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智能驾驶技术新突破,将彻底解决驾驶不安全的问题——激光雷达系统的光学设计

发布:2022-05-18 09:58作者:www.huyunjituan.com点击:676次

近年来,对配备安全驾驶功能和智能控制的汽车的需求不断增加,智能汽车发展迅速。作为智能驾驶最重要的传感器之一,激光雷达备受关注。其中,MEMS激光雷达具有高帧率和高分辨率。高效、小尺寸、低成本是国内外车载激光雷达的主要发展趋势之一。光学系统是MEMS激光雷达的重要组成部分之一,分为发射光学系统和接收光学系统。在本文中,我们设计了基于镜面直径为 5 mm 的 2D MEMS 振镜和弧准直 25W Der 半导体激光器的光传输系统。矢状方向的发散半角为1 mrad,子午方向的发散半角为3 mrad。作为接收镜头,开发了1:1大孔径比、11.01mm焦距的接收镜头;建议使用放大 2.2 倍的光纤锥作为接收透镜。连接16线矩阵APD探测器,增加接收光学系统的视场; APD阵列检测器采用触发方式来提高雷达系统的信噪比。根据该设计结果,将构建激光雷达样机,实验验证系统的感应距离可达45m,全视角可达40︒×10︒。结果表明,该系统可以在一定程度上提高激光雷达的观测区域和视场。
激光雷达是一种利用激光束测量目标距离的测量技术,广泛应用于航空航天、军事、气象等国民经济领域。尤其是在智能驾驶领域,3D激光雷达是实现无人驾驶的关键技术之一。目前,激光雷达的主要技术方案有固态激光雷达、固态混合激光雷达和机械式激光雷达。其中,固态混合激光雷达采用MEMS扫描振镜(微机电系统)作为扫描机构,主要系统包括发射系统、接收系统和能够实现三维图像的信号处理系统。 ,具有远距离、高帧率、高分辨率和小型化的优势,以及激光雷达价格低廉的优势,是国内外汽车行业激光雷达发展的主要趋势之一。
光学系统作为激光MEMS的重要组成部分,分为发射光学系统和接收光学系统。透射光学的主要作用是减小透射光束的扩散角,提高光束质量。最大的设计挑战是 MEMS 扫描振镜。镜面小,限制了光束的直径,直接影响准直光束的扩散角。光接收器系统的主要功能是在空间空旷的情况下在更宽的视野中接收回波。主要的设计挑战是光电探测器的有限范围,这限制了接收光学系统的相对孔径和视场。
目前,国内外研究人员已经提出了许多不同的基于MEMS振镜扫描的光学解决方案。他与其他人一起开发了 MEMS 激光雷达,该激光雷达配备了一个单光子 CMOS 飞机探测器,能够测量最远 25m 的距离和一个完整的 45 × 11° 视野。 Jae-Hyoung Park 使用间接飞行时间法构建基于 3mm 直径 MEMS 扫描振镜的 2D-3D 图像的激光雷达系统。
邱琦等人。提出了一种由6个扫描子系统组成的全向激光传感雷达结构,带有一个光学传输天线,将MEMS反射镜的扫描角度从±10°增加到±30°;接收天线透镜的F数为3,视角为3.77°,接收到的激光回波在接收天线的探测器视场内产生的场高小于1 mm。易克佳等。开发了具有实时显示的MEMS激光雷达微型原型,分辨率为1 cm,视场角为24°。
本文基于基于二维MEMS扫描振镜的激光雷达系统的特点,开发了一系列光学激光雷达系统,包括光传输激光雷达系统和大口径拟合激光雷达,视野范围内的大范围探测要求和小型探测器接收系统,还建造了一个激光雷达原型。
1 难度结构
基于MEMS二维扫描振镜的激光雷达系统采用飞行时间测距方法,整个光路采用平行收发光路系统,光源为半导体激光器,探测器为高灵敏度APD阵列探测器。激光雷达工作时,控制系统使激光器发出高频激光脉冲,准直成扩散角小于准直系统的光束,进而控制视角。扫描偏斜。 MEMS 2D。一个电流计来改变出射光束的方向。 ;从目标可见的回波光束会聚在接收光学系统的 APD 阵列传感器的表面上,并激活 APD 阵列传感器的相应模块以接收光信号。控制系统根据飞行时间(ToF)方法精确计算激光飞行的返回时间,以获得距离测量值。
激光和微波是电磁波。利用微波雷达作用方程,可以得到激光雷达方程:PR为接收激光功率; PT 是发射的激光功率; GT 为发射天线的增益; σ 为目标扩散因子; D——接收孔; R为激光雷达与目标之间的距离; ηAtm 是大气中的单向透过率; ηSys 是激光雷达光学系统的透射率。根据激光雷达距离公式,要实现激光雷达的远距离和宽视场,需要开发适合激光雷达的光学系统。其中,如果可能的话,光传输系统应选择大功率激光器,同时传输光束的发散角要小,远场能量要集中。如果指定,接收光学器件的入瞳直径必须大于 10 mm。考虑到大型APD成本高,采用Hamamatsu S13645-01CR 1×16线性APD来降低激光雷达成本。 APD的面积为1mm×0.4mm,总面积为1mm×8mm。若接收光学系统的2d入瞳直径为10 mm,视角θ为40°×10°,根据f=d/tanθ,接收光学系统的焦距为2.84 mm,或时间。即接收光学系统的孔径比(2d/f)为10:2.84,光学镜头难以满足要求。因此,在本出版物中,建议在光电探测器和接收光学系统之间增加一个光纤锥,以补偿接收光学系统在一定区域的条件下具有大孔径和宽视场。光电探测器和APD阵列探测器使用相对孔径较大的接收透镜,以减少对背景光的干扰,提高系统的信噪比。
这种繁荣由几个因素推动,包括光纤和二极管激光器的低成本、设备本身的低门槛、脉冲、近连续和连续焊接之间的轻松切换,以及执行各种的焊接工作能够。复杂。 † † 焊接部件。
激光清洗和​​制造市场 激光设备的其他应用,包括激光清洗和​​制造,正在迅速发展。随着人们对节能环保要求的提高,传统的工业清洗方式正逐渐被激光清洗所取代。这个市场对中国来说相对较新。自 2018 年以来,家用激光清洁设备市场一直在增长,并且每年都会推出几款新型号。激光清洗机具有广阔的市场潜力,可广泛用于模具、桥梁、铁路、武器及机械设备、电子设备、精密工具、文物的清洗,以及飞机、船舶的油漆去除等。 .到2021年,中国激光清洗设备市场规模将达到7300万美元,预计到2023年将达到1亿美元。
激光增材制造市场不断发展并快速增长。 2021年将首次超过20亿美元。光纤激光器的低成本,以及用于 3D 激光打印过程的各种激光控制和光束操纵技术,加速了它们的发展。
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