本發(fā)明涉及雷達技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

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

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)，其光路對準更易實現(xiàn)，測量頻率高且成本低。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(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)預設指定旋轉(zhuǎn)角度對目標區(qū)域進行激光掃描；

接收探測器，接收所述目標區(qū)域內(nèi)目標反射物的反射激光并轉(zhuǎn)化為回波脈沖信號；

信號處理模塊，接收并處理所述回波脈沖信號以獲得所述目標反射物的位置信息。

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

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

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

根據(jù)所述激光飛行時間間隔生成所述目標反射物的距離信息的距離子模塊；

檢測所述激光雷達系統(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系統(tǒng)，所述接收探測器為光電探測器，所述反射激光經(jīng)過所述光電探測器上的光電二極管以轉(zhuǎn)化為所述回波脈沖信號。

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

根據(jù)所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)，所述MEMS微鏡和所述接收探測器中間設有電機；所述電機上設有至少一對磁環(huán)，所述電機通過所述磁環(huán)無線驅(qū)動所述雷達主體和/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系統(tǒng)，所述雷達主體內(nèi)設有至少一用于調(diào)整所述MEMS微鏡折射所述出射激光的光路徑和/或調(diào)整所述接收探測器接收所述反射激光的光路徑的反射鏡。

根據(jù)所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)，所述激光雷達系統(tǒng)還設有用于獲取電能和/或數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接口。

根據(jù)所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)，所述激光器為光纖激光器。

本發(fā)明所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)采用MEMS微鏡折射激光器發(fā)射的出射激光并根據(jù)預設指定旋轉(zhuǎn)角度對目標區(qū)域進行激光掃描，接收探測器接收所述目標區(qū)域內(nèi)目標反射物的反射激光并轉(zhuǎn)化為回波脈沖信號，信號處理模塊接收并處理所述回波脈沖信號以獲得所述目標反射物的位置信息。借此，本發(fā)明測量頻率高且成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)的俯視剖析圖；

圖3為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)的正視剖析圖；

圖4為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)的所述接收光學模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)的回波信號處理流程圖；

圖6為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)的所述FPGA模塊的結(jié)構(gòu)圖；

圖7為本發(fā)明優(yōu)選實施例所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)的掃描探測流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明優(yōu)選的實施例如圖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，微機電系統(tǒng))微鏡20，折射所述出射激光101并根據(jù)預設指定旋轉(zhuǎn)角度對目標區(qū)域進行激光掃描；接收探測器30，接收所述目標區(qū)域內(nèi)目標反射物的反射激光102并轉(zhuǎn)化為回波脈沖信號；信號處理模塊，接收并處理所述回波脈沖信號以獲得目標反射物的位置信息。

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)域是與光學相結(jié)合，稱為微光機電系統(tǒng)(MOEMS)。MOEMS是利用微加工技術(shù)實現(xiàn)的微光機電器件與系統(tǒng)，系統(tǒng)中的微光學元件(如透鏡、反射鏡、光柵等)在微電子和微機械裝置的作用下能夠?qū)馐M行匯聚、反射、衍射等控制作用，從而實現(xiàn)光的開關(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)光學掃描方式相比，MOMES掃描鏡在體積、重量、功耗以及動態(tài)響應方面的優(yōu)點尤為突出，此外還具備MEMS器件所共有的成本低、易于實現(xiàn)批量制造的優(yōu)點。即本發(fā)明所采用的MEMS微鏡為MOEMS掃描鏡，可控設置其旋轉(zhuǎn)操作，因此其鏡面通過旋轉(zhuǎn)折射所述激光器10發(fā)射的出射激光101可對目標區(qū)域進行掃描；本實施例優(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，則可相應地控制整個雷達系統(tǒng)水平方向360度旋轉(zhuǎn)，以使激光掃描能夠達到最大掃描角度，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)有雷達系統(tǒng)中的16線激光器掃描頻率，即利用一個激光器10、一個MEMS微鏡以及一個接受探測器30就可實現(xiàn)16線掃描，從而不必考慮16個激光器的時序電路，使得雷達更易于實現(xiàn)批量制造。

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

如圖6所示，所述FPGA模塊204包括：

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

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

檢測所述雷達系統(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)場可編程門陣列的集成電路，本發(fā)明將現(xiàn)有雷達系統(tǒng)中的TDC(Time-to-Digital Converter，時間數(shù)字轉(zhuǎn)化器)電路的測量功能寫入到FPGA模塊204中的測量子模塊2041進行代替；本實施例的所述FPGA模塊的控制子模塊2045還可同時控制激光器10的同步觸發(fā)，其角度子模塊2043可以是編碼盤301，由編碼盤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，因此其測量與計算速度更快更高效。

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

具體的是，所述接收光學模塊50的有效聚焦直徑為15毫米，即第一光學透鏡51的入射面的直徑為15毫米，所述接收探測器30的光敏面的直徑為3毫米，通過對其他光學透鏡的參數(shù)優(yōu)化使得所述接收光學系統(tǒng)的焦距為8毫米；進而將所述雷達系統(tǒng)的測量確定200m量程和視場角為20度范圍內(nèi)，可滿足光斑一直在探測器光敏面內(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，且通過接收光學模塊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計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)射的激光進入MEMS微反射鏡片，MEMS掃描頻率為20KHz，機械掃描角度為+/-5度，光學掃描角度為+/-10度，即實現(xiàn)一維20度視場垂直掃描，同時整個機構(gòu)360度水平旋轉(zhuǎn)，實現(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通過控制光纖激光器發(fā)射16個激光脈沖，即完成16線激光的掃描。當發(fā)射激光在空間捕獲到目標，產(chǎn)生后向散射光，來自目標的后向散射光進入單基光學接收系統(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，本實施例的所述雷達系統(tǒng)包括有雷達主體，所述MEMS微鏡20和接收探測器30離軸對稱封裝在雷達主體內(nèi)，所述激光器10設在MEMS微鏡20和接收探測器30的頂部且所述激光器10的激光發(fā)射頭111與MEMS微鏡相對應。其中部設有電機組件40，包括有設在MEMS微鏡20和接收探測器30中間的電機41；所述電機41上設有至少一對磁環(huán)42，所述電機41的底部設有軸承43支撐固定，所述電機41通過所述磁環(huán)42無線驅(qū)動雷達主體和/或MEMS微鏡20旋轉(zhuǎn)。具體是，整個雷達系統(tǒng)依靠電機41進行360度水平旋轉(zhuǎn)，且避免了使用滑環(huán)，整個結(jié)構(gòu)中不存在滑環(huán)之類的摩擦損耗件，上部供電和信號傳輸是依靠一對磁環(huán)連接，大大提高了產(chǎn)品使用壽命。其創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設計，在不使用滑環(huán)的情況下實現(xiàn)三維距離和角度、灰度信息測量。

所述雷達主體內(nèi)還設有第一無線傳輸控制板302和第二無線傳輸控制板303，所述第一無線傳輸控制板302設在編碼盤301的上部，所述第二無線傳輸控制板303設在光纖激光器10的底部。具體運作如下：所述第二無線傳輸控制板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，激光遇到目標反射物后反射回來的反射激光102經(jīng)接收光學模塊50匯聚在接收探測器30上，再發(fā)送到第二無線傳輸控制板303上通過激光發(fā)射、反射的時間差進行計算獲得目標反射物的距離信息，再將距離信息發(fā)送到第一無線傳輸控制板302上與編碼盤301得到的角度信息進行整合得到目標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算得出。所述激光雷達系統(tǒng)還設有用于獲取電能和/或數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接口304，通過此接口設備可從外部獲取電能，并通過通信接口傳遞指令和數(shù)據(jù)。當然，還可以采用相位測距或者三角測距的方法。

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

如圖7示出本發(fā)明掃描步驟流程如下：

步驟S101：所述電機41上電驅(qū)動所述雷達主體與所述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到所述目標區(qū)域進行激光掃描；

步驟S104：所述接收探測器30接收所述目標反射物的所述反射激光102；

步驟S105：所述信息處理模塊計算出所述目標反射物的位置信息；

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，本發(fā)明所述的基于MEMS微鏡掃描的激光雷達系統(tǒng)采用MEMS微鏡折射激光器發(fā)射的出射激光并根據(jù)預設指定旋轉(zhuǎn)角度對目標區(qū)域進行激光掃描，接收探測器接收所述目標區(qū)域內(nèi)目標反射物的反射激光并轉(zhuǎn)化為回波脈沖信號，信號處理模塊接收并處理所述回波脈沖信號以獲得所述目標反射物的位置信息。借此，本發(fā)明采用優(yōu)化的電路、光路以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計能夠測量200米范圍內(nèi)，視場角±10°的三維距離和角度、灰度信息，測量頻率達到每秒320000次。

當然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。