角度测量方法、反射镜系统及激光雷达

摘要

本公开提供了一种角度测量方法，适于对微动镜进行角度测量，所述方法包括：通过光源，向所述微动镜发射光束；通过光敏元件，测量从所述微动镜反射回来的所述反射光束，产生第一输出；关闭所述光源，测量所述光敏元件的第二输出；利用所述第二输出校正所述第一输出，计算所述微动镜的角度。本公开还提供一种反射镜系统以及包括所述反射镜系统的激光雷达。

说明书

技术领域

本公开涉及光电技术领域，尤其涉及一种可适于对微动镜进行角度测量的角度测量方法、一种反射镜系统以及一种激光雷达。

背景技术

在激光雷达中，经常需要使用可以微动的反射镜系统来对光束进行反射，以实现对一定视场范围内的物体进行探测。为了实现对光束的精确控制，换言之，为了实现对物体的精确探测，就需要实时地精确测量反射镜的微动角度。

但在现有的反射镜角度测量方法中，经常会受到光电器件暗电流和/或环境光的影响，进而造成角度测量结果存在较大误差。

因此，如何提高角度测量的精确度，减小环境变化(比如高温、环境强光等)对测角精度的影响，是本领域中持续存在的改进需求。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术中的至少一个缺陷，本公开提供一种角度测量方法，适于对微动镜进行角度测量，所述方法包括：

通过光源，向所述微动镜发射光束；

通过光敏元件，测量从所述微动镜反射回来的所述反射光束，产生第一输出；

关闭所述光源，测量所述光敏元件的第二输出；

利用所述第二输出校正所述第一输出，计算所述微动镜的角度。

根据本公开的一个方面，所述光源为激光器，所述光敏元件为PSD位置传感器，所述微动镜为振镜，所述第一输出和第二输出为电流值或电压值，

其中所述利用第二输出校正第一输出计算微动镜的角度包括：将第二输出从第一输出中减去，作为修正的第一输出，利用所述修正的第一输出，计算所述微动镜的角度。

根据本公开的一个方面，所述微动镜在一预设范围内来回摆动，所述关闭光源的步骤包括：在所述微动镜回摆时刻关闭所述光源。

根据本公开的一个方面，所述关闭光源、测量光敏元件的第二输出的步骤包括：多次关闭所述光源，测量所述光敏元件的多次输出、并计算平均值作为所述第二输出。

根据本公开的一个方面，所述的角度测量方法还包括：测量所述微动镜和/或光敏元件的温度，其中所述光源关闭的时长取决于所述微动镜的温度。

根据本公开的一个方面，所述温度越高，所述光源关闭的时长越长，

其中当所述温度高于预设值时，所述光源关闭的时长为第一时长；当所述温度低于预设值时，所述光源关闭的时长为第二时长，其中所述第一时长大于第二时长。

根据本公开的一个方面，所述关闭光源、测量光敏元件的第二输出的步骤包括：关闭所述光源后，经一延迟时间，测量所述光敏元件的第二输出。

根据本公开的一个方面，所述光敏元件为光电二极管或PIN型二极管，所述微动镜为激光雷达的振镜或摆镜。

本公开还提供一种反射镜系统，包括：

微动镜；

光源，所述光源可开启或关闭，开启时，所述光源可向所述微动镜发射光束，所述光束被所述微动镜反射产生反射光束；

光敏元件，所述光敏元件可从所述微动镜接收所述反射光束并产生第一输出，并在所述光源关闭的情况下产生第二输出；

角度计算单元，所述角度计算单元配置成可利用所述第二输出校正所述第一输出，计算所述微动镜的角度。

根据本公开的一个方面，所述光源为激光器，所述光敏元件为PSD位置传感器，所述微动镜为振镜，所述第一输出和第二输出为电流值或电压值，

其中所述角度计算单元配置成：将第二输出从第一输出中减去，作为修正的第一输出，利用所述修正的第一输出，计算所述微动镜的角度。

根据本公开的一个方面，所述微动镜配置成在一预设范围内来回摆动，所述光源配置成在所述微动镜回摆时刻关闭光源。

根据本公开的一个方面，所述光源配置成在一个摆动周期内多次关闭，测量所述光敏元件的输出的平均值作为所述第二输出。

根据本公开的一个方面，所述的反射镜系统还包括温度传感器，所述温度传感器配置成测量所述微动镜和/或光敏元件的温度，其中所述光源关闭的时长取决于所述微动镜的温度。

根据本公开的一个方面，当所述温度越高，所述光源关闭的时长越长，

其中当所述温度高于预设值时，所述光源关闭的时长为第一时长；当所述温度低于预设值时，所述光源关闭的时长为第二时长，其中所述第一时长大于第二时长。

根据本公开的一个方面，所述关闭光源、测量光敏元件的第二输出的步骤包括：关闭所述光源后，经一延迟时间，测量所述光敏元件的第二输出。

根据本公开的一个方面，所述光敏元件为光电二极管或PIN型二极管，所述微动镜为激光雷达的振镜或摆镜。

根据本公开的一个方面，所述的反射镜系统还包括放大器，所述放大器与所述光敏元件耦合，以放大所述光敏元件输出的信号。

根据本公开的一个方面，所述的反射镜系统还包括滤波器，所述滤波器与所述放大器耦合以接收经放大的信号。

本公开还提供一种激光雷达，包括：

激光光源，所述激光光源可发射激光束；和

如上所述的反射镜系统，所述反射镜系统的微动镜配置成可改变其角度，以将来自所述激光光源的激光束反射，并从所述激光雷达出射。

根据本公开的一个方面，所述的激光雷达还包括接收单元和计算单元，所述接收单元接收来自外部物体的回波，所述计算单元与所述接收单元耦合，并根据所述回波，获得激光雷达的点云，

其中所述反射镜系统的光源配置成在一个扫描周期中不生成点云的时间区间关闭。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出了使用PSD传感器来测量振镜的角度的示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的角度测量方法；

图3示出了根据本发明一个实施例的用于测量角度的系统；

图4示出了根据本发明一个实施例的自校正测量信号的示意图；

图5示出了根据本发明一个实施例的PSD输出信号、激光器调制信号以及PSD信号；

图6示出了根据本发明一个实施例的延迟采样的示意图；

图7示出了根据本发明一个实施例的反射镜系统的示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下结合附图对本公开的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

PSD位置传感器是一种光能/位置转换器件，光束照射到PDS位置传感器上的不同位置处，输出的电流会有不同，因而能够通过输出电流来判断光束入射的位置。以二维PSD传感器为例，二维PSD传感器在平面上的X和Y两个方向上的感光层是独立的，分别用于感受X和Y方向的光点位置的变化。二维PSD位置传感器的电极上的电流与光点的沿着X和Y方向的坐标成一定关系。因此可以用PSD传感器来测量激光雷达中的微动镜或者振镜的角度偏转。

图1示出了使用PSD传感器来测量振镜的角度的示意图，振镜是一种微动镜，也即可以实现微动的反射镜系统。如图1所示，振镜可围绕其中心轴线在一定范围内来回摆动。图1中，振镜上方的表面为其工作表面。用于接收入射光并且扫描反射出去，形成出射光束。可以利用其下表面来进行角度测量。如图1所示，激光束入射到振镜的下表面上并被反射，然后入射到PSD传感器上。根据振镜角度的不同，被反射的激光束在PSD传感器上的入射点的位置也会不同。因此，可以根据通过几何位置关系，来计算振镜的角度。以下给出一个具体的计算实例。

PSD传感器例如具有四路电流输出信号I

测量得到四路电流输出信号I

其中，

但是，本申请的发明人发现，使用图1所示的结构和方法用于测量振镜的角度时，尤其是当高温时信号中包含大量暗电流或者存在环境强光环境光电流时，PSD位置传感器的输出信号不能准确反映入射激光的光斑位置，因此会造成振镜的角度测量存在误差。

为了提高角度测量精度，本发明的第一方面涉及一种角度测量方法100，适于对微动镜进行更为精确的角度测量，例如对激光雷达中的振镜进行角度测量。下面参考图2和图3详细描述。如图2所示，所述方法100包括：

在步骤S101，通过光源，向所述微动镜发射光束。

如图3所示，微动镜202可以在多个位置之间来回运动，例如进行绕轴摆动或者其他类型的运动。图3中示意性示出了微动镜202的两个位置P1和P2，所述微动镜202例如为振镜，可围绕一个位于其中部的枢轴进行旋转，从而可以在一定范围内来回摆动。本发明的保护范围不限于微动镜的运动方式，都可以使用本申请的方法。为了精确测量微动镜202的角度，在步骤S101，通过光源201向微动镜202发射光束，该光束在微动镜202上被反射，反射光束入射到光敏元件203上。

根据本发明的一个实施例，所述光源201为激光器，从而可以发射出定向性较强的光束，当然也可以为LED光源或其他类型的光源。

在步骤S102，通过光敏元件，测量从所述微动镜反射回来的所述反射光束，产生第一输出；

根据本发明的一个优选实施例，所述光敏元件203为PSD位置传感器，所述第一输出可以为电流值，从而电流值可以反映出所述反射光束在所述光敏元件上入射形成的光斑位置。另外，本领域技术人员容易理解，所述第一输出可以包括一个值，也可以包括一组数值，例如PSD位置传感器的多个电极的电流值，这些都在本公开的保护范围内。或者，所述第一输出也可以为电压值。

PSD位置传感器的维度可以对应于微动镜202的维度。本领域技术人员容易理解，如果微动镜202为一维振镜，那么PSD位置传感器可以为一维的PSD器件，因为一维PSD器件即可满足测量微动镜202的角度的要求；如果微动镜202为二维振镜，那么PSD位置传感器可以为二维的PSD器件，因为需要二维PSD器件才能满足测量微动镜202的角度的要求。

在步骤S103，关闭所述光源，测量所述光敏元件的第二输出。

在获得第一输出后，在步骤S103，关闭光源201，此时可测量光敏元件203的背景信号作为第二输出，即光源201熄灭时的输出信号。根据本发明的一个优选实施例，第二输出为电流值。同样的，第二输出可以包括一个数值，也可以包括一组数值。或者，所述第二输出也可以为电压值。

在步骤S104，利用所述第二输出校正所述第一输出，计算所述微动镜的角度。

如上所述，在步骤S102中获得的第一输出，为光敏元件203在光源201的激发下(以及可能同时存在的背景光或者温度的影响)产生的输出；在步骤S103获得的第二输出，为光敏元件203的背景信号(即背景光或者温度的影响)。因此，通过第二输出可以矫正第一输出，然后利用校正后的第一输出，可以更精确地计算微动镜的角度。

例如，根据本发明的一个优选实施例，可以将第二输出从第一输出中减去，作为修正的第一输出，利用所述修正的第一输出，计算所述微动镜的角度。修正后的第一输出真正表示了由光源201在光敏元件203激发产生的输出，因而能够更加准确地计算出振镜的角度。

图4示出了根据本发明实施例进行自校正的测量信号示意图。其中，I

通过以下公式3来进行校正：

I

其中，I

优选的，所述光源201为PWM调制激光器。

本领域技术人员理解，微动镜202(例如振镜)可集成在激光雷达中，用于将入射光束扫描反射到激光雷达的外部，和/或用于接收激光雷达的回波信号。以振镜为例，在振镜的一个摆动周期中，可形成激光雷达的一帧点云。根据本发明的一个实施例，在振镜的一个摆动周期中仅关闭一次光源201,以采集第二输出I

因此优选的，可以对关闭光源201的时刻进行设定，从而不会影响或者尽可能少地影响振镜正常扫描的控制。如图5所示，其中(a)示出了振镜沿着其慢轴的摆角(坐标系未示出，横轴为时间，纵轴为角度)，从其中可见，振镜在一定角度范围内来回摆动(例如在图3所示的位置P1和P2之间)。激光雷达通常在其振镜回摆时刻(如图5中所示)不生成点云，因此，优选的，可以选择在振镜的回摆时刻(例如选择在振镜摆角的上升沿时间区间)将光源201关闭，如图5中的t1所示，此时基本不会影响振镜的正常扫描控制。

如图5中的(b)所示，在回摆时刻关闭激光器光源的调制信号，从而可测得第二输出I

另外，优选的，为了降低光源关闭后单次测量的不确定性，可以在一帧点云图的扫描过程中多次关闭激光器并测量第二输出，进行滑动平均处理优化，以降低校正的滞后性。例如可十六次关闭激光器并测量十六次第二输出，进行滑动平均处理。

另外，本申请的发明人还发现，关闭光源的时间段的长度将会影响第二输出的测量的准确性。因此根据本发明的一个优选实施例，所述的角度测量方法100还包括：测量所述微动镜和/或光敏元件的温度，根据所述温度，控制所述光源关闭的时长。本申请的发明人通过大量实验发现，由于PSD输出信号一般会经过跨阻放大器、滤波器以及ADC等再做运算，由于电路带宽的限制，高温时通常需要较长的关光时间，振镜快慢轴视场的真实值才会越接近于室温值。即温度越高，所述光源关闭的时长越长所以。因此，可以采用根据温度分段选择关光时长Δt(Δt＝t2-t1)的策略，比如低温和常温下，关光时长Δt较短，高温时关光时长Δt较长。例如可以设定一预设值，当所述温度高于预设值时，所述光源关闭的时长为第一时长；当所述温度低于预设值时，所述光源关闭的时长为第二时长，其中所述第一时长大于第二时长。

另外，根据本发明的一个优选实施例，如图6所示，在关闭所述光源201后，经一延迟时间t

上面描述了使用PSD位置传感器作为所述光敏元件的具体技术方案。本领域技术人员可以构思出其他类型的光敏元件，也可以用于实施本发明。例如，可以使用光电二极管或者PIN型二极管。以光电二极管为例，例如可以布置一个光电二极管阵列作为光敏元件，每个光电二极管都具有其编码和位置参数。当被振镜反射的光束入射到其中一个或多个光电二极管时，这些被照射的光电二极管将产生输出。通过这些光电二极管在阵列中的编码和位置参数，就可以获知入射光斑的位置，从而反推得到微动镜202的角度。在本发明的教导之下，这些方案和变形都是容易理解的，因此不再赘述。

根据实验结果表明，采用本申请中的上述调制关光策略，利用恒定PSD角度信号控制，100摄氏度时的真实扫描慢轴视场比理想视场小约0.2度(＜1％)，真实扫描快轴视场比理想视场偏小约0.1度(＜0.5％)，但是偏差量显著小于不采用调制关光策略时的偏差量。

本发明的第二方面涉及一种反射镜系统300，例如可用于激光雷达中。下面参考图7详细描述。

如图7所示，反射镜系统300包括图3所示的光源201、微动镜202、以及光敏元件203。其中光源201可开启或关闭，例如可通过PWM调制信号来驱动其开启或关闭。当所述光源201开启时，所述光源201可向所述微动镜202发射光束，所述光束被所述微动镜反射产生反射光束，入射到光敏元件203上，产生第一输出。当所述光源201关闭时，光敏元件203产生第二输出。另外，反射镜系统300还包括角度计算单元304，角度计算单元304与光敏元件203耦合，从而接收第一输出和第二输出，并配置成可利用所述第二输出校正所述第一输出，计算微动镜202的角度。

本领域技术人员可以理解，角度计算单元304可以通过硬件实现，也可以通过软件实现，也可以通过软硬件结合实现。例如，角度计算单元可以实现为一个单独的芯片或者集成在其他芯片中，实时接收光敏元件203的输出，并且进行校正，计算微动镜的角度。

根据本发明的一个优选实施例，光源201为激光器，所述光敏元件为PSD位置传感器，所述微动镜202为振镜，所述第一输出和第二输出为电流值，其中所述角度计算单元304配置成：将第二输出从第一输出中减去，作为修正的第一输出，利用所述修正的第一输出，计算所述微动镜的角度。

根据本发明的一个优选实施例，所述微动镜202配置成在一预设范围内来回摆动，所述光源配置成在所述微动镜回摆时刻关闭光源。

根据本发明的一个优选实施例，所述光源201配置成在一个摆动周期内多次关闭，测量所述光敏元件203的输出的平均值作为所述第二输出。

根据本发明的一个优选实施例，所述的反射镜系统300还包括温度传感器，所述温度传感器配置成测量所述微动镜和/或光敏元件的温度，其中所述光源关闭的时长取决于所述微动镜的温度。

根据本发明的一个优选实施例，当所述温度越高，所述光源关闭的时长越长，其中当所述温度高于预设值时，所述光源关闭的时长为第一时长；当所述温度低于预设值时，所述光源关闭的时长为第二时长，其中所述第一时长大于第二时长。

根据本发明的一个优选实施例，所述关闭光源、测量光敏元件的第二输出的步骤包括：关闭所述光源后，经一延迟时间，测量所述光敏元件的第二输出。

根据本发明的一个优选实施例，所述光敏元件为光电二极管或PIN型二极管，所述微动镜为激光雷达的振镜。

根据本发明的一个优选实施例，所述的反射镜系统300还包括放大器和滤波器，所述放大器与所述光敏元件耦合，以放大所述光敏元件输出的信号；所述滤波器与所述放大器耦合以接收经放大的信号，滤波器的输出被输入到所述角度计算单元304。通过所述放大器和滤波器，

本领域技术人员容易理解，本发明上述第一方面的其他特征，可以容易地结合到本发明的第二方面中，不需要付出创造性的劳动，这些都在本发明的保护范围内。

本发明的第三方面涉及一种激光雷达，包括激光光源和如上所述的反射镜系统300。其中，所述激光光源可发射激光束，激光束入射到所述反射镜系统300的微动镜上，微动镜将来自所述激光光源的激光束扫描反射，并从所述激光雷达出射，从而对激光雷达的周边环境进行探测。

根据本发明的一个实施例，所述的激光雷达还包括接收单元和计算单元，所述接收单元接收来自外部物体的回波，所述计算单元与所述接收单元耦合，并根据所述回波，获得激光雷达的点云。其中所述反射镜系统的光源配置成在一个扫描周期中不生成点云的时间区间关闭。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。