[發明專利]一種基于MEMS微鏡的三維掃描激光雷達

在審

• 申請號: 201710892336.7
• 申請日: 2017-09-27
• 公開（公告）號: CN107643516A
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發明（設計）人: 高東峰;王劍波;王鵬;王春生
• 申請（專利權）人: 北京因泰立科技有限公司
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481
• 代理公司: 北京太兆天元知識產權代理有限責任公司11108
• 代理人: 張洪年

技術領域

本發明屬于激光探測技術領域，尤其是涉及一種基于MEMS微鏡的三維掃描激光雷達。

背景技術

激光掃描測距雷達能夠用于檢測目標的位置，輪廓和速度，激光測距雷達的應用領域逐步在拓展，精確測量、導航定位、安全避障，并開始應用于無人駕駛技術，激光掃描雷達是將發射的激光束通過旋轉掃描發射形成掃描截面，從而測試出待測物的特征信息。目前激光掃描雷達有二維掃描激光雷達和三維掃描激光雷達。二維掃描激光雷達多為單線掃描，水平方向旋轉360°，掃描面為一水平面，得到的待測物特征信息非常有限。三維掃描激光雷達在垂直方向為多層掃描，水平方向360°，垂直方向可以達到40°，能夠很好的反應待測物的特征信息，適用于多個領域，如無人駕駛的導航，形狀輪廓檢測。

目前的三維掃描激光雷達多采用多線掃描方式，即發射使用多個激光管順序發射，結構為多個激光管縱向排列，每個激光管之間有一定的夾角，垂直發射視場在30-40°，接收模塊在對應角度進行接收，每一個接收探測器對應一個發射角度，結構為接收模塊和發射模塊在兩側對稱排布，并且使用多個反光鏡進行光路轉折，然后在水平方向旋轉實現三維掃描測距，該多線雷達使用多個發射管，每個發射管需要進行準直并調節發射角度，并調整內部多個反光鏡進行光路轉折，裝調復雜，雖然已經規模量產，但由于發射二極管眾多，工藝復雜，成本居高不下。

為滿足要求需要快速得到掃描測試信息，并且采集更多的特征信息提高點陣像素，多線激光雷達采用控制多個發射二極管在垂直方向順序發射，為了提高垂直方向掃描分辨率，在垂直方向二極管數目必須要增加，目前最大線數為64線，因此造成垂直方向體積增大，功耗散熱提高，制約了多線激光雷達的發展。另外一種三維掃描激光雷達是利用相控陣去控制發射角度，但其在水平方向測試角度最大為120°，需要多個激光雷達配合使用才能達到360°環形掃描。

發明內容

針對上述現有激光雷達的問題，本發明的目的是提供一種結構緊湊，易于裝配，點陣像素密集，成本低廉的三維掃描激光雷達。

一種基于MEMS微鏡的三維掃描激光雷達，包括：

發射模塊，用于在垂直方向進行掃描發射激光，并且輸出垂直方向發射角度；接收模塊，用于接收待測物反射的回波信號；高壓模塊，與發射模塊和接收模塊相連，用于為發射模塊和接收模塊提供高壓；配重模塊，用于整個旋轉體的配重實現動平衡；掃描模塊，在水平方向旋轉掃描，并且輸出水平方向發射角度；控制模塊，用于整機控制和計算數據；無線傳輸模塊，用于無線供電和數據傳輸。

優選的，所述發射模塊包括單個發射二極管，非球面柱透鏡組，直角棱鏡，MEMS微鏡和發射電路；其中，單個發射二極管發出激光經過非球面柱透鏡組整形準直后由直角棱鏡反射到MEMS微鏡，在垂直方向進行掃描。

優選的，發射光斑經所述非球面柱透鏡組準直后的發散角至少為3mrad，MEMS微鏡的掃描角度大于30°，振動頻率不小于1kHz，垂直方向的發射角度的間隔為0.1°至0.5°。

優選的，所述接收模塊包含接收鏡頭、接收探測器和接收電路，接收鏡頭將反射光匯聚到接收探測器上，所述接收電路對信號進行處理和放大后輸出給控制模塊，所述接收探測器為線陣MPPC或者線陣APD，接收視場大于30°。

優選的，所述發射模塊和接收模塊為上下結構關系，所述發射模塊垂直掃描面和接收模塊的接收探測器的中心線在同一面上。

優選的，所述基于MEMS微鏡的三維掃描激光雷達包括多組發射模塊和接收模塊，通過配重模塊進行配重調節平衡。

優選的，所述發射模塊，接收模塊，高壓模塊，配重模塊，控制模塊和無線傳輸模塊通過固定件連接為整體，由掃描模塊帶動整體進行旋轉掃描；所述掃描模塊包括電機、碼盤和編碼器。

優選的，所述控制模塊控制發射模塊在垂直方向非對稱式發射，以水平方向為0°，發射掃描角度設置為-10°至+20°；所述控制模塊控制不同的發射和接收組合同時或者順序進行發射和接收，實時獲得單點測試距離，結合掃描模塊水平方向發射角度，得出三維環形點陣。

優選的，所述控制模塊通過TDC算法處理時間、距離和脈寬之間的關系。

優選的，所述控制模塊通過單閾值脈寬修正法、雙閾值距離修正法或恒定比值修正法確定計時結束點。

本發明具有以下技術優勢：

1、發射接收模塊設置為上下結構，光路簡單，裝調便捷，采用MEMS微鏡掃描技術，能夠實現在垂直方向的掃描。

2、控制模塊可以控制在發射模塊垂直方向發射角度間隔，增加垂直方向角度分辨率。