[發明專利]一種二維MEMS掃描振鏡激光雷達系統

有效

• 申請號: 201910767193.6
• 申請日: 2019-08-20
• 公開（公告）號: CN110488247B
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 吳東岷;王懋;范娜娜
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481
• 代理公司: 蘇州智品專利代理事務所(普通合伙) 32345
• 代理人: 王利斌

本發明屬于激光雷達探測領域，為擴大接收視場角、提高信噪比提出一種二維MEMS掃描振鏡激光雷達系統；二維MEMS掃描振鏡作為掃描機構，由控制系統控制激光器發出高頻脈沖激光，返回的激光信號光線依次經過濾光片、大相對孔徑光學鏡頭成像在傳像纖維光錐入射端面上，傳像纖維光錐進一步將光線傳遞到APD陣列探測器表面。傳像纖維光錐由錐形光纖束排列而成，APD陣列探測器根據二維MEMS掃描振鏡的掃描角度和對應回波光線在所述傳像纖維光錐輸出的光斑位置，選通對應的APD探測器單元采集信號。實現了接收光學系統口徑和焦距及探測器面積一定時，擴大MEMS激光雷達的視場，降低環境背景光對系統的干擾，提高信號接收的信噪比。

技術領域

本發明屬于激光雷達探測領域，具體涉及一種二維MEMS掃描振鏡激光雷達系統。

背景技術

激光雷達可大致分為機械式激光雷達和固態激光雷達。目前大接收視場的激光雷達都采用機械旋轉結構，利用激光光源配合轉臺式的機械掃描系統，對被測對象進行逐點的掃描，將數據按照順序還原成目標的距離圖像。當進行三維掃描時，需要存在兩個維度的掃描，結構復雜，成本較高，且分辨率不高。將MEMS微機電系統應用在激光雷達上，可以直接在硅基芯片上集成體積十分精巧的微振鏡，由可以二維旋轉的微振鏡來反射激光器的光線，從而實現掃描。相比于機械式激光雷達，二維MEMS掃描振鏡激光雷達不僅可以減小激光雷達體積，結構相對簡單，提高量產能力，降低成本，而且探測距離遠、方向性好、可測速測距，運行可靠，測量精度較高，因此有望在車載系統得到廣泛的應用，其是車載傳感器發展的一個趨勢。

激光雷達系統主要有收發共軸光路和收發并行光路，將MEMS振鏡用于激光雷達收發共軸光路系統中，由于MEMS微鏡的鏡面較小會限制接收系統的口徑，從而限制激光雷達系統對遠距離目標的探測。將二維MEMS掃描振鏡用于激光雷達收發并行光路系統中，以二維MEMS掃描振鏡作為掃描機構，對目標進行逐點掃描；激光接收系統收集經目標反射的回波光線并成像在探測器表面，控制系統通過準確計算激光發射和接收的時間差來計算目標的距離。激光探測距離的大小與回波信號的強弱息息相關，而回波信號受到很多因素影響，如激光發射功率、發散角度，光學鏡頭的衰減，目標的漫反射，接收光路的口徑等；激光雷達系統的接收視野主要取決于接收系統的視場范圍。在提高雷達系統的視野范圍和回波信號的功率時，如何降低背景光對系統的干擾，提高系統接收信噪比是雷達系統的關鍵問題。

發明內容

本發明為解決激光信號接收系統中的光學系統口徑較大的情況下，APD陣列探測器面積較小限制了二維MEMS掃描振鏡激光雷達接收光學系統的視場角以及背景光對系統的干擾導致的信噪比不高的技術問題，采用的技術方案如下：

一種二維MEMS掃描振鏡激光雷達系統，包括激光發射系統、控制系統、激光信號接收系統；沿著光傳播方向的光軸方向上，所述的激光發射系統依次設置為：激光器，激光準直系統、二維MEMS掃描振鏡；從物方至像方所述的激光信號接收系統依次設置為：窄帶濾光片、大相對孔徑光學鏡頭、傳像纖維光錐、APD陣列探測器；大相對孔徑光學鏡頭與傳像纖維光錐組成接收鏡頭；所述的傳像纖維光錐外形為錐形結構，其口徑大的一端為入射端面，口徑小的一端為出射端面；所述的傳像纖維光錐為由上千萬根錐形光纖規則排列組合而成的錐形光纖束；激光雷達回波光線依次經過窄帶濾光片、大相對孔徑光學鏡頭成像在傳像纖維光錐入射端面上，傳像纖維光錐進一步將光線傳遞到APD陣列探測器表面；控制系統分別與激光發射系統、APD陣列探測器、二維MEMS掃描振鏡通過導線或無線信號連接，用于控制激光器的激光脈沖發射、二維MEMS掃描振鏡的擺動和APD陣列探測器數據的接收。此處的無線信號連接包括：藍牙通訊協議、紅外通訊協議、WLAN通訊協議。