[发明专利]一种二维MEMS扫描振镜激光雷达系统

说明书

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。

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。