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，例如機器人導(dǎo)航、自動駕駛、無人機、地面勘測等。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，能夠為低成本、高角度分辨率的激光雷達(dá)系統(tǒng)提供非常有前景的解決方案。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，香港城市大學(xué)機械工程學(xué)院的研究人員通過結(jié)合機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)系統(tǒng)和MEMS微鏡各自的優(yōu)勢，以更合理的系統(tǒng)成本實現(xiàn)了大視場（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)計的獨立收發(fā)器模塊中，并與360°旋轉(zhuǎn)平臺集成，以實現(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。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，能夠以合理的價格（1700美元）實現(xiàn)360°視場的激光雷達(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點云圖像，生成的圖像驗證了這款基于MEMS微鏡的激光雷達(dá)系統(tǒng)的完整功能。

設(shè)計和原理

脈沖飛行時間（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MEMS微鏡的單軸反射實現(xiàn)垂直方向掃描，然后通過360°旋轉(zhuǎn)平臺實現(xiàn)全景掃描。再由探測器檢測來自環(huán)境物體的反射脈沖。激光脈沖的飛行時間（借助快速運行的計數(shù)器測量）與環(huán)境物體和傳感器之間的距離直接相關(guān)，從而通過數(shù)據(jù)處理可以實現(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之間的最小角度或線性間隔。換句話說，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

在這項研究中，研究人員使用了機械角度為5°的MEMS微鏡（Mirrorcle S45868），可受益于點對點或準(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，從而實現(xiàn)特定的光束方向。在DC（0 Hz）附近，注意到驅(qū)動電壓和產(chǎn)生角度的一一對應(yīng)關(guān)系：它具有高度可重復(fù)性，不會隨時間發(fā)生可測量的退化。此外，通過增加變壓器和杠桿結(jié)構(gòu)，驅(qū)動范圍可以擴大。它還具有優(yōu)異的抗機械沖擊和振動性能，功耗小于1 mW，并為標(biāo)準(zhǔn)的硅基量產(chǎn)工藝而設(shè)計。

MEMS微鏡結(jié)構(gòu)

激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計：（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)的掃描機理對比

掃描試驗結(jié)果：（a）掃描對象（抱枕和耳機盒）照片，（b）掃描點云圖，（c）抱枕深度圖，（d）耳機盒深度圖。

增大接收模塊視場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）。對于這項工作，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，以實現(xiàn)8.6°的垂直視場。

總結(jié)來說，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360°旋轉(zhuǎn)平臺實現(xiàn)，而垂直掃描通過MEMS微鏡實現(xiàn)。基于水平和垂直掃描要求，通過設(shè)計激光發(fā)射器和APD接收器的光路，并開發(fā)控制和通信電路，實現(xiàn)了完整的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

根據(jù)實驗結(jié)果，該系統(tǒng)在視場（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)一步實現(xiàn)高質(zhì)量全景掃描，能夠為自動駕駛、機器人導(dǎo)航、室內(nèi)測量等應(yīng)用提供更經(jīng)濟(jì)的解決方案。

審核編輯：劉清