CN108761482A - 一种基于mems振镜的微型激光三维成像雷达及成像方法 - Google Patents

一种基于mems振镜的微型激光三维成像雷达及成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达及成像方法，包括二维MEMS振镜、激光器、激光探测器、驱动控制***以及成像显示***；激光器发射的激光脉冲经二维MEMS振镜反射后折射在目标区域某一扫描点处；实时提取MEMS振镜的角度，并获取处于该角度的MEMS振镜折射的光线照射到目标区域扫描点的坐标；通过获取多个激光脉冲在目标区域对应扫描点的坐标将目标区域划分为系列点阵；激光探测器接收激光脉冲经目标漫反射后的光线测得目标距离信息；驱动控制***用于驱动控制二维MEMS振镜、激光器、激光探测器同步工作，并将它们的反馈信息发送给成像显示***；成像显示***根据点阵和目标距离信息生成目标区域的三维图像；具有扫描视场角度大、扫描频率高、结构简单的特点。

Description

一种基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达及成像方法
技术领域
本发明属于光电仪器技术领域，具体涉及一种基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)振镜的微型激光三维成像雷达及成像方法。
背景技术
激光雷达(LIDAR：Light Detecion and Ranging)的概念起源于微波雷达，是以激光测距技术为基础；通常采用单元探测器，利用二维逐点扫描方式测量并获取视场内各点的距离信息，通过合成处理，反演得到目标的三维图像。由于其突出的三维构形能力，激光雷达技术被广泛应用在测量测绘、工业生产、军事侦查、航天航空、导航制导等诸多领域。
利用单点测距的激光雷达在目标区域进行二维扫描而获取目标的三维信息称为激光扫描三维成像雷达，是目前技术最成熟、应用最广泛的一种激光成像雷达。其核心器件是扫描器件，它的性能直接影响***主要技术指标。目前应用于激光扫描三维成像雷达的扫描器件主要有：多面棱镜扫描器、双振镜扫描器、光学相控阵扫描器等。多面棱镜扫描器的扫描速度和扫描角度不能同时得到性能提升，且***不易小型化；双振镜扫描器***结构复杂，且不适用于要求精度高、平台有振动和抖动的应用场景；光学相控阵扫描器技术门槛高、工艺难度大、制作成本高。
譬如申请号为201710271438.7的中国专利所公开的三维扫描全波形激光雷达***，包括激光光源单元、激光脉冲发射与接收单元、扫描单元、测距单元、波形采集单元和软件单元，在***控制单元的控制下，以及各单元之间的协同下，实现三维扫描点云实时成像以及每一束发射激光脉冲和目标散射激光脉冲的全波形采集与存储，突破了常规激光雷达只能获取点云数据的限制，可同时获取点云数据和发射激光脉冲与接收激光脉冲的波形，有效增强了激光雷达的探测能力，同时实现激光雷达的三维扫描实时成像，有效提高激光雷达的工作效率；然而，由于该三维扫描全波形激光雷达***用到的扫描机构由垂直扫描电机、椭圆反射镜、水平扫描电机组成，其扫描机构结构和控制***复杂，***不易小型化、且不适用于要求精度高、平台有振动和抖动的应用场景。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达及成像方法，其目的在于利用二维MEMS振镜控制光束进行扫描，实现激光三维成像；解决现有的激光三维成像雷达扫描视场角小、频率低、体积大的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达，包括二维MEMS振镜、激光器、激光探测器、驱动控制***以及成像显示***；
其中，激光器用于发射激光脉冲，激光脉冲经二维MEMS振镜反射后折射在目标区域某一扫描点处；通过成像显示***实时提取二维MEMS振镜的二维角度，并获取处于该角度的二维MEMS振镜所折射的光线照射到目标区域扫描点的坐标；通过获取多个激光脉冲在目标区域对应的扫描点坐标，将目标区域划分为一系列的点阵；
激光脉冲经目标漫反射后，由激光探测器接收并通过激光飞行时间法测得目标距离信息；
驱动控制***用于驱动控制二维MEMS振镜、激光器、激光探测器同步工作，并将它们的反馈信息发送给成像显示***；
成像显示***用于根据实时提取的MEMS振镜的角度信息、激光探测器反馈的目标距离信息，经匹配、精简、去噪处理和坐标变换处理后生成目标区域的三维图像，并在显示屏上进行显示。
优选的，上述基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达，其二维MEMS振镜体积小至7mm×7mm×1mm，振镜镜面尺寸可小至1mm×1mm，极易实现激光三维成像雷达的小型化。
为实现本发明目的，基于上述基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达，提供了一种三维成像方法，具体包括如下步骤：
(1)通过二维MEMS振镜将激光器发射的激光脉冲反射后折射到目标区域某一扫描点处；
(2)实时提取二维MEMS振镜的角度信息并换算为在XOY坐标平面上的坐标(i，j)；
(3)通过激光探测器根据目标区域漫反射的激光获得目标区域任一点到激光发射原点的目标距离，将所述目标距离结合二维MEMS振镜的角度信息换算为二维MEMS振镜在XOY坐标平面OZ轴上的投影高度Hij；
(4)通过成像显示***根据多束激光脉冲扫描到目标区域获得的多个角度信息在XOY坐标平面上对应的坐标，以及在XOY坐标平面OZ轴上的投影高度，获得系列(i，j，Hij)值，经匹配、精简、去噪处理和坐标变换生成目标区域的三维图像。
上述三维成像方法中，优选通过激光飞行时间法测得被测对象上任一点到激光发射原点的目标距离。
为实现本发明目的，基于上述基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达，提供了一种三维成像方法，具体包括如下步骤：
(1)通过二维MEMS振镜控制激光脉冲光束在目标区域进行X轴、Y轴方向扫描，得到每个扫描方向上的距离信息；
(2)以位于激光发射点正前方的坐标原点为被测对象的最低点，对单次扫描来说，根据扫描激光脉冲光束与X、Y轴的夹角获取目标区域任一点P在XOY平面上的坐标(XP，YP)；
(3)根据扫描激光脉冲光束与XOY平面Z轴的夹角获取目标区域任一点P到激光发射原点的距离实测值DistP并换算成P点在Z轴方向的投影高度ZP；
(4)多次扫描得到一系列的(XP，YP，ZP)三维坐标值，根据系列的(XP，YP，ZP)三维坐标值建立目标区域三维图像。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达及成像方法，利用二维MEMS振镜在两个垂直方向上的简谐振动合成为李萨如图形来成像，由于二维MEMS振镜做简谐振动，其振动幅度大，扫描角度可高达30°、振动频率可高达几十KHz，因此该三维成像雷达具有扫描视场角度大、扫描频率高；
(2)本发明提供的基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达及成像方法，由于利用二维MEMS振镜在两个垂直方向上的简谐振动使入射光线在目标区域进行扫描，因此无机械转动部位，使得扫描机构结构和控制***简单，且具隔震性能，适用于平台有振动和抖动的应用场景；
(3)本发明提供的基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达及成像方法，工作时MEMS振镜做简谐振动，维持简谐振动所需的能量相对于其他扫描机构至少低一个数量级，因此该微型激光三维成像雷达的功耗大幅度降低；
(4)本发明提供的基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达，二维MEMS振镜体积小、集成度高、成本低，因此激光三维成像雷达整体可实现小型化和低成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达的总体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达的激光扫描三维图像处理原理示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-二维MEMS振镜、2-激光器、3-激光探测器、4-驱动控制***、5-成像显示***、6-激光雷达、7-扫描范围、8-最大测距、9-被测物体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1，是本发明提供的基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达的一个实施例的结构示意图，该微型激光三维成像雷达包括二维MEMS振镜1、激光器2、激光探测器3、驱动控制***4以及成像显示***5；
工作时，激光器1发射的扫描激光脉冲经过二维MEMS振镜2后照射在目标区域某一扫描点处；实时提取二维MEMS振镜2的角度信息换算为其在参照图2所示意的XOY平面上的坐标(i，j)；由此，通过多束扫描激光脉冲将目标区域划分为(i，j)的点阵。扫描激光脉冲经目标漫反射后由激光探测器3接收，激光探测器3通过激光飞行时间法测得被测对象上任一点P到激光发射原点的距离Distp，结合实时提取的二维MEMS振镜2的角度信息换算为二维MEMS振镜2在OZ轴上的投影高度Hij。
驱动控制***4用于驱动控制二维MEMS振镜1、激光器2、激光探测器3同步工作，并将它们的反馈信息发送到成像显示***5；成像显示***5根据实时提取的二维MEMS振镜2的角度信息、激光探测器测得的距离信息和一系列的(i，j，Hij)值，经匹配、精简、去噪处理和坐标变换等常规的三维图像处理生成目标区域的三维图像并在成像显示***5的显示屏上显示。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达，现结合图1和图2以及具体实例详述如下：
在图2所示意的XYZ坐标系中，Y轴方向为垂直纸面向外，基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达通过内部二维MEMS振镜控制光束在目标区域进行X轴、Y轴方向扫描，并得出每个扫描方向上的距离信息。以坐标原点为被测对象的最低点，并假设其位于激光发射点的正前方；对单次扫描来说，根据扫描激光与X、Y轴的夹角计算出测对象上任一点P在XOY平面上的坐标(XP，YP)；根据扫描激光与Z轴的夹角和被测对象上任一点P到激光发射原点的距离实测值DistP计算出P点在Z轴方向的投影高度ZP；多次扫描得到一系列的(XP，YP，ZP)三维坐标值，再通过Matlab根据这一系列的三维坐标值建立目标区域三维图像。
在本发明实施例中，二维MEMS振镜1采用西安励德微***科技有限公司的LM2110型二维MEMS振镜，LM2110型振镜由单晶硅加工而成，振镜工作在谐振状态，具有极高的稳定性，其镜面直径为1mm、光学转角最大为32°×22°、工作频率快轴工作频率最大为13kHz；慢轴工作频率最大为1.5kHz；具有可靠性高、体积小、重量轻的特点。
在实施例中，激光器2采用南京来创激光科技有限公司的HJD250/K型氦氖激光器，HJD250/K型氦氖激光器的激光波长为632nm、激光光斑直径为1mm、激光发散角为0.1mrad、出射激光能量为100mW。
在实施例中，激光探测器3采用深圳砝石激光测控有限公司生产的FSC-200快速激光测控传感器，FSC-200传感器的测量范围为0.5m-200m、测量频率高达28kHz、测距重复精度为±1.0cm。驱动控制***4、成像显示***5采用本领域常用的***。
实施例提供的这种基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达，利用二维MEMS振镜在两个垂直方向上的简谐振动合成为李萨如图形，具有扫描角度大、扫描频率高、体积小、功耗小、集成度高、无机械转动部位、成本低的特点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于MEMS振镜的微型激光三维成像雷达，其特征在于，包括激光器、二维MEMS振镜、激光探测器、成像显示***以及驱动控制***；
所述激光器用于发射激光脉冲；激光脉冲经所述二维MEMS振镜在两个垂直方向上的简谐振动后折射在目标区域某一扫描点处；
所述激光探测器用于接收经目标区域漫反射后的激光脉冲来获取目标距离；
所述驱动控制***用于驱动控制二维MEMS振镜、激光器、激光探测器同步工作；
所述成像显示***用于实时提取二维MEMS振镜的二维角度，并根据二维角度与所述目标距离生成目标区域的三维图像。
2.如权利要求1所述的微型激光三维成像雷达，其特征在于，所述二维MEMS振镜体积为7mm×7mm×1mm，二维MEMS振镜镜面尺寸为1mm×1mm。
3.基于权利要求1或2所述的微型激光三维成像雷达的三维成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过二维MEMS振镜将激光器发射的激光脉冲在两个垂直方向上进行简谐振动后折射到目标区域某一扫描点处；
(2)实时提取二维MEMS振镜的角度信息并换算为在XOY坐标平面上的坐标(i，j)；
(3)通过激光探测器根据目标区域漫反射的激光获得目标区域任一点到激光发射原点的目标距离，将所述目标距离结合二维MEMS振镜的角度信息换算为二维MEMS振镜在XOY坐标平面OZ轴上的投影高度Hij；
(4)通过成像显示***根据多束激光脉冲扫描到目标区域获得的多个角度信息在XOY坐标平面上对应的坐标，以及在XOY坐标平面OZ轴上的投影高度，获得系列(i，j，Hij)值，经匹配、精简、去噪处理和坐标变换生成目标区域的三维图像。
4.如权利要求3所述的三维成像方法，其特征在于，通过激光飞行时间法测得被测对象上任一点到激光发射原点的目标距离。
5.基于权利要求1或2所述的微型激光三维成像雷达的三维成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过二维MEMS振镜控制激光脉冲光束在目标区域进行X轴、Y轴方向扫描，得到每个扫描方向上的距离信息；
(2)以位于激光发射点正前方的坐标原点为被测对象的最低点，对单次扫描来说，根据扫描激光脉冲光束与X、Y轴的夹角获取目标区域任一点P在XOY平面上的坐标(XP，YP)；
(3)根据扫描激光脉冲光束与XOY平面Z轴的夹角获取目标区域任一点P到激光发射原点的距离实测值DistP并换算成P点在Z轴方向的投影高度ZP；
(4)多次扫描得到一系列的(XP，YP，ZP)三维坐标值，根据系列的(XP，YP，ZP)三维坐标值建立目标区域三维图像。
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