CN112034435A - 一种微机电激光雷达*** - Google Patents

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CN112034435A CN202010931916.4A CN202010931916A CN112034435A CN 112034435 A CN112034435 A CN 112034435A CN 202010931916 A CN202010931916 A CN 202010931916A CN 112034435 A CN112034435 A CN 112034435A
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王庆飞
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Abstract

本发明提供一种微机电激光雷达***，所述***包括：激光发射器、微机电振镜以及激光接收器，所述激光接收器包括光学接收模块以及由若干个长条状光敏面构成的光电探测器，所述光电探测器为阵列结构，每一行包括一个所述长条状光敏面；本发明提供的微机电激光雷达***，采用微机电振镜的方式替代机械旋转式激光雷达，配合长条状光敏面阵列结构的探测器，能够对探测物进行一维或二维扫描。

Description

一种微机电激光雷达***
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，更具体地，涉及一种微机电激光雷达***。
背景技术
目前，激光雷达已经在军事、安防，测绘等方面有广泛的用途。近年来，随着自动驾驶，无人机和机器人等智能设备的激增，对于激光雷达的需求也越来越迫切，对性能的要求也越来越严格。
目前，激光雷达还没有在汽车领域大规模应用，传统的激光雷达采用的是多线机械旋转式激光雷达，以Velodyne公司为例，其生产的16线激光雷达售价高达7999美元，32线和64线产品售价则成倍增加，这是由于多线机械旋转式激光雷达在物料、装配和调试等方面成本都较高，而且产能也不易提高，造成了多线机械式激光雷达少则几千美金，多则上万美金；并且多线机械旋转式激光雷达的体积较大，通常只能安装在车顶，无法集成在车身内部。
近年来，国内外相关领域的工程技术人员争相开发新式的激光雷达。美国的Advanced scientific concept(ASC)公司针对民用市场发布多款3D flash lidar，该系列的产品无需任何旋转单元，通过发射一束大发散角的光脉冲，就能获取目标物的3维距离信息。其核心技术是采用了128*128像素的点阵式探测器，每个像素点都能够获得一个距离信息，组合起来，就得到了整个探测物的3维信息。但受限于制作难度和制作成本，此种点阵式的探测器很难实现更多的像素点数，和更高的分辨率。
为了获得更大视场，更高分辨率的激光雷达，长春理工大学的母一宁等人提出了“用于激光雷达的复合式扫描***”(CN 104914445A)，采用X轴振镜，Y轴振镜，以及PZT快速倾斜镜两套扫描***完成大角度和高精度的扫描工作，配合大光敏面的APD，实现对整个大视场角的出射光进行回波探测。
但是，近年来，虽然有各式各样新型的激光雷达出现，但其均存在问题。若采用点阵式探测器的激光雷达，则很难提高激光雷达的分辨率，若采用大光敏面探测器的新型激光雷达，则需要克服大暗电流和强环境光干扰等问题。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种微机电激光雷达***。
根据本发明的一个方面，提供一种微机电激光雷达***，其特征在于，所述***包括：
激光发射器、微机电振镜以及激光接收器，所述激光接收器包括光学接收模块以及由若干个长条状光敏面构成的光电探测器，所述光电探测器为阵列结构，每一行包括一个所述长条状光敏面；
其中，所述激光发射器向所述微机电振镜发射激光，所述微机电振镜通过自振将所述激光反射至目标区域，以对所述目标区域内的待探测物体进行激光扫描；
所述光学接收模块接收所述目标区域内待探测物体经所述激光扫描后漫反射回的激光回波信号，并将所述激光回波信号向所述光电探测器汇聚，其中，所述光学接收模块的汇聚视场与所述长条状光敏面的长度相匹配；
所述光电探测器接收所述激光回波信号，将所述激光回波信号转换为激光电信号。
其中，所述***还包括：
控制处理器，所述控制处理器包括控制单元，所述控制单元用于控制所述激光发射器的激光发射、控制所述微机电振镜的自振频率以及接收所述激光接收器发送的激光电信号。
其中，所述控制处理器还包括计时测距单元，所述计时测距单元用于对所述激光电信号进行信号处理，并采集所述微机电振镜发送的振动偏转角度信息，以得到所述目标区域内待探测物体的距离和方位信息。
其中，所述激光发射器包括激光光源和光学整形模块；
其中，所述激光光源用于发射激光；
所述光学整形模块用于对所述激光进行光束整形，以使所述激光的发散角减小。
其中，当所述激光光源为一个、所述微机电振镜为一维微机电振镜时，所述一维微机电振镜对所述目标区域内的待探测物体进行一维激光扫描。
其中，当所述激光光源为一个、所述微机电振镜为一维微机电振镜时，所述光电探测器对应设置为一个长条状光敏面。
其中，当所述激光光源为一个、所述微机电振镜为二维微机电振镜时，所述二维微机电振镜对所述目标区域内的待探测物体进行二维激光扫描。
其中，当所述激光光源为一个、所述微机电振镜为二维微机电振镜时，所述光电探测器对应设置为多个长条状光敏面，其中每个长条状光敏面分别对二维激光扫描的光信号进行探测。
其中，当所述激光光源为多个时，所述微机电振镜设置为一维微机电振镜或二维微机电振镜，以对所述目标区域内的待探测物体进行二维激光扫描。
其中，所述光电探测器中每一个所述长条状光敏面长度相等且相邻两个长条状光敏面之间的行间距相等。
本发明提供的微机电激光雷达***，采用微机电振镜的方式替代机械旋转式激光雷达，配合长条状光敏面阵列结构的探测器，能够对探测物进行一维或二维扫描。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种微机电激光雷达***的结构图；
图2是本发明实施例提供的一种长条状光敏阵列结构的光电探测器示意图；
图3是本发明实施例提供的多个激光光源时的微机电激光雷达***结构图；
图4是本发明实施例提供的另一种长条状光敏阵列结构的光电探测器示意图；
附图标记：1、激光发射器；2、微机电振镜；3、激光接收器；4、目标区域；5、激光光源；6、光学整形模块；7、光学接收模块；8、光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明实施例提供的一种微机电激光雷达***的结构图，如图1所示，所述***包括：
激光发射器1、微机电振镜2以及激光接收器3，所述激光接收器3包括光学接收模块7以及由若干个长条状光敏面构成的光电探测器8，所述光电探测器8为阵列结构，每一行包括一个所述长条状光敏面；
其中，所述激光发射器1向所述微机电振镜2发射激光，所述微机电振镜2通过自振将所述激光反射至目标区域4，以对所述目标区域内4的待探测物体进行激光扫描；
所述光学接收模块7接收所述目标区域4内待探测物体经所述激光扫描后漫反射回的激光回波信号，并将所述激光回波信号向所述光电探测器8汇聚，其中，所述光学接收模块7的汇聚视场与所述长条状光敏面的长度相匹配；
所述光电探测器8接收所述激光回波信号，将所述激光回波信号转换为激光电信号。
可以理解的是，目前自动驾驶，机器人，智能硬件等应用领域对于激光雷达的性能要求越来越好，尺寸要求越来越小，方便嵌入集成到总体***的内部。
针对上述应用领域对激光雷达的要求，本发明实施例提供的微机电激光雷达通过采用微机电振镜的方式替代机械旋转式激光雷达，其中，所述微机电振镜起到偏转光线实现扫描的作用，比传统的电机转镜***，体积更小，功耗更低。
可以理解的是，通过微机电振镜2的自振从而使得激光能够通过不同角度的反射对目标区域4进行扫描，由于自振为固定频率的振动，故而所述微机电振镜2的扫描区域以及扫描频率固定，从而探测到目标区域4内待探测物体的信息，从而实现激光雷达探测。
进一步的，微机电振镜2是在毫米尺度上对材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术，其体积很小，通过微机电振镜能够将机械结构、光学***、驱动部件、电控***集成为一个整体单元，从根本上减小激光雷达的体积，并且减小激光雷达的制造成本。
可以理解的是，本发明实施例提供的激光发射器1和激光接收器3均为光学组件的集合，而不是单纯意义上的单一组件，本发明实施例提供的激光发射器1通过将一些光学器件的有序摆放和光路设置，从而使得发射的激光照射在微机电振镜2上，同样的，本发明实施例提供的激光接收器3通过将一些光学器件的有序摆放和光路设置，使得激光接收器3能够收集到激光回波信号。
图2是本发明实施例提供的一种长条状光敏阵列结构的光电探测器示意图，传统的光电探测器采用的是点阵式结构，而本发明实施例提供的是长条状光敏面构成的陈列结构，可以理解的是，长条状光敏面阵列结构的探测器比传统的点阵式探测器在行方向感光区更大，从而能够实现任意水平角度的探测，达到更密的角分辨率探测。
并且，长条状光敏面阵列结构的探测器与传统的大光敏面圆形或方形探测器相比，若两者的探测范围相同，由于长条状光敏面阵列结构的探测器感光区被分割成一行行的探测单元，因此感光面积更小，其接收到的噪声更少，每个感光单元暗电流也更小，总体性能会更好。
对应于所述微机电振镜的振动方向，采用本发明实施例提供的长条状光敏面阵列结构的光电探测器，能够和微机电振镜的振动方向，以及接收光学***的视场相匹配。
具体的，光敏面的尺寸和行间距，要根据二维微机电振镜的水平和垂直扫描角度，以及出射光斑的尺寸来设置。
如图2所示，本发明实施例提供的光电探测器所构成的阵列结构由多个长条状的光敏面构成，图2中所提供的方案为光敏面的长度和宽度均不相等，因为本发明实施例所提供的光敏面的尺寸是根据实际微机电振镜的扫描过程设定的，不同的扫描范围会对应不同尺寸的光敏面，故而每一行的光敏面的长度和宽度本发明实施例不对此做具体限定。
进一步的，在本发明实施例提供的光电探测器阵列结构中，如图2所示，本发明实施例提供的光电探测器阵列结构的相邻两行之间的距离不相等，根据二维微机电振镜的扫描方式可以进行设置和调整，故而本发明实施例对此不做具体限定。
进一步的，若需要提高激光雷达的扫描线数，对应的则需要封装更多行数的长条状光敏面阵列结构的探测器，再匹配好激光发射器和微机电振镜的振动方式，从而使得在不改变机械结构的前提下，实现多线数的扩展。
所述的光学接收模块7通常为大视场角的光学镜组，使其能对微机电振镜2的整个扫描视场中的发射激光信号都能接收到。
需要说明的是，所述的光学接收模块7所成的像需要与光电探测器8做精确匹配，这里指的是若微机电振镜2以逐行扫描的形式工作，其扫描的行数与光电探测器8中长条状光敏面阵列结构的行数必须相等，即微机电振镜2扫描的行数等于光电探测器8中长条状光敏面的个数。
进一步的，微机电振镜2扫描的水平角度，必须小于等于光学接收模块7的接收视场角，且光电探测器8的光敏面也需要满足该视场角下的尺寸。
在上述实施例的基础上，所述***还包括：
控制处理器，所述控制处理器包括控制单元，所述控制单元用于控制所述激光发射器的激光发射、控制所述微机电振镜的自振频率以及接收所述激光接收器发送的激光电信号。
具体的，所述控制处理器的控制单元和所述激光发射器1之间电连接，所述控制处理器的控制单元发送一个发射激光的控制指令到所述激光发射器1，所述激光发射器1接收到发射激光的指令，从而发射激光至所述微机电振镜2，可以理解的是，所述激光发射器1的激光发射面指向所述微机电振镜2。
所述控制处理器的控制单元还与所述激光接收器3电连接，在所述激光接收器3收到漫反射回的激光回波信号后，将激光回波信号转换为电信号发送至所述控制处理器的控制单元。
具体的，所述控制处理器的控制单元还与所述微机电振镜2电连接，所述控制处理器通过发送微机电振镜2自振频率数值的控制信息来调控所述微机电振镜2的自振频率。
在上述实施例的基础上，所述控制处理器还包括计时测距单元，所述计时测距单元用于对所述激光电信号进行信号处理，并采集所述微机电振镜发送的振动偏转角度信息，以得到所述目标区域内待探测物体的距离和方位信息。
具体的，所述计时测距单元获取激光发射器1激光发射的时刻和激光接收器3激光接收的时刻，通过比对两个时刻的时间差，从而估算待探测物体与本发明实施例提供的激光雷达***的距离。
所述微机电振镜2会实时发送振动偏转角度信息至所述控制处理器，所述振动偏转角度即激光在不同自振时刻所产生的不同时刻的反射角。
所述计时测距单元通过微机电振镜2在此次测距时刻的振动偏转角度，可以计算探测物的方位角度信息。
具体的，如图1所示，若图1中采用的微机电振镜为二维微机电振镜，则所述控制单元控制所述二维微机电振镜进行二维振动，同时所述计时测距单元获取二维微机电振镜激光反射时刻输出的两个方位角，通过上述的两个方位角能够确定探测物的方位角度信息。
进一步的，若采用的微机电振镜为一维微机电振镜，则所述计时测距单元获取的将是一维微机电振镜激光反射时刻输出的一个方位角，进而计算探测物的方位角度信息。
在上述实施例的基础上，所述激光发射器包括激光光源5和光学整形模块6；
其中，所述激光光源5用于发射激光；
所述光学整形模块6用于对所述激光进行光束整形，以使所述激光的发散角减小。
具体的，本发明实施例提供的激光光源5为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器等常见的激光发射光源，所述激光光源5接收来自控制处理器的发射激光指令，然后产生脉冲的测距激光信号。
所述的光学整形模块6能将激光光源发射的测距激光信号进行光束整形，压缩激光的发散角，适当减小光斑尺寸，使其能与微机电振镜2的反射面尺寸相匹配，减少光能量的损失。
可以理解的是，所述激光光源可以设置为一个或者多个，图3是本发明实施例提供的多个激光光源时的微机电激光雷达***结构图，如图3所示，本发明实施例可提供多个激光光源1同时发射激光，再经过光学整形模块后射向微机电振镜。
其中，所述多个激光光源1可平行排列，也可扇形排列，只需要保证多个激光光束能同时射向光学整形模块6即可。
进一步的，所述微机电振镜可以设置为一维微机电振镜或二维微机电振镜，对应的采用不同激光光源需要选择相应维数的微机电振镜，从而实现一维或二维激光扫描。
在上述实施例的基础上，当所述激光光源1为一个、所述微机电振镜2为一维微机电振镜时，所述一维微机电振镜对所述目标区域4内的待探测物体进行一维激光扫描。
当所述激光光源1为一个、所述微机电振镜2为一维微机电振镜时，所述光电探测器8对应设置为一个长条状光敏面。
可以理解的是，当所述激光光源1为1个时，如图1所示，若需要对所述目标区域4内的待探测物体进行一维激光扫描，则对应的微机电振镜2需设置为一维微机电振镜，从而控制处理器控制一维微机电振镜进行一维振动，进而实现对目标区域4内的待探测物体的一维激光扫描。
对应的，采用一个激光光源和一维微机电振镜进行激光扫描后，本发明实施例提供的光电探测器只需设置一个长条状光敏面即可完成探测。
在上述实施例的基础上，当所述激光光源为一个、所述微机电振镜为二维微机电振镜时，所述二维微机电振镜对所述目标区域内的待探测物体进行二维激光扫描。
当所述激光光源为一个、所述微机电振镜为二维微机电振镜时，所述光电探测器对应设置为多个长条状光敏面，其中每个长条状光敏面分别对二维激光扫描的光信号进行探测。
可以理解的是，本发明实施例提供的方案为一个激光光源1，如图1所示时，则必须使用二维的微机电振镜2才能实现对待探测物体的二维扫描功能，若此时采用的一维的微机电振镜2则只能够实现一维扫描功能。
并且，二维微机电振镜扫描的行数与光电探测器8中长条状光敏面阵列结构的行数相等，即微机电振镜2扫描的行数等于光电探测器8中长条状光敏面的个数，因而所述光电探测器对应设置为多个长条状光敏面，对应的个数和二维微机电振镜的扫描行数相等。
在光电探测器8探测过程中，所述二维的微机电振镜2激光扫描的光信号为行分布的光信号，对应的，每一个长条状光敏面分别对一行光信号进行探测，从而完成对整个光信号的探测。
在上述实施例的基础上，当所述激光光源为多个时，所述微机电振镜设置为一维微机电振镜或二维微机电振镜，以对所述目标区域内的待探测物体进行二维激光扫描。
可以理解的是，若本发明实施例提供的方案为多个激光光源1时，使用一维的微机电振镜2能够实现二维扫描功能，采用二维的微机电振镜2也能够实现二维扫描功能。
采用二维的微机电振镜实现二维扫描功能的方式可参见上述实施例，本发明在此不再赘述。
采用多个激光光源1以及一维的微机电振镜，本发明实施例同样能实现二维扫描功能。
具体的，如图3所示，当图3中微机电振镜2为一维微机电振镜时，多个激光光源1扇形排列，优选的，本发明实施例提供了3个激光光源，光学整形模块6对激光光源1发射的激光进行整形，压缩激光的发散角，从而使得整形后的激光能与一维微机电振镜的反射面尺寸相匹配。
所述一维微机电振镜通过一维振动，从而将整形后的激光信号向目标区域4反射，由于采用的是多光源，因而一维微机电振镜反射的将会呈现为一个二维的光斑点阵形式，该点阵的行数等于光源的数量，从而激光接收器3通过接收该二维的光斑点阵，实现对待探测物体的二维扫描。
可以理解的是，对应的，光电探测器8中长条状光敏面的数量也要等于上述点阵的行数，点阵的行间距也等于所述相邻两个长条状光敏面的行间距。
那么，在光电探测器8的探测过程中，每一个长条状光敏面对应一个激光光源，也对应于所述二维光斑点阵的一行，并按照阵列顺序逐行进行探测。
图4是本发明实施例提供的另一种长条状光敏阵列结构的光电探测器示意图，如图4所示，在上述实施例的基础上，所述光电探测器中每一个所述长条状光敏面长度相等且相邻两个长条状光敏面之间的行间距相等。
可以理解的是，为了满足制作过程的简易化和模具的简洁化，本发明实施例提供的光电探测器优选的采用每一个所述长条状光敏面长度相等且相邻两个长条状光敏面之间的行间距相等的设计。
进一步的，通过本发明提供的光电探测器采用的等长等距的长条状光敏阵列结构设计方案，能够节省生产成本，提高生产效率。
通过本发明实施例提供的微机电振镜以及与微机电振镜匹配的若干个长条状光敏面构成的光电探测器，实现了任意水平角度的探测，达到更密的角分辨率探测，并且本发明实施例提供的激光雷达感光面积更小，其接收到的噪声更少，每个感光单元暗电流也更小，激光雷达***的总体性能会更好。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微机电激光雷达***，其特征在于，所述***包括：
激光发射器、微机电振镜以及激光接收器，所述激光接收器包括光学接收模块以及由若干个长条状光敏面构成的光电探测器，所述光电探测器为阵列结构，每一行包括至少一个所述长条状光敏面；
其中，所述激光发射器向所述微机电振镜发射激光，所述微机电振镜通过自振将所述激光反射至目标区域，以对所述目标区域内的待探测物体进行激光扫描；
所述光学接收模块接收所述目标区域内待探测物体经所述激光扫描后漫反射回的激光回波信号，并将所述激光回波信号向所述光电探测器汇聚，其中，所述光学接收模块的汇聚视场与所述长条状光敏面的长度相匹配；
所述光电探测器接收所述激光回波信号，将所述激光回波信号转换为激光电信号。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括：
控制处理器，所述控制处理器包括控制单元，所述控制单元用于控制所述激光发射器的激光发射、控制所述微机电振镜的自振频率以及接收所述激光接收器发送的激光电信号。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述控制处理器还包括计时测距单元，所述计时测距单元用于对所述激光电信号进行信号处理，并采集所述微机电振镜发送的振动偏转角度信息，以得到所述目标区域内待探测物体的距离和方位信息。
4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述激光发射器包括激光光源和光学整形模块；
其中，所述激光光源用于发射激光；
所述光学整形模块用于对所述激光进行光束整形，以使所述激光的发散角减小。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，当所述激光光源为一个、所述微机电振镜为一维微机电振镜时，所述一维微机电振镜对所述目标区域内的待探测物体进行一维激光扫描。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，当所述激光光源为一个、所述微机电振镜为一维微机电振镜时，所述光电探测器对应设置为一个长条状光敏面。
7.根据权利要求4所述的***，其特征在于，当所述激光光源为一个、所述微机电振镜为二维微机电振镜时，所述二维微机电振镜对所述目标区域内的待探测物体进行二维激光扫描。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，当所述激光光源为一个、所述微机电振镜为二维微机电振镜时，所述光电探测器对应设置为多个长条状光敏面，其中每个长条状光敏面分别对二维激光扫描的光信号进行探测。
9.根据权利要求4所述的***，其特征在于，当所述激光光源为多个时，所述微机电振镜设置为一维微机电振镜或二维微机电振镜，以对所述目标区域内的待探测物体进行二维激光扫描。
10.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述光电探测器中每一个所述长条状光敏面长度相等且相邻两个长条状光敏面之间的行间距相等。
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