一种微型激光雷达系统的制作方法

本发明属于激光雷达领域，具体涉及一种微型激光雷达系统。

背景技术：

激光雷达技术有着多年的研究历史，最初应用于国防、航空航天等领域。近年来随着激光技术和信息处理技术的发展，激光雷达在地图测绘、机器人空间定位、汽车无人驾驶等方面有着越来越多的应用。

激光雷达技术在具体的技术方案上有相位测量法、脉冲测量法、三角测量法等，其中脉冲测量法由于测量距离远、测量精度高，受到了广泛的关注。脉冲测量法的具体实现方式为：激光器发射激光，经过准直处理后照射在待测物体表面，有一部分激光在物体表面会被反射，并被探测器接收。根据测量发射激光和接收反射激光的时间差来计算待测物体与激光器之间的距离。

为了对待测物体的空间进行定位，除了距离信息外，还需要得到待测物体的方位信息。现有技术一般是采用旋转扫描机构来实现的，旋转扫描机构利用自身的旋转，带动激光雷达系统旋转，由此对待测物体进行旋转扫描，根据扫描时旋转扫描机构的方位信息，得到待测物体所在的方位角。

现有技术的问题在于：

旋转扫描机构要带动整个激光雷达系统进行旋转，由于激光雷达系统包含很多电路和光学器件，体积和重量都比较大，因此旋转扫描机构也需要大的体积和配重，来达到稳定的扫描效果，给激光雷达系统的安装和美观带来了影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。

本发明提供一种微型激光雷达系统，采用微型激光振镜做激光扫描元件，使激光雷达系统本身不需要旋转即可实现对待测物体的旋转扫描。

为实现上述目的，本发明提供一种微型激光雷达系统，包括：

激光器，发射激光；准直透镜，将激光器发射并传输过来的激光进行准直；第一激光振镜；第二激光振镜；接收透镜，将待测物体表面反射回来的发射激光进行接收和汇聚；探测器，将接收到的反射激光进行光电转换；控制处理单元，控制激光器、探测器、第一激光振镜和第二激光振镜的工作状态并进行数据处理。

其中，第一激光振镜对由准直透镜传输过来的准直后的激光的发射方向进行偏转，由此对待测物体进行扫描测量；第二激光振镜对由待测物体表面反射回来的反射激光的传输方向进行偏转，使得由不同方向回来的反射激光能够被接收透镜接收并汇聚到探测器中；控制处理单元根据激光器发射激光和探测器接收到反射激光的时间差来测量待测物体的距离，根据第一激光振镜的工作状态得出待测物体方向角。

激光振镜为一种常用的激光扫描器件，利用激光振镜镜面的旋转来改变照射到镜面的激光的传播方向，通过高速旋转实现激光的高速扫描，日常生活中的应用有激光打标机的扫描探头。激光振镜自身带有角度传感器,在激光雷达系统工作时,激光振镜将镜面角度信息即对激光进行偏转时的工作状态传送到控制处理单元。

根据本发明的一个实例性的实施例，所述第一激光振镜和第二激光振镜的工作周期相同。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一激光振镜和第二激光振镜为一维激光振镜。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述一维激光振镜：第一激光振镜和第二激光振镜的工作方式为阶跃式的。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述一维激光振镜：第一激光振镜和第二激光振镜的工作方式为连续式的。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述连续式工作的一维激光振镜中第二激光振镜的工作状态比第一激光振镜有一个时间延迟。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一激光振镜和第二激光振镜为二维激光振镜。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述二维激光振镜：第一激光振镜和第二激光振镜的工作方式为阶跃式的。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述二维激光振镜：第一激光振镜和第二激光振镜的工作方式为阶跃式和连续式相混合，第一激光振镜和第二激光振镜在第一个扫描方向为阶跃式，在第二个扫描方向为连续式。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述阶跃式和连续式混合的二维激光振镜，在第二个扫描方向即连续式工作方向，第二激光振镜的工作状态比第一激光振镜有一个时间延迟。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述准直透镜为平凸透镜。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述接收透镜为开普勒型望远镜。

本发明与现有技术的区别在于：

本发明利用微型激光振镜对激光传播方向的偏转作用，实现对待测物体的扫描，结构简单，体积小，重量轻。现有的激光雷达一般采用体积庞大的旋转扫描机构，通过旋转扫描机构自身的旋转带动整个激光雷达系统进行扫描，体积大，结构复杂。

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其他目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

附图说明

图1显示本发明的总体示意图。

图2显示本发明中作为一种实例性的实施例的一维激光振镜示意图。

图3显示本发明中作为另一种实例性的实施例的二维激光振镜示意图。

图4显示本发明中的准直透镜结构示意图。

图5显示本发明中的接收透镜结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露的实施例的全面理解。然而明显的，一个或多个实施例在没有具体细节的情况下也可以被实施。在其它情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

根据本发明的一个总体技术构思，提供一种微型激光雷达系统，如图1所示，包括：

激光器102，发射激光；准直透镜103，将激光器102发射并传输过来的激光进行准直；第一激光振镜104；第二激光振镜108；接收透镜109，将待测物体106表面反射回来的反射激光107进行接收和汇聚；探测器110，将反射激107光进行光电转换；控制处理单元101，控制激光器102、探测器110、第一激光振镜104和第二激光振镜108的工作状态并进行数据处理。

其中，第一激光振镜104对由准直透镜103传输过来的准直后的激光的发射方向进行周期性偏转，形成测量激光105发射出去，由此对待测物体106进行扫描测量；第二激光振镜108对由待测物体106表面反射回来的反射激光107的传输方向进行周期性偏转，使得由不同方向回来的反射激光107能够被接收透镜109接收并汇聚到探测器110中；控制处理单元101根据激光器102发射激光和探测器110接收到反射激光107的时间差来测量待测物体106的距离，根据第一激光振镜104的工作状态即对准直透镜103传输过来的激光进行偏转时镜面的偏转角度得出待测物体106方向角。

在本发明的第一实施例中，所述第一激光振镜和第二激光振镜为一维激光振镜。

在本发明的第二实施例中，所述第一激光振镜和第二激光振镜为二维激光振镜。

第一实施例

本发明第一实施例的具体工作方式如下：

本实施例中的第一激光振镜104和第二激光振镜108都为一维激光振镜。目前商用的一维激光振镜的最大偏转角能做到50°以上，重复频率在10KHz以上。最大偏转角也称为偏转范围，是激光振镜周期性偏转时一个偏转周期内镜面的偏转角度范围。为方便表述，作为一种优选方案，本实施例中采用最大偏转角为50°，重复频率为10KHz的一维激光振镜来进行示例说明。本领域的普通技术人员应该知道，具有其它最大偏转角和重复频率的一维激光振镜也可应用于本实施例。

本发明中的一维激光振镜的工作示意图如图2所示。一维激光振镜有两个偏转引脚201和202，当在引脚201和202分别施加大小相等，方向相反的偏置电压时，一维激光振镜的镜面203会发生偏转。改变偏置电压的大小，偏转的角度会发生变化；当施加周期性变化的电压信号时，镜面203的偏转角度会发生周期性变化。

作为一种优选方案，本实施例中的准直透镜103如图4所示，为平凸透镜，将传输过来的发散的激光变换为准直的平行光。

作为一种优选方案，本实施例中的接收透镜109如图5所示，为开普勒型望远镜，将传输过来的平行光汇聚。

在t₀时刻，控制处理单元101控制激光器102发射激光。激光器102发射的激光经过准直透镜103准直后，变成发散角比较小的平行光，此平行光经过传播到达第一激光振镜104。

在t₀时刻，控制处理单元101同时控制第一激光振镜104和第二激光振镜108的工作状态，提供周期性的偏置电压，两个激光振镜的镜面因此发生周期性的偏转。本实施例中，为表述方便，可令偏转导致传输到镜面的激光的周期性变化方向为X方向。

激光器102发射的激光，传播到第一激光振镜104的镜面上时，在镜面发生反射，形成测量激光105向待测物体106发射，在待测物体106的表面，有一部分激光会发生反射，形成反射激光107。

反射激光107传播到达第二激光振镜108的镜面，传播方向发生偏转，偏转后的发射激光被接收透镜109接收，并汇聚到探测器110，探测器110将探测到的信号进行光电转换，并将信息传输到控制处理单元101。控制处理单元101记录此时的时刻为t₁。

激光器102发射的激光为脉冲激光，激光雷达对空间距离的测量精度与脉冲宽度有关，一般来说，脉冲宽度越宽，测量精度越低。同时，由于激光雷达的测量距离与脉冲宽度也有关系，由于脉冲宽度越宽，激光能量越大，则测量距离越大。因此，脉冲宽度要综合考虑。为方便表述，作为一种示例性说明，本实施例中脉冲激光的脉冲宽度为10纳秒。本领域的普通技术人员应该知道，脉冲宽度为10纳秒不应成为本实施例的一种限制。

激光器102是周期性发射脉冲激光的，其周期根据待测物体或者激光雷达的测量距离决定，周期应该大于激光在测量距离内传播一个来回所需要的时间。作为一种示例性的说明，当待测物体106的距离为150米时，自激光器102发射激光，激光到达待测物体106的表面后，反射激光107被探测器接收的时间约为1微秒，则激光器102发射脉冲激光的周期要大于1微妙。作为本实施例的一种优选方案，可选定激光器102发射脉冲激光的周期为2微秒，即每2微秒发射一次脉冲宽度为10纳秒的激光。本领域的普通技术人员应该知道，激光器102的周期为2微秒只是一种示例性说明，不应成为本实施例的一种限制。

本实施例中的示例性说明中，第一激光振镜104和第二激光振镜108的工作频率为10KHz，即每工作一个周期的时间为100微秒。由上可知，在一个周期内，激光器102发射了50次脉冲激光，即本实施例中的微型激光雷达对待测物体测量了50次。由于激光振镜在周期性变化的偏置电压下工作，激光振镜镜面的偏转方向也是周期性变化的，即本实施例中的微型激光雷达在X偏转方向50°的范围内以不同的方向角测量了50次。

本发明中，第一激光振镜104的作用是通过镜面的周期性偏转，使得发射激光105以不同的方向角向待测物体106扫描；第二激光振镜108的作用是通过镜面的周期性偏转，使得不同方向回来的反射激光107，能够被接收透镜109接收。

作为一种优选方案，本实施例中的第一激光振镜104和第二激光振镜108的工作方式为阶跃式的，即激光振镜的偏转角度随着偏置电压阶跃性变化。

作为一种优选方案，本实施例中以阶跃性变化的第一激光振镜104和第二激光振镜108的工作状态相同。作为一种示例性说明，以周期为100秒，偏转范围为50°的激光振镜为例。从t₀时刻开始，每隔2微秒，第一激光振镜104和第二激光振镜108的镜面的偏转角度作一次跳变，例如，从0到2微秒，镜面偏转1°；从2到4微秒，镜面偏转2°；从4到6微秒，镜面偏转3°，如此继续，直到从98到100微秒，镜面偏转50°，第一激光振镜104和第二激光振镜108完成了一个工作周期。

作为另一种优选方案，本实施例中的第一激光振镜104和第二激光振镜108的工作方式为连续式的。激光振镜的偏转角度与偏置电压的大小成正比，当偏置电压线性变化时，激光振镜的偏转角度也线性变化。作为一种示例性说明，以周期为100秒，偏转范围为50°的激光振镜为例，当偏置电压从0伏变化到50伏时，激光振镜的偏转角度从0度变化到50度，则在同一个周期内的不同时刻，通过第一激光振镜104的发射激光105被偏转的角度不同，即发射方向不同。

作为一种优选方案，本实施例中以连续式方式工作的第一激光振镜104和第二激光振镜108的工作状态相同，即在任一时刻具有相同的偏转角度。

作为另一种优选方案，本实施例中以连续式方式工作的第二激光振镜的工作状态比第一激光振镜有一个时间延迟。由于第二激光振镜108要将由第一激光振镜104发射出去的具有不同方向角的发射激光105在待测物体106表面的反射激光107反射到接收透镜109的接收范围内，而发射激光105经过第一激光振镜104和反射激光107到达第二激光振镜108有一个时间差，因此第二激光振镜的工作状态比第一激光振镜有一个时间延迟。时间延迟的具体值可参考待测物体的距离决定。

作为一种示例性说明，以周期为100秒，偏转范围为50°的激光振镜为例。记t₁时刻和t₀时刻的时间差为ΔT₁，根据脉冲探测法的测量原理，本次测量中测得的待测物体106上某点与激光器102的距离L为其中C为激光在空气中的传输速度。这次测量所测得的待测物体106表面上某点的方向角为1°。

在t₀+2微秒时刻，激光器102再次发射脉冲激光，在t₂时刻，反射激光107被探测器接收。记t₂时刻和t₀+2微秒时刻的时间差为ΔT₂，本次测量中测得的待测物体106上某点与激光器102的距离L为这次测量所测得的待测物体106表面上某点的方向角为2°。

继续如此重复性测量，在在t₀+98微秒时刻，激光器102再次发射脉冲激光，在t₅₀时刻，反射激光107被探测器接收。记t₂时刻和t₀+98微秒时刻的时间差为ΔT₅₀，本次测量中测得的待测物体106上某点与激光器102的距离L为这次测量所测得的待测物体106表面上某点的方向角为50°。

至此，本实施例中的微型激光雷达系统完成了一个100微秒的测量周期。

第二实施例

本发明第二实施例的具体工作方式如下：

本实施例中的第一激光振镜104和第二激光振镜108都为二维激光振镜，目前商用的二维激光振镜在两个方向上的偏转角和重复频率都可以做到，在第一个偏转方向：偏转角50°以上，重复频率在10KHz以上，在第二个偏转方向：偏转角10°，重复频率在1KHz以上。记两个方向为X方向和与之垂直的Y方向，为方便表述，作为一种优选方案，本实施例采用在X方向的最大偏转角为10°，重复频率为1KHz；在Y方向的最大偏转角为50°，重复频率为10KHz的二维激光振镜进行示例性说明。本领域的普通技术人员应该知道，具有其它最大偏转角和重复频率的二维激光振镜也可应用于本实施例。

本发明中的二维激光振镜的工作示意图如图3所示。二维激光振镜有两对偏转引脚：301和302,303和304，当在引脚301和302分别施加大小相等，方向相反的偏置电压时，二维激光振镜的镜面305会在X方向发生偏转；当在引脚303和304分别施加大小相等，方向相反的偏置电压时，二维激光振镜的镜面305会在Y方向发生偏转。改变偏置电压的大小，偏转的角度会发生变化；当施加周期性变化的电压信号时，镜面305的偏转角度会发生周期性变化。

作为一种优选方案，本实施例中的准直透镜103如图4所示，为平凸透镜，将传输过来的发散的激光变换为准直的平行光。

作为一种优选方案，本实施例中的接收透镜109如图5所示，为开普勒型望远镜，将传输过来的平行光汇聚。

在t₀时刻，控制处理单元101控制激光器102发射激光。激光器102发射的激光经过准直透镜103准直后，变成发散角比较小的平行光，此平行光经过传播到达第一激光振镜104。

在t₀时刻，控制处理单元101同时控制第一激光振镜104和第二激光振镜108的工作状态，提供周期性的偏置电压，两个激光振镜的镜面因此发生周期性的偏转。

激光器102发射的激光，传播到第一激光振镜104的镜面上时，在镜面发射反射，形成测量激光105向待测物体106发射，在待测物体106的表面，有一部分激光会发生反射，形成反射激光107。

反射激光107传播到达第二激光振镜108的镜面，传播方向发生偏转，偏转后的发射激光被接收透镜109接收，并汇聚到探测器110，探测器110将探测到的信号进行光电转换，并将信息传输到控制处理单元101。控制处理单元101记录此时的时刻为t₁。

激光器102发射的激光为脉冲激光，激光雷达对空间距离的测量精度与脉冲宽度有关，一般来说，脉冲宽度越宽，测量精度越低。同时，由于激光雷达的测量距离与脉冲宽度也有关系，由于脉冲宽度越宽，激光能量越大，则测量距离越大。因此，一般脉冲宽度要综合考虑。作为一种优选方案，令脉冲激光的脉冲宽度为10纳秒。本领域的普通技术人员应该知道，脉冲宽度为10纳秒不应成为本实施例的一种限制。

激光器102是周期性发射脉冲激光的，其周期根据待测物体或者激光雷达的测量距离决定，周期应该大于激光在测量距离内传播一个来回所需要的时间。作为一种示例性的说明，当待测物体106的距离为150米时，自激光器102发射激光，激光到达待测物体106的表面后，反射激光107被探测器接收的时间约为1微秒，则激光器102发射脉冲激光的周期要大于1微妙。作为本实施例的一种优选方案，可选定激光器102发射脉冲激光的周期为2微秒，即每2微秒发射一次脉冲宽度为10纳秒的激光。本领域的普通技术人员应该知道，激光器102的周期为2微秒只是一种示例性说明，不应成为本实施例的一种限制。

本实施例中，作为一种示例性说明，第一激光振镜104和第二激光振镜108在X方向的工作频率为1KHz，即每工作一个周期的时间为都为1毫秒；在Y方向上的工作频率为10KHz，即每工作一个周期的时间为100微秒。由上可知，在X方向上的一个周期即1毫秒内，激光器102发射了500次脉冲激光，即本实施例中的微型激光雷达对待测物体测量了500次；在Y方向上的一个周期即100微秒内，激光器102发射了50次脉冲激光，即本实施例中的微型激光雷达对待测物体测量了50次。

本发明中，第一激光振镜104的作用是通过镜面的周期性偏转，使得发射激光105以不同的方向角向待测物体106扫描；第二激光振镜108的作用是通过镜面的周期性偏转，使得不同方向回来的反射激光107，能够被接收透镜109接收。

作为一种优选方案，本实施例中的第一激光振镜104和第二激光振镜108的工作方式为阶跃式的。作为一种示例性说明，在X方向，从t₀时刻开始，每隔100微秒，第一激光振镜104和第二激光振镜108的镜面在X方向的偏转角度作一次跳变，例如，从0到100微秒，镜面偏转1°；从100到200微秒，镜面偏转2°；从200到300微秒，镜面偏转3°，如此继续，直到从900到1毫秒，镜面偏转10°，第一激光振镜104和第二激光振镜108在X方向完成了一个工作周期。在Y方向，从t₀时刻开始，每隔2微秒，第一激光振镜104和第二激光振镜108的镜面在Y方向的偏转角度作一次跳变，例如，从0到2微秒，镜面偏转1°；从2到4微秒，镜面偏转2°；从4到6微秒，镜面偏转3°，如此继续，直到从98到100微秒，镜面偏转50°，第一激光振镜104和第二激光振镜108在Y方向完成了一个工作周期。作为一种优选方案，第一激光振镜104和第二激光振镜108的工作状态相同，即在任一时刻具有相同的偏转角。

作为另一种优选方案，本实施例中的第一激光振镜104和第二激光振镜108的工作方式为阶跃式和连续式相混合，第一激光振镜和第二激光振镜在X方向为阶跃式，在Y方向为连续式。在Y方向，激光振镜的偏转角度与偏置电压的大小成正比，当偏置电压线性变化时，激光振镜的偏转角度也线性变化。例如，作为一种示例性说明，当偏置电压从0伏变化到50伏时，激光振镜的偏转角度从0度变化到50度，则在同一个周期内的不同时刻，通过第一激光振镜104的发射激光105被偏转的角度不同，即发射方向不同。由于第二激光振镜108要将由第一激光振镜104发射出去的具有不同方向角的发射激光105在待测物体106表面的反射激光107反射到接收透镜109的接收范围内，而发射激光105经过第一激光振镜104和反射激光107到达第二激光振镜108有一个时间差，因此作为此方案的一种优选方案，第二激光振镜的工作状态比第一激光振镜在Y方向有一个时间延迟。时间延迟的具体值可参考待测物体的距离决定。

作为一种示例性说明，在从t₀时刻到t₀+100微秒内，为第一激光振镜104和第二激光振镜108在Y方向的第一个工作周期，此时两个激光振镜在X方向的偏转角度为1°。

记t₁时刻和t₀时刻的时间差为ΔT₁，根据脉冲探测法的测量原理，本次测量中测得的待测物体106上某点与激光器102的距离L为其中C为激光在空气中的传输速度。这次测量所测得的待测物体106表面上某点在X方向的方向角为1°，Y方向的方向角为1°。

在t₀+2微秒时刻，激光器102再次发射脉冲激光，在t₂时刻，反射激光107被探测器接收。记t₂时刻和t₀+2微秒时刻的时间差为ΔT₂，本次测量中测得的待测物体106上某点与激光器102的距离L为这次测量所测得的待测物体106表面上某点在X方向的方向角为1°，Y方向上的方向角为2°。

继续如此重复性测量，在在t₀+98微秒时刻，激光器102再次发射脉冲激光，在t₅₀时刻，反射激光107被探测器接收。记t₂时刻和t₀+98微秒时刻的时间差为ΔT₅₀，本次测量中测得的待测物体106上某点与激光器102的距离L为这次测量所测得的待测物体106表面上某点在X方向的方向角为1°，Y方向上的方向角为50°。

至此，本实施例中的微型激光雷达系统完成了一个100微秒的在Y方向的测量周期，此时在X方向的方向角为1°。

在t₀+100微秒时，第一激光振镜104和第二激光振镜108在X方向的方向角跳到2°，在从t₀+100微秒到t₀+200微秒之间，本实施例中的微型激光雷达系统重复上述的在Y方向上的周期性测量，Y方向上每微秒变化一次，从1°变化到50°。

如此继续，在t₀+900微秒时，第一激光振镜104和第二激光振镜108在X方向的方向角跳到2°，在从t₀+900微秒到t₀+1毫秒之间，施例中的微型激光雷达系统Y方向上每微秒变化一次，从1°变化到50°。

从t₀到t₀+1毫秒，本实施例中的激光雷达系统完成了一个完整的测量周期，完成了500次测量。在X方向上从1°变化到10°，一个周期；在Y方向上从1°变化到50°，变化了10个周期。

需要说明的是，为便于本领域一般技术人员的理解，本发明具体实施例中对所用到的部件的参数作了示例性的限定，如激光器的脉冲宽度为10纳秒，工作周期为2微秒；一维激光振镜的最大偏转角为50°，工作周期为10KHz。本领域的一般技术人员应知道，这种限定只是为了更清楚的阐述本发明的总体技术构思，而不应作为本发明技术方案上的一种限定。

本领域的技术人员可以理解，上面所描述的实施例都是示例性的，并且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。

虽然阐述本发明的构思的一些实施例已经被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。