基于各種工作原理的激光雷達(dá)（LiDAR）已經(jīng)在許多領(lǐng)域獲得應(yīng)用，例如機(jī)器人導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)、地面勘測(cè)等。然而，激光收發(fā)器的數(shù)量限制了傳統(tǒng)多通道激光雷達(dá)系統(tǒng)的垂直角度分辨率，并使其成本高昂。而MEMS微鏡的興起，能夠?yàn)榈统杀尽⒏呓嵌确直媛实募す饫走_(dá)系統(tǒng)提供非常有前景的解決方案。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的研究人員通過(guò)結(jié)合機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)系統(tǒng)和MEMS微鏡各自的優(yōu)勢(shì)，以更合理的系統(tǒng)成本實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)（FoV）、更高角度分辨率的激光雷達(dá)解決方案。研究人員將MEMS微鏡集成在自行設(shè)計(jì)的獨(dú)立收發(fā)器模塊中，并與360°旋轉(zhuǎn)平臺(tái)集成，以實(shí)現(xiàn)全景掃描。

與基于多通道的激光雷達(dá)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)不受激光源和探測(cè)器數(shù)量的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)0.07°x 0.027°（水平x垂直）的角度分辨率以及360°x 8.6°（水平x垂直）的視場(chǎng)。該研究成果已經(jīng)以“Development of the high angular resolution 360° LiDAR based on scanning MEMS mirror”為題發(fā)表于Scientific Reports期刊。

采用上述系統(tǒng)配置，能夠以合理的價(jià)格（1700美元）實(shí)現(xiàn)360°視場(chǎng)的激光雷達(dá)系統(tǒng)。最后，研究人員還開發(fā)了一款數(shù)據(jù)處理程序，可以將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D點(diǎn)云圖像，生成的圖像驗(yàn)證了這款基于MEMS微鏡的激光雷達(dá)系統(tǒng)的完整功能。

設(shè)計(jì)和原理

脈沖飛行時(shí)間（ToF）激光雷達(dá)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。該系統(tǒng)由具有準(zhǔn)直功能的905 nm激光模塊（OSRAM SPLPL90）產(chǎn)生短激光脈沖。激光脈沖通過(guò)MEMS微鏡的單軸反射實(shí)現(xiàn)垂直方向掃描，然后通過(guò)360°旋轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全景掃描。再由探測(cè)器檢測(cè)來(lái)自環(huán)境物體的反射脈沖。激光脈沖的飛行時(shí)間（借助快速運(yùn)行的計(jì)數(shù)器測(cè)量）與環(huán)境物體和傳感器之間的距離直接相關(guān)，從而通過(guò)數(shù)據(jù)處理可以實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境的3D感知。

基于MEMS微鏡的360°激光雷達(dá)系統(tǒng)：（a）激光雷達(dá)系統(tǒng)示意圖，（b）激光雷達(dá)的工作場(chǎng)景和參數(shù)。

激光雷達(dá)系統(tǒng)的角度分辨率表示傳感器可以分辨的兩點(diǎn)之間的最小角度或線性間隔。換句話說(shuō)，它可以被視為單位面積的單位脈沖數(shù)。因此，更高分辨率的激光雷達(dá)可以創(chuàng)建更密集的點(diǎn)云圖。

基于MEMS微鏡的360°激光雷達(dá)系統(tǒng)

激光雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用通常要求角度分辨率

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了機(jī)械角度為5°的MEMS微鏡（Mirrorcle S45868），可受益于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或準(zhǔn)靜態(tài)光束轉(zhuǎn)向。這意味著任何穩(wěn)態(tài)模擬驅(qū)動(dòng)電壓都可以導(dǎo)致MEMS微鏡的特定穩(wěn)態(tài)模擬旋轉(zhuǎn)角度，從而實(shí)現(xiàn)特定的光束方向。在DC（0 Hz）附近，注意到驅(qū)動(dòng)電壓和產(chǎn)生角度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系：它具有高度可重復(fù)性，不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生可測(cè)量的退化。此外，通過(guò)增加變壓器和杠桿結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)范圍可以擴(kuò)大。它還具有優(yōu)異的抗機(jī)械沖擊和振動(dòng)性能，功耗小于1 mW，并為標(biāo)準(zhǔn)的硅基量產(chǎn)工藝而設(shè)計(jì)。

MEMS微鏡結(jié)構(gòu)

激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：（a）360°激光雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，（b）發(fā)射和接收模塊示意圖。

基于MEMS微鏡的激光雷達(dá)和多通道激光雷達(dá)的掃描機(jī)理對(duì)比

掃描試驗(yàn)結(jié)果：（a）掃描對(duì)象（抱枕和耳機(jī)盒）照片，（b）掃描點(diǎn)云圖，（c）抱枕深度圖，（d）耳機(jī)盒深度圖。

增大接收模塊視場(chǎng)的有效方法是采用具有更大有效面積的雪崩光電二極管（APD）。對(duì)于這項(xiàng)工作，研究人員選擇了有效區(qū)域直徑為1.5mm的APD，并采用了直徑為50 mm、焦距為10 mm的菲涅耳透鏡，以實(shí)現(xiàn)8.6°的垂直視場(chǎng)。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，研究人員展示了一種基于MEMS微鏡的具有高垂直掃描分辨率的360°激光雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的水平掃描通過(guò)360°旋轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，而垂直掃描通過(guò)MEMS微鏡實(shí)現(xiàn)。基于水平和垂直掃描要求，通過(guò)設(shè)計(jì)激光發(fā)射器和APD接收器的光路，并開發(fā)控制和通信電路，實(shí)現(xiàn)了完整的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該系統(tǒng)在視場(chǎng)（水平方向360°，垂直方向8.6°）和角度分辨率（水平方向0.07°，豎直方向0.027°）方面取得了良好的性能。和市售Velodyne HDL-64激光雷達(dá)傳感器相比，該系統(tǒng)的垂直角度分辨率提高了13.8倍。該特性可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量全景掃描，能夠?yàn)樽詣?dòng)駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航、室內(nèi)測(cè)量等應(yīng)用提供更經(jīng)濟(jì)的解決方案。

審核編輯：劉清