本發(fā)明屬于激光雷達(dá)領(lǐng)域，涉及一種基于mems微掃描鏡的三維激光雷達(dá)及測距方法。

背景技術(shù)：

無人駕駛技術(shù)要求汽車能對現(xiàn)實中復(fù)雜的交通狀況了如指掌，可以像人的眼睛和大腦一樣靈活應(yīng)變。實現(xiàn)自動駕駛能力的關(guān)鍵在于需要各種各樣的傳感器協(xié)作，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳給高精密的處理器，以識別道路、標(biāo)示和行人，從而做出加速、轉(zhuǎn)向、制動等決策。

目前，用于感測周圍環(huán)境的主流傳感器有以下三種：攝像頭視覺傳感器、普通毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)。攝像頭視覺傳感器可以輕松的實現(xiàn)高分辨率的圖像，但是容易受到環(huán)境因素(如光線強度)和外部因素的影響，而且要實現(xiàn)對圖像中物體的識別還須依賴強大的算法。普通毫米波雷達(dá)具備較強的穿透霧、煙、灰塵的能力，具有全天候全天時的特點，但是其由于波長原因，探測距離非常有限，也無法準(zhǔn)確感知行人，且由于衍射效應(yīng)無法感知較小的障礙物。相對于攝像頭視覺傳感器和普通毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)以紅外波段的激光為光源，通過掃描并探測從一個物體上反射回來的激光來確定物體的距離(光的飛行時間法)，形成精度高達(dá)厘米級的3d環(huán)境地圖，可以對周邊所有障礙物進(jìn)行精準(zhǔn)的建模，因此它在無人駕駛系統(tǒng)中起重要作用。

激光雷達(dá)發(fā)展形成了多種技術(shù)路線，包含非掃描式和掃描式。flash3d激光雷達(dá)是一種固定視場角的非掃描式激光雷達(dá)技術(shù)，采用陣列光源和面陣探測器實現(xiàn)視場范圍內(nèi)物體的3d成像，具有較高的分辨率。但由于面陣光源耗能高，且采用flash方式的探測距離較近，其采用的算法導(dǎo)致實時性較差，因而flash3d激光雷達(dá)在應(yīng)用中受到一定限制。

掃描式激光雷達(dá)依據(jù)激光掃描技術(shù)可以分為傳統(tǒng)機械旋轉(zhuǎn)掃描、全固態(tài)掃描(如光學(xué)相控陣)和基于mems(微機電系統(tǒng))的混合固態(tài)掃描。傳統(tǒng)機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)可以實現(xiàn)水平方向上360°的視場角和較高的水平角分辨率，發(fā)射光與接收光的同軸(或近似同軸)設(shè)計增強了系統(tǒng)的抗干擾性，但是目前機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)尺寸較大，機械式轉(zhuǎn)動部件的抗振性能較差，激光收發(fā)模組陣列成本高，垂直視場角和角分辨率較差。光學(xué)相控陣激光雷達(dá)是一種全固態(tài)的激光雷達(dá)技術(shù)，可以調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度，實現(xiàn)mhz量級的掃描頻率、0.001°量級的角分辨率、90～120°的掃描范圍、靈活可控的掃描方向和可靠的抗振特性。但是光學(xué)相控陣?yán)走_(dá)核心器件的納米級尺寸使加工技術(shù)難度大成本高，同時也限制了激光的發(fā)射功率和光效，而且大視場角的接收光學(xué)系統(tǒng)降低了回波信號的信噪比，系統(tǒng)的抗干擾性較差。

基于mems微掃描鏡的混合固態(tài)掃描技術(shù)，在激光雷達(dá)的應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注。mems技術(shù)使高可靠性力學(xué)掃描式激光雷達(dá)的小型化、低成本化和低功耗化成為可能，但是現(xiàn)有技術(shù)所公開的雙軸(二維)mems微掃描鏡實現(xiàn)面掃描具有掃描視場較小和刷新率較低的缺點，例如專利cn204903760u提出一種基于二維mems微掃描鏡掃描并通過錐形光纖束接收反射光實現(xiàn)3d圖像的激光雷達(dá)；專利cn205120965u提出一種基于電熱驅(qū)動的二維mems微掃描鏡的激光雷達(dá)；專利cn106415309a提出一種基于mems微掃描鏡的芯片級掃描激光雷達(dá)，通過兩組完全同步扭轉(zhuǎn)的二維mems微掃描鏡實現(xiàn)激光的發(fā)射和接收，實現(xiàn)激光雷達(dá)的微型芯片化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有基于雙軸mems微掃描鏡的激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、掃描視場較小、刷新率較低的缺點，本發(fā)明提供了一種基于mems微掃描鏡的三維激光雷達(dá)及測距方法，利用單軸mems微掃描鏡和具有一維放大功能的光學(xué)元件實現(xiàn)二維面掃描，利用線狀探測單元組成的光電探測器實現(xiàn)激光回波探測，結(jié)構(gòu)簡單、掃描視場大、刷新率高。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：

基于mems微掃描鏡的三維激光雷達(dá)，包括激光發(fā)射裝置、激光掃描裝置、激光接收裝置、驅(qū)動電路以及信號處理電路；所述激光掃描裝置設(shè)置在激光發(fā)射裝置的輸出光路上，激光接收裝置和激光發(fā)射裝置位于待測目標(biāo)物的同一側(cè)；激光接收裝置的視場角大于激光掃描裝置的掃描范圍且中心區(qū)域重合；其特殊之處在于：

所述激光發(fā)射裝置包括沿同一光路依次設(shè)置的脈沖激光器和具有一維放大功能的光學(xué)元件；脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光經(jīng)所述光學(xué)元件放大后形成沿x軸方向發(fā)散的線光斑；

所述激光掃描裝置包括單軸mems微掃描鏡和用于實時輸出單軸mems微掃描鏡掃描角度的反饋電路；

單軸mems微掃描鏡位于光學(xué)元件的出射光路上且靠近所述光學(xué)元件設(shè)置；所述光學(xué)元件出射的線光斑應(yīng)完全處于單軸mems微掃描鏡的反射鏡面范圍內(nèi)；

單軸mems微掃描鏡的扭轉(zhuǎn)軸與所述線光斑重合；當(dāng)單軸mems微掃描鏡靜止時，所述線光斑經(jīng)單軸mems微掃描鏡反射后形成長度方向沿x軸方向的長條形光斑；在單軸mems微掃描鏡扭轉(zhuǎn)過程中，所述線光斑經(jīng)單軸mems微掃描鏡反射后形成一系列沿y軸方向平行排列的長條形光斑；

所述激光接收裝置用于接收探測待測目標(biāo)物反射的回波信號；

所述驅(qū)動電路用于驅(qū)動單軸mems微掃描鏡扭轉(zhuǎn)、驅(qū)動脈沖激光器按照預(yù)設(shè)頻率發(fā)射脈沖激光以及驅(qū)動信號處理電路采集和處理所述激光接收裝置的探測信號；

信號處理電路用于獲取目標(biāo)物的距離并構(gòu)建三維位置信息。

基于上述基本技術(shù)方案，本發(fā)明還做出以下優(yōu)化和限定：

上述激光接收裝置包括光電探測器；所述光電探測器由多個相互平行緊密排列的線狀探測單元構(gòu)成，所有線狀探測單元與所述長條形光斑垂直。

上述線狀探測單元的寬度尺寸決定x方向的探測分辨率，所反饋的單軸mems微掃描鏡掃描角度的步長決定y方向的探測分辨率。

上述光學(xué)元件為自聚焦透鏡、柱面鏡或波浪鏡。

上述激光接收裝置包括廣角鏡頭、單波長濾光片及光電探測器；待測目標(biāo)物反射的回波信號依次經(jīng)廣角鏡頭和單波長濾光片成像在光電探測器的探測面上。

上述激光發(fā)射裝置還包括設(shè)置在脈沖激光器和光學(xué)元件之間的準(zhǔn)直透鏡。

上述激光發(fā)射裝置和光電探測器盡可能靠近且相對位置固定，激光掃描裝置和激光接收裝置所對應(yīng)的視場中心區(qū)域盡可能重合。

本發(fā)明還提供了一種利用上述基于mems微掃描鏡的三維激光雷達(dá)進(jìn)行測距的方法，包括以下步驟：

1)使單軸mems微掃描鏡在一定頻率下扭轉(zhuǎn)掃描；

2)根據(jù)單軸mems微掃描鏡的實時掃描角度驅(qū)動脈沖激光器產(chǎn)生激光脈沖，或者脈沖激光器產(chǎn)生激光脈沖的同時查詢并記錄單軸mems微掃描鏡反饋的掃描角度值；

3)在單軸mems微掃描鏡扭轉(zhuǎn)運動過程中，脈沖激光器產(chǎn)生的脈沖激光依次經(jīng)具有一維放大功能的光學(xué)元件和單軸mems微掃描鏡反射后形成一系列長條形光斑并投射到待測目標(biāo)物上；

4)光電探測器的各線狀探測單元分別探測待測目標(biāo)物反射的回波信號，并將所述回波信號送入信號處理電路；

5)信號處理電路對所接收到的信號進(jìn)行處理得到所述一系列長條形光斑對應(yīng)的掃描視場內(nèi)各目標(biāo)物的實際距離信息；

6)將步驟5)所得到的距離信息分別與其所對應(yīng)的單軸mems微掃描鏡的掃描角度相匹配可獲得掃描視場范圍內(nèi)所掃描過的待測目標(biāo)物的三維位置信息。

與現(xiàn)有三維激光雷達(dá)的相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、相對于現(xiàn)有通過雙軸mems微掃描鏡實現(xiàn)二維面掃描的技術(shù)，本發(fā)明通過單軸mems微掃描鏡與具有一維放大功能的光學(xué)元件的結(jié)合使用即可實現(xiàn)二維面掃描；由于單軸mems微掃描鏡只有一個扭轉(zhuǎn)軸，掃描過程中僅需反饋一個掃描角度，因此所需驅(qū)動電路和反饋電路結(jié)構(gòu)較簡單；相對于雙軸mems微掃描鏡，單軸mems微掃描鏡容易實現(xiàn)較大的掃描角度，同時對mems微掃描鏡的加工工藝要求較低。

2、現(xiàn)有雙軸mems微掃描鏡的刷新頻率為其兩個扭轉(zhuǎn)軸工作頻率的最大公約數(shù)，而采用單軸mems微掃描鏡時最大刷新率等于其唯一扭轉(zhuǎn)軸工作頻率的2倍，因此本發(fā)明能夠提供相對較高的刷新頻率。

3、本發(fā)明可通過設(shè)置線狀探測單元的寬度尺寸和單軸mems微掃描鏡的反饋角度步長以滿足實際使用所需的探測分辨率。

4、與現(xiàn)有flash面掃描的三維激光雷達(dá)相比，本發(fā)明提供激光面掃描技術(shù)可以集中利用系統(tǒng)激光光源能量針對各小區(qū)域逐步掃描從而實現(xiàn)較遠(yuǎn)的探測距離。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和原理示意圖；

圖2是本發(fā)明光電探測器的激光回波檢測示意圖；

圖3光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中標(biāo)號：1-脈沖激光器；2-光學(xué)元件；3-單軸mems微掃描鏡；4-激光接收裝置；41-廣角鏡頭；42-單波長濾光片；43-光電探測器；431-線狀探測單元。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，需要說明的是本實施例以本技術(shù)方案為前提，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于本實施例。

參見圖1，本發(fā)明所提供的基于mems微掃描鏡的三維激光雷達(dá)包括激光發(fā)射裝置、激光掃描裝置、激光接收裝置4、驅(qū)動電路以及信號處理電路。

激光掃描裝置設(shè)置在激光發(fā)射裝置的輸出光路上，激光接收裝置4和激光發(fā)射裝置位于待測目標(biāo)物的同一側(cè)；激光發(fā)射裝置和光電探測器盡可能靠近且相對位置固定；激光接收裝置4的視場角應(yīng)大于激光掃描裝置的掃描范圍；為了充分利用掃描范圍和光電探測器43的有效探測面，激光掃描裝置和激光接收裝置4所對應(yīng)的視場中心區(qū)域應(yīng)盡可能重合。

激光發(fā)射裝置包括沿同一光路依次設(shè)置的大功率脈沖激光器1、準(zhǔn)直透鏡(圖中未示出)和具有一維放大功能的光學(xué)元件2(例如自聚焦透鏡，柱面鏡，波浪鏡等)。脈沖激光器1發(fā)射的脈沖激光首先通過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，然后經(jīng)具有一維放大功能的光學(xué)元件2擴展成一條沿x軸方向發(fā)散的具有特定發(fā)散角度的線光斑。設(shè)置準(zhǔn)直透鏡的目的是使脈沖激光器1發(fā)出的脈沖激光有良好的準(zhǔn)直特性，使入射到光學(xué)元件2后出射線光斑的線條寬度較小，最大限度的集中激光的能量并促進(jìn)提高分辨率。

激光掃描裝置包括單軸mems微掃描鏡3和反饋電路；反饋電路用于在單軸mems微掃描鏡3扭轉(zhuǎn)掃描的過程中實時反饋其掃描角度，可采用現(xiàn)有單元。沿光學(xué)元件2的入射光路方向，單軸mems微掃描鏡3設(shè)置在所述光學(xué)元件2之后并與其靠近，并且應(yīng)保證光學(xué)元件2出射的線光斑完全處于單軸mems微掃描鏡3的反射鏡范圍內(nèi)，同時應(yīng)保證單軸mems微掃描鏡3的扭轉(zhuǎn)軸與所述線光斑重合。

當(dāng)單軸mems微掃描鏡3靜止時，光學(xué)元件2出射的線光斑經(jīng)單軸mems微掃描鏡3反射后會在遠(yuǎn)處形成一條具有一定寬度的長度方向沿x軸方向的長條形光斑。

當(dāng)單軸mems微掃描鏡在被施加一定頻率的驅(qū)動信號時其反射鏡面發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在扭轉(zhuǎn)過程中的每一個時刻，光學(xué)元件2出射的線光斑經(jīng)單軸mems微掃描鏡都會形成一條長條形光斑；由于每一時刻單軸mems微掃描鏡的反射鏡的位置不同，所以每一時刻對應(yīng)的長條形光斑的位置也不同；長條形光斑的位置隨著單軸mems微掃描鏡的扭轉(zhuǎn)沿y軸步進(jìn)；因此，在單軸mems微掃描鏡扭轉(zhuǎn)掃描的過程中，光學(xué)元件2出射的線光斑被扭轉(zhuǎn)的反射鏡面反射并在y軸方向步進(jìn)掃描形成一系列相互平行的沿y軸方向排列的長條形光斑(相當(dāng)于每一時刻對應(yīng)長條形光斑的組合)，從而實現(xiàn)二維面掃描，如圖1所示。長條形光斑在x軸方向的發(fā)散角度由所述光學(xué)元件2的規(guī)格參數(shù)決定，在y軸方向的掃描角度由單軸mems微掃描鏡的掃描角度決定。若單軸mems掃描鏡的扭轉(zhuǎn)角度為±y°，那么單軸mems微掃描鏡3的反射鏡面所反射的線光斑將在y軸方向的±(2y)°的范圍內(nèi)掃描成二維激光光斑。在激光接收裝置4的視場角大于激光掃描范圍的前提下，經(jīng)單軸mems微掃描鏡反射形成的長條形光斑x軸方向的發(fā)散角度與y軸方向的掃描角度決定了激光雷達(dá)的視場角。

激光接收裝置4包括廣角鏡頭41、單波長濾光片42及光電探測器43，待測目標(biāo)物反射的回波信號依次經(jīng)廣角鏡頭41和單波長濾光片42成像在光電探測器43的探測面上；光電探測器43采用用于接收激光的雪崩光電二極管(apd)面陣光電探測器43。廣角鏡頭的適用波長，濾光片的適用波長和光電探測器的適用波長需要與激光光源相匹配。

如圖3所示，本發(fā)明的光電探測器43主要由多個線狀探測單元431構(gòu)成，多個線狀探測單元431相互緊密地平行排列，且所有線狀探測單元431與單軸mems微掃描鏡3靜止時所呈現(xiàn)的長條形光斑垂直，以保證所得到的待測目標(biāo)物的三維位置信息不錯位/變形。從圖2中來看是與x軸垂直，與y軸方向平行；線狀探測單元431的寬度尺寸和相互間距越小，所能達(dá)到的x方向的探測分辨率越高；反之，線狀探測單元431的寬度尺寸和相互間距越大，所能達(dá)到的x方向的探測分辨率越低；線狀探測單元431采用可接收激光的雪崩光電二極管(apd)。線狀探測單元組成的探測器陣列與單軸mems微掃描鏡的掃描方式共同決定激光雷達(dá)的面分辨率。

驅(qū)動電路用于驅(qū)動脈沖激光器1按照預(yù)設(shè)頻率發(fā)射脈沖激光、驅(qū)動單軸mems微掃描鏡扭轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)激光掃描以及驅(qū)動信號處理電路采集和處理待測目標(biāo)物所返回的回波信號，驅(qū)動電路可采用現(xiàn)有單元。

信號處理電路通過計算光電探測器43每個線狀探測單元所探測到的脈沖激光器1所發(fā)射的脈沖激光和待測目標(biāo)物返回的回波信號之間的時間差或者相位差來計算待測目標(biāo)物的距離信息；將所得到的距離信息分別與相應(yīng)的單軸mems微掃描鏡3的實時掃描角度相匹配，最終可得出待測目標(biāo)物的三維位置信息。

本發(fā)明的工作原理和過程：

在激光掃描的過程中，脈沖激光器1和單軸mems微掃描鏡3被關(guān)聯(lián)控制。單軸mems微掃描鏡在掃描過程中輸出實時掃描角度，驅(qū)動電路根據(jù)實時掃描角度決定開啟或者關(guān)閉脈沖激光器1(或者激光器1自主產(chǎn)生系列激光脈沖的同時查詢并記錄單軸mems微掃描鏡3反饋的掃描角度值)，從而得到一系列沿y軸方向相互平行的、獨立的長條形光斑。整個掃描范圍內(nèi)的平面被分割成一系列長條形的小區(qū)域逐區(qū)掃描。由于光電探測器43的所有線狀探測單元431與長條形光斑垂直，每個長條形光斑經(jīng)目標(biāo)物反射的回波信號被相應(yīng)的多個線狀探測單元431分別獨立接收并通過信號處理電路處理，進(jìn)而得到被每個長條形光斑所照射區(qū)域的實際距離信息。

在單軸mems微掃描鏡3掃描的半周期時間內(nèi)，將每一次脈沖激光照射所得到的距離信息與其對應(yīng)的掃描角度相匹配就可以得到掃描視場范圍內(nèi)各目標(biāo)物的距離信息，即三維位置信息。三維位置信息的最大刷新率為單軸mems微掃描鏡3工作頻率的兩倍，三維位置信息在x軸方向的分辨率由線狀探測單元431的寬度及其相互間距決定，在y軸方向所能達(dá)到的分辨率由所反饋的單軸mems微掃描鏡3掃描角度的步長決定。

上述將每一次脈沖激光照射所得到的距離信息與其對應(yīng)的掃描角度相匹配的方法具體為：

單軸mems微掃描鏡扭轉(zhuǎn)到一定角度時反饋電路輸出一個信號給脈沖激光器，脈沖激光器收到反饋電路的信號后會輸出一個脈沖，同時光電探測器得到這一時刻長條形光斑所照射區(qū)域的距離信息。任何一個瞬間(時刻)，長條形光斑所照射區(qū)域的距離信息會與反饋電路提供的掃描角度信息相對應(yīng)并記錄?；蛘呒す馄髯灾鳟a(chǎn)生系列激光脈沖的同時查詢并記錄各激光脈沖對應(yīng)的單軸mems微掃描鏡反饋的掃描角度值，然后與相應(yīng)的距離信息匹配。