一种MEMS扫描激光雷达及扫描方法与流程

本发明涉及激光雷达领域，特别是涉及一种mems扫描激光雷达及扫描方法。

背景技术

激光雷达使用激光作为光源对目标进行主动成像，具有空间分辨率高、抗干扰能力强、全天时工作、体积小和重量轻等突出优势，在地形测绘、无人驾驶、交会对接等领域有着广泛的应用前景。

目前的成像激光雷达有多线扫描激光雷达、flash型激光雷达、mems微镜扫描激光雷达、光学相控阵激光雷达等。多个激光排列发射的多线扫描方式激光雷达，发射二极管众多，工艺复杂，成本居高不下，采用传统机械扫描式，受限于大的体积、重量和驱动功率，难以轻量化。flash型激光雷达面阵光源功耗高，探测距离较近，且高像元数阵列探测器难以获取。光学相控阵激光雷达，核心器件成本昂贵，且技术不成熟。

mems微镜扫描的激光雷达，采用mems微镜代替传统机械扫描，在轻量化方面具有潜力，受到了广泛的关注。现有技术公开的mems微镜扫描激光雷达，分为一维mems扫描和二维mems扫描方式，前者例如专利cn108196243a利用mems在垂直方向进行一维扫描，结合水平方向机械旋转实现二维扫描，利用线阵探测器进行成像，这种方案扫描视场大，刷新率高，但存在机械扫描，且需线阵探测器；例如专利cn108152830a利用mems进行二维扫描，用面阵探测器进行成像的方案，可实现轻量化、高帧频、远距离探测成像，但需要面阵排布的探测器。目前高像元数的阵列探测器难以获取，限制了以上专利技术的应用。例如专利cn107272014a利用单个mems扫描镜既作为扫描器件又作为接收器件，无需阵列探测器，降低了成本和调试难度，但一般mems扫描镜反射面尺寸很小，直接作为接收器件时口径很有限，严重限制了探测距离。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种接收口径大，探测距离远的mems扫描激光雷达及扫描方法。

技术方案：本发明所述的mems扫描激光雷达，包括控制模块，控制模块控制激光器发射激光，激光依次经过第一mems扫描镜的偏转和发射望远镜的准直后发射出去，激光被目标反射后的激光回波依次经过接收望远镜的压缩尺寸、第二mems扫描镜的偏转、滤光片的滤光和聚焦镜的聚焦后射入探测器中，控制模块对探测器输出的电信号进行处理，获取目标距离信息；此外，控制模块还控制第一mems扫描镜和第二mems扫描镜同时开始偏转，第一mems扫描镜的偏转角度点阵和第二mems扫描镜的偏转角度点阵均经过了失真修正。

进一步，所述第一mems扫描镜的偏转角度点阵通过求解式(1)的方程组得到：

式(1)中，(x1,y1)为第一mems扫描镜的偏转角度点阵中的任一点角度的坐标，x1为第一mems扫描镜绕竖直轴转动的角度，y1为第一mems扫描镜绕水平轴转动的角度，m为发射望远镜的倍数，h1为期望的扫描区域中的一个方位角，v1为期望的扫描区域中的一个俯仰角，f1(x1,y1)根据式(2)得到，g1(x1,y1)根据式(3)得到；

g1(x1,y1)＝-arcsin(sin2y1cos(α0+x1))(3)

其中，α0为激光入射到第一mems扫描镜的入射角。

进一步，所述第二mems扫描镜的偏转角度点阵通过求解式(4)的方程组得到：

式(4)中，(x2,y2)为第二mems扫描镜的偏转角度点阵中任一点的角度的坐标，x2为第二mems扫描镜绕竖直轴转动的角度，y2为第二mems扫描镜绕水平轴转动的角度，n为接收望远镜的倍数，h2为激光回波入射接收望远镜的方位角，v2为激光回波入射接收望远镜的俯仰角，f2(x2,y2)根据式(5)得到，g2(x2,y2)根据式(6)得到；

g2(x2,y2)＝-arcsin(sin2y2cos(α1+x2))(6)

其中，α1为激光回波从第二mems扫描镜(202)反射的出射角。

采用本发明所述的mems扫描激光雷达的扫描方法，包括以下过程：

控制模块控制第一mems扫描镜和第二mems扫描镜同时开始偏转，且第一mems扫描镜和第二mems扫描镜每次偏转至指定角度后一定时间内保持角度不变，然后再偏转至下一个指定角度；在第一mems扫描镜和第二mems扫描镜偏转至指定角度并保持角度不变的期间内，控制模块触发激光器发射激光，激光依次经过第一mems扫描镜的偏转和发射望远镜的准直后发射出去；激光被目标反射后的激光回波依次经过接收望远镜的压缩尺寸、第二mems扫描镜的偏转、滤光片的滤光和聚焦镜的聚焦后射入探测器中；控制模块对探测器输出的电信号进行处理，结合第一mems扫描镜和第二mems扫描镜的扫描角度信息，得到目标的位置信息。

进一步，控制模块发出控制第一mems扫描镜和第二mems扫描镜同时开始偏转到指定角度的控制信号，经过t1时间后发出触发激光器发射激光的控制信号，再经过t2时间后发出控制第一mems扫描镜和第二mems扫描镜同时开始偏转到下一个指定角度的控制信号。

进一步，所述t1不小于控制模块发出控制第一mems扫描镜和第二mems扫描镜同时开始偏转到指定角度的控制信号到第一mems扫描镜和第二mems扫描镜完全偏转到位的时间。

进一步，所述t2不小于控制模块发出触发激光器发射激光的控制信号到激光回波被接收的时间。

有益效果：本发明公开了一种mems扫描激光雷达及扫描方法，第一mems扫描镜的偏转角度点阵和第二mems扫描镜的偏转角度点阵均经过了失真修正，使得激光回波被第二mems扫描镜偏转后始终对准探测器。无需阵列探测器，降低了成本，并且扫描光束在目标附近形成准确、均匀的扫描区域，三维图像重建方向信息更加准确。探测器接收视场可设置较小，减小背景噪声，并且激光发射准直性高，接收口径大，探测距离远。此外，本发明选用两个mems扫描镜独立扫描，结构布置方便。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中激光雷达的结构框图；

图2为本发明具体实施方式中扫描方法的工作时序图；

图3为本发明具体实施方式中第一mems扫描镜偏转角度点阵产生方法示意图；

图4为本发明具体实施方式中f1(x1,y1)和g1(x1,y1)的原理图。

具体实施方式

本具体实施方式公开了mems扫描激光雷达，如图1所示，包括控制模块300，控制模块300控制激光器101发射激光，激光依次经过第一mems扫描镜102的偏转和发射望远镜103的准直后发射出去，激光被目标反射后的激光回波依次经过接收望远镜201的压缩尺寸、第二mems扫描镜202的偏转、滤光片203的滤光和聚焦镜204的聚焦后射入探测器205中，控制模块300对探测器205输出的电信号进行处理，获取目标距离信息；此外，控制模块300还控制第一mems扫描镜102和第二mems扫描镜202同时开始偏转，第一mems扫描镜102的偏转角度点阵和第二mems扫描镜202的偏转角度点阵均经过了失真修正。

控制模块300包括激光器101的触发电路、两个扫描镜的控制电路、信号处理电路、数据处理电路和数据传输电路。控制模块300对探测器205输出的电信号进行处理，通过计算激光脉冲飞行时间，提取目标距离信息，通过两个扫描镜偏转角度信息提取目标方向信息，最终输出目标的距离和方向数据。

激光器101为光束准直良好的脉冲激光器，接收望远镜201的物镜为卡赛格林式系统，探测器205为单元探测器且具有较小的接收视场，第一mems扫描镜102和第二mems扫描镜202均为水平和垂直二维扫描镜，且水平偏转轴都垂直于入射激光。为充分利用激光能量，选择激光光斑直径在第一mems扫描镜102附近且小于第一mems扫描镜102反射面的直径；第一mems扫描镜102偏转角为0°时，激光束对第一mems扫描镜102的入射角参考第一mems扫描镜102最佳反射率确定。

如图3所示，第一mems扫描镜102的偏转角度点阵通过求解式(1)的方程组得到：

式(1)中，(x1,y1)为第一mems扫描镜102的偏转角度点阵中的任一点角度的坐标，x1为第一mems扫描镜102绕竖直轴转动的角度，y1为第一mems扫描镜102绕水平轴转动的角度，m为发射望远镜103的倍数，h1为期望的扫描区域中的一个方位角，v1为期望的扫描区域中的一个俯仰角，如图4所示，f1(x1,y1)根据式(2)得到，g1(x1,y1)根据式(3)得到；

g1(x1,y1)＝-arcsin(sin2y1cos(α0+x1))(3)

其中，α0为激光入射到第一mems扫描镜102的入射角。

第二mems扫描镜202的偏转角度点阵通过求解式(4)的方程组得到：

式(4)中，(x2,y2)为第二mems扫描镜202的偏转角度点阵中任一点的角度的坐标，x2为第二mems扫描镜202绕竖直轴转动的角度，y2为第二mems扫描镜202绕水平轴转动的角度，n为接收望远镜201的倍数，h2为激光回波入射接收望远镜201的方位角，v2为激光回波入射接收望远镜201的俯仰角，f2(x2,y2)根据式(5)得到，g2(x2,y2)根据式(6)得到；

g2(x2,y2)＝-arcsin(sin2y2cos(α1+x2))(6)

其中，α1为激光回波从第二mems扫描镜202反射的出射角。

h1＝h2，v1＝v2。本具体实施方式还公开了采用mems扫描激光雷达的扫描方法，包括以下过程：

控制模块300控制第一mems扫描镜102和第二mems扫描镜202同步偏转，且第一mems扫描镜102和第二mems扫描镜202每次偏转至指定角度后一定时间内保持角度不变，然后再偏转至下一个指定角度；在第一mems扫描镜102和第二mems扫描镜202偏转至指定角度并保持角度不变的期间内，控制模块300触发激光器101发射激光，激光依次经过第一mems扫描镜102的偏转和发射望远镜103的准直后发射出去；激光被目标反射后的激光回波依次经过接收望远镜201的压缩尺寸、第二mems扫描镜202的偏转、滤光片203的滤光和聚焦镜204的聚焦后射入探测器205中；控制模块300对探测器205输出的电信号进行处理，结合第一mems扫描镜102和第二mems扫描镜202的扫描角度信息，得到目标的位置信息。

如图2所示，控制模块300发出控制第一mems扫描镜102和第二mems扫描镜202同步偏转到指定角度的控制信号，经过t1时间后发出触发激光器101发射激光的控制信号，再经过t2时间后发出控制第一mems扫描镜102和第二mems扫描镜202同步偏转到下一个指定角度的控制信号。

t1不小于控制模块300发出控制第一mems扫描镜102和第二mems扫描镜202同步偏转到指定角度的控制信号到第一mems扫描镜102和第二mems扫描镜202完全偏转到位的时间。

t2不小于控制模块300发出触发激光器101发射激光的控制信号到激光回波被接收的时间。