)，所述激光器10設(shè)在MEMS微鏡20和接收探測(cè)器30的頂部且所述激光器10的激光發(fā)射頭111與MEMS微鏡相對(duì)應(yīng)。其中部設(shè)有電機(jī)組件40，包括有設(shè)在MEMS微鏡20和接收探測(cè)器30中間的電機(jī)41；所述電機(jī)41上設(shè)有至少一對(duì)磁環(huán)42，所述電機(jī)41的底部設(shè)有軸承43支撐固定，所述電機(jī)41通過(guò)所述磁環(huán)42無(wú)線驅(qū)動(dòng)雷達(dá)主體和/或MEMS微鏡20旋轉(zhuǎn)。具體是，整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)依靠電機(jī)41進(jìn)行360度水平旋轉(zhuǎn)，且避免了使用滑環(huán)，整個(gè)結(jié)構(gòu)中不存在滑環(huán)之類的摩擦損耗件，上部供電和信號(hào)傳輸是依靠一對(duì)磁環(huán)連接，大大提高了產(chǎn)品使用壽命。其創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在不使用滑環(huán)的情況下實(shí)現(xiàn)三維距離和角度、灰度信息測(cè)量。

所述雷達(dá)主體內(nèi)還設(shè)有第一無(wú)線傳輸控制板302和第二無(wú)線傳輸控制板303，所述第一無(wú)線傳輸控制板302設(shè)在編碼盤(pán)301的上部，所述第二無(wú)線傳輸控制板303設(shè)在光纖激光器10的底部。具體運(yùn)作如下：所述第二無(wú)線傳輸控制板303接收控制子模塊2045的控制指令以控制激光器10發(fā)射出射激光101到MEMS微鏡20上向外折射，激光遇到目標(biāo)反射物后反射回來(lái)的反射激光102經(jīng)接收光學(xué)模塊50匯聚在接收探測(cè)器30上，再發(fā)送到第二無(wú)線傳輸控制板303上通過(guò)激光發(fā)射、反射的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算獲得目標(biāo)反射物的距離信息，再將距離信息發(fā)送到第一無(wú)線傳輸控制板302上與編碼盤(pán)301得到的角度信息進(jìn)行整合得到目標(biāo)反射物的所述位置信息，其位置信息根據(jù)距離信息和角度信息計(jì)算得出。所述激光雷達(dá)系統(tǒng)還設(shè)有用于獲取電能和/或數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接口304，通過(guò)此接口設(shè)備可從外部獲取電能，并通過(guò)通信接口傳遞指令和數(shù)據(jù)。當(dāng)然，還可以采用相位測(cè)距或者三角測(cè)距的方法。

更好的是，所述雷達(dá)主體內(nèi)設(shè)有至少一用于調(diào)整所述MEMS微鏡20折射出射激光101的光路徑和/或調(diào)整所述接收探測(cè)器30接收反射激光102的光路徑的反射鏡13。

如圖7示出本實(shí)用新型掃描步驟流程如下：

步驟S101：所述電機(jī)41上電驅(qū)動(dòng)所述雷達(dá)主體與所述MEMS微鏡20旋轉(zhuǎn)；

步驟S102：所述激光器10發(fā)射出射激光101；

步驟S103：所述MEMS微鏡20旋轉(zhuǎn)折射所述出射激光101到所述目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行激光掃描；

步驟S104：所述接收探測(cè)器30接收所述目標(biāo)反射物的所述反射激光102；

步驟S105：所述信息處理模塊計(jì)算出所述目標(biāo)反射物的位置信息；

步驟S106：所述信息處理模塊控制所述激光器10發(fā)射激光。

綜上所述，本實(shí)用新型所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)采用MEMS微鏡折射激光器發(fā)射的出射激光并根據(jù)預(yù)設(shè)指定旋轉(zhuǎn)角度對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行激光掃描，接收探測(cè)器接收所述目標(biāo)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)反射物的反射激光并轉(zhuǎn)化為回波脈沖信號(hào)，信號(hào)處理模塊接收并處理所述回波脈沖信號(hào)以獲得所述目標(biāo)反射物的位置信息。借此，本實(shí)用新型采用優(yōu)化的電路、光路以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠測(cè)量200米范圍內(nèi)，視場(chǎng)角±10°的三維距離和角度、灰度信息，測(cè)量頻率達(dá)到每秒320000次。

當(dāng)然，本實(shí)用新型還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本實(shí)用新型精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本實(shí)用新型作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。