[发明专利]基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达及测距方法

说明书

针对现有基于双轴MEMS微扫描镜的激光雷达的结构较复杂、扫描视场较小、刷新率较低的缺点，本发明提供了一种基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达及测距方法，利用单轴MEMS微扫描镜和具有一维放大功能的光学元件配合使用实现二维面扫描，利用线状探测单元组成的光电探测器实现激光回波探测，结构简单、扫描视场大、刷新率高。

技术领域

本发明属于激光雷达领域，涉及一种基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达及测距方法。

背景技术

无人驾驶技术要求汽车能对现实中复杂的交通状况了如指掌，可以像人的眼睛和大脑一样灵活应变。实现自动驾驶能力的关键在于需要各种各样的传感器协作，将监测到的数据传给高精密的处理器，以识别道路、标示和行人，从而做出加速、转向、制动等决策。

目前，用于感测周围环境的主流传感器有以下三种：摄像头视觉传感器、普通毫米波雷达和激光雷达。摄像头视觉传感器可以轻松的实现高分辨率的图像，但是容易受到环境因素(如光线强度)和外部因素的影响，而且要实现对图像中物体的识别还须依赖强大的算法。普通毫米波雷达具备较强的穿透雾、烟、灰尘的能力，具有全天候全天时的特点，但是其由于波长原因，探测距离非常有限，也无法准确感知行人，且由于衍射效应无法感知较小的障碍物。相对于摄像头视觉传感器和普通毫米波雷达，激光雷达以红外波段的激光为光源，通过扫描并探测从一个物体上反射回来的激光来确定物体的距离(光的飞行时间法)，形成精度高达厘米级的3D环境地图，可以对周边所有障碍物进行精准的建模，因此它在无人驾驶系统中起重要作用。

激光雷达发展形成了多种技术路线，包含非扫描式和扫描式。Flash 3D激光雷达是一种固定视场角的非扫描式激光雷达技术，采用阵列光源和面阵探测器实现视场范围内物体的3D成像，具有较高的分辨率。但由于面阵光源耗能高，且采用Flash方式的探测距离较近，其采用的算法导致实时性较差，因而Flash 3D激光雷达在应用中受到一定限制。

扫描式激光雷达依据激光扫描技术可以分为传统机械旋转扫描、全固态扫描(如光学相控阵)和基于MEMS(微机电系统)的混合固态扫描。传统机械旋转式激光雷达可以实现水平方向上360°的视场角和较高的水平角分辨率，发射光与接收光的同轴(或近似同轴)设计增强了系统的抗干扰性，但是目前机械旋转式激光雷达尺寸较大，机械式转动部件的抗振性能较差，激光收发模组阵列成本高，垂直视场角和角分辨率较差。光学相控阵激光雷达是一种全固态的激光雷达技术，可以调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的出射角度，实现MHz量级的扫描频率、0.001°量级的角分辨率、90～120°的扫描范围、灵活可控的扫描方向和可靠的抗振特性。但是光学相控阵雷达核心器件的纳米级尺寸使加工技术难度大成本高，同时也限制了激光的发射功率和光效，而且大视场角的接收光学系统降低了回波信号的信噪比，系统的抗干扰性较差。

基于MEMS微扫描镜的混合固态扫描技术，在激光雷达的应用中受到广泛关注。MEMS技术使高可靠性力学扫描式激光雷达的小型化、低成本化和低功耗化成为可能，但是现有技术所公开的双轴(二维)MEMS微扫描镜实现面扫描具有扫描视场较小和刷新率较低的缺点，例如专利CN204903760U提出一种基于二维MEMS微扫描镜扫描并通过锥形光纤束接收反射光实现3D图像的激光雷达；专利CN205120965U提出一种基于电热驱动的二维MEMS微扫描镜的激光雷达；专利CN106415309A提出一种基于MEMS微扫描镜的芯片级扫描激光雷达，通过两组完全同步扭转的二维MEMS微扫描镜实现激光的发射和接收，实现激光雷达的微型芯片化。

发明内容

针对现有基于双轴MEMS微扫描镜的激光雷达的结构较复杂、扫描视场较小、刷新率较低的缺点，本发明提供了一种基于MEMS微扫描镜的三维激光雷达及测距方法，利用单轴MEMS微扫描镜和具有一维放大功能的光学元件实现二维面扫描，利用线状探测单元组成的光电探测器实现激光回波探测，结构简单、扫描视场大、刷新率高。

本发明的技术解决方案：