一种基于MEMS微镜的三维扫描激光雷达的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

3、通过增加发射接收模块组数可以相对提高扫描转速，增强水平方向点阵像素分辨率。

4、该雷达相比多线扫描雷达使用发射二极管减少，功耗散热降低，节约成本；垂直视场覆盖范围、角度间隔等软件灵活可调，不需要物理电路上的修改，不受一旦生产就定型的约束。

附图说明

图1为基于mems微镜的三维扫描激光雷达的结构示意图。

图2为基于mems微镜的三维扫描激光雷达的光路示意图。

图3为基于mems微镜的扫描三维激光雷达的结构框图。

图4为基于mems微镜的扫描三维激光雷达的工作流程示意图。

图5为控制模块tdc算法之单阈值脉宽修正法的原理示意图。

图6为控制模块tdc算法之单阈值脉宽修正法中脉宽和距离的拟合关系图。

图7为控制模块tdc算法之双阈值距离修正法的原理示意图。

图8为控制模块tdc算法之恒定比值修正法的原理示意图。

附图标记说明：

1-发射二极管、2-非球面柱透镜、3-直角棱镜、4-mems微镜、5-接收镜头、6-接收探测器阵列、7-发射和接收电路板、8-控制模块、9-电机、10-码盘、11-编码器、12-配重组、13-固定件、14-待测物。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的一种基于mems微镜的三维扫描激光雷达进行详细描述。

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；和无线传输模块，用于无线供电和数据传输。

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。

发射光斑经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°。

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的中心线上，接收电路对信号进行处理和放大后输出给控制模块，接收探测器为线阵mppc或者线阵apd，接收视场大于30°。

发射模块和接收模块为上下结构关系，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。

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。既不互相干扰也利于动平衡，通过增加发射接收组数，在不提高转速情况下，实现增加水平方向采样频数，提高扫描分辨率。在单组和多组中配有的配重模块，实现动平衡，增强旋转稳定性，并提高雷达装置使用寿命。mems微镜在垂直方向连续扫描，通过控制发射时机可以在垂直方向任意间隔角度发射，增加垂直方向采样点数，发射模块和接收模块可以设置为多组，相对增加转速提高水平方向扫描帧数，增大采样频率。

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；扫描模块包括电机、码盘和编码器。

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°或或mems振镜扫描的任意角度，mems振镜扫描极限角度一般为-40-+40°；控制模块能够控制不同发射接收组合同时或者顺序发射接收，通过tdc算法处理时间、距离、脉宽之间的关系，实时获得单点测试距离，结合扫描模块水平方向发射角度，从而得出三维环形点阵。

上电启动后，控制模块产生驱动信号，驱动水平扫描模块和mems微镜，控制模块根据水平角度和垂直角度产生脉冲电信号，脉冲电信号经过发射电路产生激光脉冲，并触发计时开始；激光脉冲经过待测物反射后，经过接收聚焦触发接收探测器并产生电信号，电信号经过接收电路处理后进入控制模块，并触发计时结束，控制模块保存当前水平和垂直角度信息，以及距离信息。如图4所示。

tdc算法通过计时开始信号和计时结束信号得到时间差，进而换算为距离。计时结束信号即检测到激光回波信号的时刻，计时结束信号的准确性直接影响测量距离的准确性。而激光脉冲受大气及目标散射特性的影响，激光回波强度变化很大，故确定合适的计时结束算法至关重要。举例以下三种方法可实现。

方法一，单阈值脉宽修正法。

通过单阈值判别的方式来确定计时停止点，即以脉冲回波信号前沿当中幅值等于所设阈值的点到达的时刻作为停止时刻。单阈值判别原理如图5所示。由图可知，当脉冲回波信号幅度在大范围变化时，造成计时停止点的变化，引起较大的测距误差。而回波信号幅度变化直接反应回波的强弱，通过回波信号脉宽即可反应，通过脉宽修正可以弥补单阈值带来的测距误差。

脉宽补偿即要确定脉宽和距离之间的关系，我们通过实验测试，可以获得每个距离对应的脉宽值，通过曲线拟合得到了脉宽和距离的公式(1)如下：

f(x)＝1000*(a*10^-16*x⁴+b*10^-12*x³+c*]0^-8*x²+d*]0^-4*x+e)(1)

其中，x为输入的脉宽，f(x)为距离，a、b、c、d、e即为需要标定的补偿系数。如图6所示为实际标定后拟合得到的脉宽补偿公式。

方法二，双阈值距离修正法。

双阈值距离修正法原理如图7所示。参考信号经阈值vth产生开始计时数字信号。回波信号同时经vth1和vth2(vth1<vth2)产生两个停止计时数字信号。使用虚线和实线分别表示强度不同的回波信号，同一回波信号可以测量得到两个飞行时间t1和t2(t1′和t2′)。通过实验可以标定t2-t1(或t2′-t1′)与时间漂移误差δttwe的关系，利用标定好的误差补偿曲线即可减少信号强弱引起的距离误差。

方法三，恒定比值修正法。

恒定比值法确定计时停止时刻，不管脉冲回波幅度如何变化，始终在脉冲回波前沿的中点作为计时停止时刻。

由于事先无法预知脉冲回波信号的大小，无法事先确定其阈值，而通过对脉冲回波信号采用延时和衰减的方法，可以确定其阈值。恒定比值法原理图如图8所示，其中vi(t)为输入脉冲回波信号，v1(t)是经过延时后的脉冲回波信号，v2(t)是经过衰减后的脉冲回波信号，vo(t)是v1(t)和v2(t)经过比较后的输出信号。假设脉冲回波信号延时时间为td，衰减系数为f，则v1(t)和v2(t)可分别表示为：

v1(t)＝vi(t-td)(2)

v2(t)＝f*vi(t)(3)

在定时点te处，v1(t)和v2(t)相等，则有：

vi(te-td)-f*vi(te)＝0(4)

由式(4)可知，定时点te与延时时间td和衰减系数f有关，可以有效消除由信号强弱变化所造成的误差。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。