[发明专利]一种基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达

说明书

技术领域

本发明属于激光探测技术领域，尤其是涉及一种基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达。

背景技术

激光扫描测距雷达能够用于检测目标的位置，轮廓和速度，激光测距雷达的应用领域逐步在拓展，精确测量、导航定位、安全避障，并开始应用于无人驾驶技术，激光扫描雷达是将发射的激光束通过旋转扫描发射形成扫描截面，从而测试出待测物的特征信息。目前激光扫描雷达有二维扫描激光雷达和三维扫描激光雷达。二维扫描激光雷达多为单线扫描，水平方向旋转360°，扫描面为一水平面，得到的待测物特征信息非常有限。三维扫描激光雷达在垂直方向为多层扫描，水平方向360°，垂直方向可以达到40°，能够很好的反应待测物的特征信息，适用于多个领域，如无人驾驶的导航，形状轮廓检测。

目前的三维扫描激光雷达多采用多线扫描方式，即发射使用多个激光管顺序发射，结构为多个激光管纵向排列，每个激光管之间有一定的夹角，垂直发射视场在30-40°，接收模块在对应角度进行接收，每一个接收探测器对应一个发射角度，结构为接收模块和发射模块在两侧对称排布，并且使用多个反光镜进行光路转折，然后在水平方向旋转实现三维扫描测距，该多线雷达使用多个发射管，每个发射管需要进行准直并调节发射角度，并调整内部多个反光镜进行光路转折，装调复杂，虽然已经规模量产，但由于发射二极管众多，工艺复杂，成本居高不下。

为满足要求需要快速得到扫描测试信息，并且采集更多的特征信息提高点阵像素，多线激光雷达采用控制多个发射二极管在垂直方向顺序发射，为了提高垂直方向扫描分辨率，在垂直方向二极管数目必须要增加，目前最大线数为64线，因此造成垂直方向体积增大，功耗散热提高，制约了多线激光雷达的发展。另外一种三维扫描激光雷达是利用相控阵去控制发射角度，但其在水平方向测试角度最大为120°，需要多个激光雷达配合使用才能达到360°环形扫描。

发明内容

针对上述现有激光雷达的问题，本发明的目的是提供一种结构紧凑，易于装配，点阵像素密集，成本低廉的三维扫描激光雷达。

一种基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达，包括：

发射模块，用于在垂直方向进行扫描发射激光，并且输出垂直方向发射角度；接收模块，用于接收待测物反射的回波信号；高压模块，与发射模块和接收模块相连，用于为发射模块和接收模块提供高压；配重模块，用于整个旋转体的配重实现动平衡；扫描模块，在水平方向旋转扫描，并且输出水平方向发射角度；控制模块，用于整机控制和计算数据；无线传输模块，用于无线供电和数据传输。

优选的，所述发射模块包括单个发射二极管，非球面柱透镜组，直角棱镜，MEMS微镜和发射电路；其中，单个发射二极管发出激光经过非球面柱透镜组整形准直后由直角棱镜反射到MEMS微镜，在垂直方向进行扫描。

优选的，发射光斑经所述非球面柱透镜组准直后的发散角至少为3mrad，MEMS微镜的扫描角度大于30°，振动频率不小于1kHz，垂直方向的发射角度的间隔为0.1°至0.5°。

优选的，所述接收模块包含接收镜头、接收探测器和接收电路，接收镜头将反射光汇聚到接收探测器上，所述接收电路对信号进行处理和放大后输出给控制模块，所述接收探测器为线阵MPPC或者线阵APD，接收视场大于30°。

优选的，所述发射模块和接收模块为上下结构关系，所述发射模块垂直扫描面和接收模块的接收探测器的中心线在同一面上。

优选的，所述基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达包括多组发射模块和接收模块，通过配重模块进行配重调节平衡。

优选的，所述发射模块，接收模块，高压模块，配重模块，控制模块和无线传输模块通过固定件连接为整体，由扫描模块带动整体进行旋转扫描；所述扫描模块包括电机、码盘和编码器。

优选的，所述控制模块控制发射模块在垂直方向非对称式发射，以水平方向为0°，发射扫描角度设置为-10°至+20°；所述控制模块控制不同的发射和接收组合同时或者顺序进行发射和接收，实时获得单点测试距离，结合扫描模块水平方向发射角度，得出三维环形点阵。

优选的，所述控制模块通过TDC算法处理时间、距离和脉宽之间的关系。

优选的，所述控制模块通过单阈值脉宽修正法、双阈值距离修正法或恒定比值修正法确定计时结束点。

本发明具有以下技术优势：

1、发射接收模块设置为上下结构，光路简单，装调便捷，采用MEMS微镜扫描技术，能够实现在垂直方向的扫描。

2、控制模块可以控制在发射模块垂直方向发射角度间隔，增加垂直方向角度分辨率。