一种MEMS微镜扫描激光雷达系统及其扫描方法与流程

本发明涉及激光探测技术领域，更具体地说，涉及一种mems微镜扫描激光雷达系统及其扫描方法。

背景技术

摄像头、毫米波雷达和激光雷达是智能驾驶汽车中最常见的三种环境感知传感器。由于激光雷达可以对车辆周围的环境进行精准的建模，因此，高度自动驾驶(l3等级以上)的智能驾驶汽车必须安装激光雷达。

激光雷达按照有无扫描机构可分为非扫描式激光雷达和扫描式激光雷达，而扫描式激光雷达按照扫描机构的不同又可分为机械旋转式、电子扫描式和mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)微镜扫描激光雷达。由于基于mems微镜扫描的固态扫描技术使得激光雷达的小型化、低成本和低功耗成为可能，因此，现有的智能驾驶汽车大多采用mems微镜扫描激光雷达。

现有的一种mems微镜扫描激光雷达包括多个激光发射器、mems微镜、多个激光接收器和处理模块，mems微镜反射激光发射器出射的激光并按照预设旋转角度对目标区域进行激光扫描，激光接收器接收目标区域内物体反射的激光，并根据物体反射的激光生成回波信号，以便处理模块根据回波信号计算出目标区域内物体的距离。

但是，由于现有的mems微镜扫描激光雷达采用不同的激光接收器接收目标区域内不同位置的反射光，因此，使得激光雷达的分辨率受限于激光接收器的个数，并且，由于激光接收器的价格较昂贵，因此，导致低成本的激光雷达的分辨率较低，高分辨率的激光雷达的成本较高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种mems微镜扫描激光雷达系统及其扫描方法，以解决现有的mems微镜扫描激光雷达分辨率受限于激光接收器的个数的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种mems微镜扫描激光雷达系统，包括激光发射器、激光接收器、环路器、mems微镜和时序控制与测量模块；

所述激光发射器在所述时序控制与测量模块的控制下发射激光；

所述环路器将所述激光输出至所述mems微镜；

所述mems微镜在所述时序控制与测量模块的控制下按照预设扫描模式对目标区域进行二维扫描，并在扫描的过程中将所述环路器输出的激光反射至所述目标区域，将所述目标区域内障碍物的反射光反射回所述环路器；

所述环路器将所述mems微镜反射的障碍物的反射光输出至所述激光接收器；

所述激光接收器根据接收到的所述障碍物的反射光生成回波信号；

所述时序控制与测量模块根据所述激光接收器生成的回波信号和所述mems微镜反馈的角度信息生成扫描结果，所述扫描结果包括所述障碍物的距离、所述障碍物的反射率、所述mems微镜的水平角度和竖直角度。

优选的，所述环路器包括光纤环路器和空间光环路器，所述环路器具有第一端、第二端和第三端；

所述激光发射器发射的激光从所述第一端进入所述环路器，从所述第二端输出至所述mems微镜；

所述mems微镜反射的障碍物的反射光从所述第二端进入所述环路器，从所述第三端输出至所述激光接收器。

优选的，所述环路器和所述mems微镜之间具有准直扩束镜；

所述环路器输出的所述激光经过所述准直扩束镜后输出至所述mems微镜；所述mems微镜反射的障碍物的反射光经过所述准直扩束镜后进入所述环路器。

优选的，所述激光雷达系统包括一对所述激光发射器和所述激光接收器、一个所述环路器和一个所述准直扩束镜。

优选的，所述激光雷达系统包括多对所述激光发射器和所述激光接收器、多个所述环路器和多个所述准直扩束镜；

任一对所述激光发射器和所述激光接收器都与一个所述环路器和一个所述准直扩束镜对应设置。

优选的，相邻的两个所述准直扩束镜的水平夹角为所述mems微镜最大偏转角度的两倍，相邻的两个所述准直扩束镜的竖直夹角为0。

优选的，所述激光雷达系统还包括mems微镜驱动电路；

所述mems微镜驱动电路根据所述时序控制与测量模块发出的控制所述mems微镜的控制信号生成驱动信号，并通过所述驱动信号驱动所述mems微镜进行二维扫描。

优选的，还包括电源模块；

所述电源模块向所述激光发射器、所述激光接收器和所述时序控制与测量模块供电。

一种mems微镜扫描激光雷达系统的扫描方法，包括：

激光发射器在时序控制与测量模块的控制下发射激光；

环路器将所述激光传输至mems微镜；

所述mems微镜在所述时序控制与测量模块的控制下按照预设扫描模式对目标区域进行二维扫描，并在扫描的过程中将所述激光反射至所述目标区域，将所述目标区域内障碍物的反射光反射至所述环路器；

所述环路器将所述mems微镜反射的障碍物的反射光传输至所述激光接收器；

所述激光接收器根据接收到的所述障碍物的反射光生成回波信号；

所述时序控制与测量模块根据所述激光接收器生成的回波信号和所述mems微镜反馈的角度信息生成扫描结果，所述扫描结果包括所述障碍物的距离、所述障碍物的反射率、所述mems微镜的水平角度和竖直角度。

优选的，当所述激光雷达系统包括多对所述激光发射器和所述激光接收器时，激光发射器在时序控制与测量模块的控制下发射激光包括：

多个所述激光发射器在所述时序控制与测量模块的控制下依次发射激光。与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的mems微镜扫描激光雷达系统及其扫描方法，激光发射器发射激光，环路器将激光传输至mems微镜，mems微镜将环路器输出的激光反射至目标区域，将目标区域内障碍物的反射光反射至环路器，环路器将mems微镜反射的障碍物的反射光传输至激光接收器，激光接收器根据接收到的障碍物的反射光生成回波信号，时序控制与测量模块根据激光接收器生成的回波信号和mems微镜反馈的角度信息生成扫描结果。

也就是说，本发明通过环路器对激光发射器出射激光的光路和激光接收器接收反射光的光路进行了合并和分离，从而可以通过mems微镜将目标区域内不同位置的反射光传输至同一个激光接收器，进而可以在实现激光雷达系统高分辨率的基础上，减少激光雷达系统中激光接收器的个数，降低激光雷达系统的成本。并且，本发明中的激光雷达系统的结构简单紧凑、装调容易、易于量产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种mems微镜扫描激光雷达系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种mems微镜扫描激光雷达系统的结构示意图；

图3为图2所示的mems微镜扫描激光雷达系统中激光发射器的驱动信号时序图；

图4为本发明实施例提供的一种mems微镜扫描激光雷达系统的扫描方法的流程图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种mems微镜扫描激光雷达系统，该mems微镜扫描激光雷达系统为同轴收发的mems微镜扫描激光雷达系统，主要应用在智能驾驶汽车中。

如图1所示，该激光雷达系统包括激光发射器10、激光接收器11、环路器12、mems微镜13和时序控制与测量模块14。可选地，激光发射器10为带尾纤的半导体激光器或光纤激光器，激光接收器11为光电探测器，mems微镜13为二维mems微镜，环路器12为光纤环路器，当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，环路器12还可以为空间光环路器。需要说明的是，激光发射器10发射的激光的峰值功率和脉冲宽度的设计需满足人眼的安全标准。

本实施例中，激光发射器10用于在时序控制与测量模块14的控制下发射激光。环路器12用于将激光发射器10发射的激光传输至mems微镜13，并将mems微镜13反射的障碍物的反射光传输至激光接收器11。mems微镜13用于在时序控制与测量模块14的控制下按照预设扫描模式对目标区域进行二维扫描，并在扫描的过程中将环路器12输出的激光反射至目标区域，将目标区域内障碍物的反射光反射回环路器12。激光接收器11用于根据接收到的障碍物的反射光生成回波信号。时序控制与测量模块14用于根据激光接收器11生成的回波信号和mems微镜13反馈的角度信息生成扫描结果，该扫描结果包括障碍物的距离、障碍物的反射率、mems微镜13的水平角度和竖直角度。

本实施例中，如图1所示，环路器12具有第一端1、第二端2和第三端3。激光发射器10发射的激光从第一端1进入环路器12，从第二端2输出至mems微镜13；mems微镜13反射的障碍物的反射光从第二端2进入环路器12，从第三端3输出至激光接收器11。

进一步地，本实施例中的环路器12和mems微镜13之间具有准直扩束镜15。环路器12输出的激光经过准直扩束镜15准直扩束后输出至mems微镜13；mems微镜13反射的障碍物的反射光经过准直扩束镜15后进入环路器12。经过准直扩束镜15的激光的发散角很小，通常在零点几毫弧度量级。需要说明的是，准直扩束镜15的尺寸要与mems微镜13的尺寸相匹配，以使整个mems微镜13扫描角度内的所有激光都能被mems微镜13反射，以提高激光的利用率。

在上述任一实施例的基础上，如图1所示，本实施例提供的激光雷达系统还包括mems微镜驱动电路16。该mems微镜驱动电路16根据时序控制与测量模块14发出的控制mems微镜13的控制信号生成mems微镜13所需驱动信号，并将驱动信号发送至mems微镜13，以驱动mems微镜13进行二维扫描。

在上述任一实施例的基础上，如图1所示，本实施例提供的激光雷达系统还包括电源模块17。该电源模块17用于向激光发射器10、激光接收器11和时序控制与测量模块14供电。

本实施例中，如图1所示，激光雷达系统包括一对激光发射器10和激光接收器11、一个环路器12和一个准直扩束镜16，当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，激光雷达系统还可以包括多对激光发射器10和激光接收器11、多个环路器12和多个准直扩束镜16。

下面对具有一对激光发射器10和激光接收器11、一个环路器12和一个准直扩束镜16激光雷达系统的工作过程进行说明。

首先，时序控制与测量模块14向激光发射器10发出重复频率为k的start信号即开始信号，激光发射器10根据接收到的start信号发出重复频率为k的窄激光脉冲。

激光发射器10发出的重复频率为k的激光从环路器12的第一端1进入环路器12，从环路器12的第二端2传输至准直扩束镜15，经准直扩束镜15准直扩束后传输至mems微镜13。

mems微镜13在时序控制与测量模块14和mems微镜驱动电路16的控制下按照预设扫描模式对目标区域进行二维扫描，其中，按照预设扫描模式对目标区域进行二维扫描包括按照逐行扫描或逐列扫描的方式对目标区域进行二维扫描。

以逐行扫描为例，在任一行扫描的过程中，时序控制与测量模块14和mems微镜驱动电路16会不断改变mems微镜13的水平角度，以驱动mems微镜13从左往右或从右往左对一行扫描点进行扫描，当对一行扫描点扫描完成时，时序控制与测量模块14和mems微镜驱动电路16会改变mems微镜13的竖直角度，以驱动mems微镜13对下一行扫描点进行扫描。同理，逐列扫描时，在任一列扫描点扫描的过程中，时序控制与测量模块14和mems微镜驱动电路16会不断改变mems微镜13的竖直角度，以驱动mems微镜13从上往下或从下往上对一列扫描点进行扫描，当一列扫描点扫描完成时，时序控制与测量模块14和mems微镜驱动电路16会改变mems微镜13的水平角度，以驱动mems微镜13对下一列扫描点进行扫描。

在对任一行或任一列中的任一扫描点进行扫描的过程中，mems微镜13会将准直扩束镜15输出的激光反射至目标区域，将目标区域内障碍物的反射光反射至准直扩束镜15，经准直扩束镜15后从环路器12的第二端2进入环路器12，从环路器12的第三端3输出至激光接收器11。

激光接收器11将接收到的障碍物的反射光信号转换为电信号，对电信号进行时刻鉴别后生成回波信号，该回波信号包括stop信号即停止信号和幅值信息。时序控制与测量模块14根据stop信号和start信号，利用飞行时间即接收stop信号和发送start信号的时间差计算出目标区域内的障碍物至激光雷达系统的距离，该距离等于(飞行时间*光速)/2，并且，时序控制与测量模块14会将幅值信息转换为反射率，幅值信息与反射率之间的对应关系采用标定的方法得出。

之后，时序控制与测量模块14将mems微镜13反馈的角度信息记录下来，该角度信息包括mems微镜13的水平角度和竖直角度，即可完成一个扫描点的扫描，得到一个扫描点的扫描结果，该扫描结果包括障碍物与激光雷达的距离、障碍物的反射率、mems微镜13的水平角度和竖直角度。

时序控制与测量模块14和mems微镜驱动电路16驱动mems微镜13逐行或逐列扫描完成后，即可完成一帧的扫描，得到了目标区域的三维空间信息，从而可以对目标区域进行精准建模，进而可以在智能驾驶汽车行驶的过程中精确地避开目标区域内的障碍物。

基于此，本实施例中的激光雷达系统的扫描视场由mems微镜13水平方向和竖直方向的偏转角度决定。设mems微镜13水平方向的最大偏转角度为θx，竖直方向的最大偏转角度为θy，则激光雷达系统水平方向的视场角为2θx，竖直方向的视场角为2θy。

激光雷达系统的水平角分辨率和竖直角分辨率由激光脉冲重复频率k和mems微镜13水平或竖直方向的扫描线束决定。设mems微镜13水平方向的扫描线数(扫描点)为nx，竖直方向的扫描线数(扫描点)为ny，则激光雷达水平方向的角分辨率为2θx/nx，竖直方向的角分辨率为2θy/ny。nx和ny满足nx*ny＝k/f，其中f为激光雷达的帧频。这些参数的确定需根据对视场角、分辨率的需求及激光发射器10、mems微镜13的器件参数综合考虑确定。

本实施例提供的mems微镜扫描激光雷达系统，通过环路器对激光发射器出射激光的光路和激光接收器接收反射光的光路进行了合并和分离，从而可以通过mems微镜将目标区域内不同位置的障碍物的反射光传输至同一个激光接收器，进而可以在实现激光雷达系统高分辨率的基础上，减少激光雷达系统中激光接收器的个数，降低激光雷达系统的成本。并且，本实施例中的激光雷达系统的结构简单紧凑、装调容易、易于量产。

本发明另一实施例提供了一种mems微镜扫描激光雷达系统，与上述实施例的不同之处在于，如图2所示，本实施例中的mems微镜扫描激光雷达系统包括多对激光发射器10和激光接收器11、多个环路器12和多个准直扩束镜16。

其中，任一对激光发射器10和激光接收器11都与一个环路器12和一个准直扩束镜15对应设置。并且，相邻的两个准直扩束镜15的水平夹角为mems微镜13最大偏转角度的两倍，以使每对激光发射器10和激光接收器11的扫描视场是相切的(既没有空隙也没有重叠)，从而可以将相邻两对激光发射器10和激光接收器11的扫描视场拼接起来，进而可以扩展激光雷达的视场。

此外，与上述实施例的不同之处还在于，本实施例中的多个激光发射器10在时序控制与测量模块14的控制下依次发射激光。具体地，假设激光雷达系统具有n个激光发射器10，n大于等于2，则时序控制与测量模块14会发出n组重复频率为k(周期为t)、脉宽为tp(通常在ns量级)的start信号，n个start信号之间的时间间隔为t/n。n个激光发射器10根据收到的start信号依次发出重复频率为k的窄激光脉冲。

以n等于3、k等于100khz为例，时序控制与测量模块14发出的信号时序如图3所示，激光接收器ld1、ld2和ld3依次发射激光，并且，激光脉冲之间的时间间隔为3.3μs。

各个激光发射器10发射的激光分别进入对应的环路器12的第一端1，并在相应环路器12的第二端2输出，经过准直扩束镜15后，到达mems微镜13，mems微镜13将所有准直扩束镜15输出的激光反射至目标区域，将目标区域内障碍物的反射光反射回对应准直扩束镜15，经准直扩束镜15后进入对应的环路器12的第二端2，以使环路器12通过第三端3将mems微镜13反射的障碍物的反射光传输至对应的激光接收器11。激光接收器11和时序控制与测量模块14的工作过程与上述实施例相同，在此不再赘述。

本实施例中，多对激光发射器10和激光接收器11可以沿水平方向依次排列，也可以沿竖直方向依次排列，也可以沿水平和竖直方向排列成多行多列。当水平方向上具有多对激光发射器10和激光接收器11时，可以扩展激光雷达系统水平方向的视场角；当竖直方向上具有多对激光发射器10和激光接收器11时，可以扩展激光雷达系统竖直方向的视场角；当水平和竖直方向上都具有多对激光发射器10和激光接收器11时，既可以扩展激光雷达系统水平方向的视场角，又可以扩展激光雷达系统竖直方向的视场角。

设mems微镜13水平方向的最大偏转角度为θx，竖直方向的最大偏转角度为θy，设水平方向上有nx对激光发射器10和激光接收器11，竖直方向上有ny对激光发射器10和激光接收器11，则激光雷达系统水平方向的视场角为2nx*θx，竖直方向的视场角为2ny*θy，nx大于或等于2，ny大于或等于2。

需要说明的是，多对激光发射器10和激光接收器11只对激光雷达的视场角有影响，对分辨率并无影响。

本实施例提供的mems微镜扫描激光雷达系统，通过光纤环路器对激光发射器出射激光的光路和激光接收器接收反射光的光路进行了合并和分离，从而可以通过mems微镜将目标区域内不同位置的障碍物的反射光传输至同一个激光接收器，进而可以在实现激光雷达系统高分辨率的基础上，减少激光雷达系统中激光接收器的个数，降低激光雷达系统的成本。并且，本实施例中的激光雷达系统的结构简单紧凑、装调容易、易于量产。

本发明还实施例提供了一种mems微镜扫描激光雷达系统的扫描方法，如图4所示，包括：

s401：激光发射器在时序控制与测量模块的控制下发射激光；

s402：环路器将所述激光传输至mems微镜；

s403：所述mems微镜在所述时序控制与测量模块的控制下按照预设扫描模式对目标区域进行二维扫描，并在扫描的过程中将所述激光反射至所述目标区域，将所述目标区域内障碍物的反射光反射至所述环路器；

s404：所述环路器将所述mems微镜反射的障碍物的反射光传输至所述激光接收器；

s405：所述激光接收器根据接收到的所述障碍物的反射光生成回波信号；

s406：所述时序控制与测量模块根据所述激光接收器生成的回波信号和所述mems微镜反馈的角度信息生成扫描结果，所述扫描结果包括所述障碍物的距离、所述障碍物的反射率、所述mems微镜的水平角度和竖直角度。

具体地，以图1所示的具有一对激光发射器和激光接收器、一个环路器和一个准直扩束镜的激光雷达系统为例，其扫描过程如下：

首先，时序控制与测量模块14向激光发射器10发出重复频率为k的start信号即开始信号，激光发射器10根据接收到的start信号发出重复频率为k的窄激光脉冲。

激光发射器10发出的重复频率为k的激光从环路器12的第一端1进入环路器12，从环路器12的第二端2传输至准直扩束镜15，经准直扩束镜15准直扩束后传输至mems微镜13。

mems微镜13在时序控制与测量模块14和mems微镜驱动电路16的控制下按照预设扫描模式对目标区域进行二维扫描，其中，按照预设扫描模式对目标区域进行二维扫描包括按照逐行扫描或逐列扫描的方式对目标区域进行二维扫描。需要说明的是，本实施例中沿智能驾驶汽车的行进方向将二维区域分成了多帧画面，每一帧画面又分成了按照多行多列排布的多个扫描点。以逐行扫描为例，在任一行扫描的过程中，时序控制与测量模块14和mems微镜驱动电路16会不断改变mems微镜13的水平角度，以驱动mems微镜13从左往右或从右往左对一行扫描点进行扫描，当对一行扫描点扫描完成时，时序控制与测量模块14和mems微镜驱动电路16会改变mems微镜13的竖直角度，以驱动mems微镜13对下一行扫描点进行扫描。同理，逐列扫描时，在任一列扫描点扫描的过程中，时序控制与测量模块14和mems微镜驱动电路16会不断改变mems微镜13的竖直角度，以驱动mems微镜13从上往下或从下往上对一列扫描点进行扫描，当一列扫描点扫描完成时，时序控制与测量模块14和mems微镜驱动电路16会改变mems微镜13的水平角度，以驱动mems微镜13对下一列扫描点进行扫描。

在对任一行或任一列中的任一扫描点进行扫描的过程中，mems微镜13会将准直扩束镜15输出的激光反射至目标区域，将目标区域内障碍物的反射光反射至准直扩束镜15，经准直扩束镜15后从环路器12的第二端2进入环路器12，从环路器12的第三端3输出至激光接收器11。

激光接收器11将接收到的障碍物的反射光信号转换为电信号，对电信号进行时刻鉴别后生成回波信号，该回波信号包括stop信号即停止信号和幅值信息。时序控制与测量模块14根据stop信号和start信号，利用飞行时间即接收stop信号和发送start信号的时间差计算出目标区域内的障碍物至激光雷达系统的距离，该距离等于(飞行时间*光速)/2，并且，时序控制与测量模块14会将幅值信息转换为反射率，幅值信息与反射率之间的对应关系采用标定的方法得出。

之后，时序控制与测量模块14将mems微镜13反馈的角度信息记录下来，该角度信息包括mems微镜13的水平角度和竖直角度，即可完成一个扫描点的扫描，得到一个扫描点的扫描结果，该扫描结果包括障碍物与激光雷达的距离、障碍物的反射率、mems微镜13的水平角度和竖直角度。

时序控制与测量模块14和mems微镜驱动电路16驱动mems微镜13逐行或逐列扫描完成后，即可完成一帧的扫描，对多帧扫描完成后，即可根据所有扫描点的扫描结果得到目标区域的二维空间信息，从而可以对目标区域进行精准建模，进而可以在智能驾驶汽车行驶的过程中精确地避开目标区域内的障碍物。

当然，在本发明的另一个实施例中，激光雷达系统还可以包括如图2所示的多对激光发射器10和激光接收器11、多个环路器12和多个准直扩束镜16，其扫描过程与上述扫描过程基本相同，其不同之处在于，多个激光发射器10在时序控制与测量模块14的控制下依次发射激光。

并且，各个激光发射器10发射的激光分别进入对应的环路器12的第一端1，并在相应环路器12的第二端2输出，经过准直扩束镜15后，到达mems微镜13，mems微镜13将所有准直扩束镜15输出的激光反射至目标区域，将目标区域内障碍物的反射光反射回对应准直扩束镜15，经准直扩束镜15后进入对应的环路器12的第二端2，以使环路器12通过第三端3将mems微镜13反射的障碍物的反射光传输至对应的激光接收器11。激光接收器11和时序控制与测量模块14的工作过程与上述实施例相同，在此不再赘述。

本实施例提供的mems微镜扫描激光雷达系统的扫描方法，通过环路器对激光发射器出射激光的光路和激光接收器接收反射光的光路进行了合并和分离，从而可以通过mems微镜将目标区域内不同位置的障碍物的反射光传输至同一个激光接收器，进而可以在实现激光雷达系统高分辨率的基础上，减少激光雷达系统中激光接收器的个数，降低激光雷达系统的成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。