基於二維MEMS振鏡的雷射雷達系統的光學設計

本文內容轉載自《光學技術》2020年第3期，版權歸《光學技術》編輯部所有。

範娜娜，王懋，溫少聰，謝杰，吳東岷

上海科技大學物質科學與技術學院，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所國際實驗室

摘要：近年來人們對具有安全駕駛、智能控制功能的汽車需求增長，使智能駕駛汽車快速發展起來，雷射雷達作為智能駕駛的核心傳感器之一得到廣泛的關注，其中MEMS雷射雷達具有高幀率、高解析度、體積小、成本低的優點，是國內外車載雷射雷達的主要發展趨勢之一。光學系統是MEMS雷射雷達重要組成部分之一，分為發射光學系統和接收光學系統，本文基於鏡面直徑5 mm的二維MEMS振鏡設計了發射光學系統，將25 W的半導體雷射器準直為弧矢方向發散半角為1 mrad，子午方向發散半角為3 mrad的光束；設計了大相對孔徑為1:1、焦距為11.01 mm的鏡頭作為接收鏡頭，並提出採用放大倍率為2.2的纖維光錐與16線APD陣列探測器耦合，擴大接收光學系統的視場；APD陣列探測器採用選通模式，提高雷達系統的信噪比。基於此設計結果搭建雷射雷達樣機，實驗驗證系統探測距離可達45 m，全視場角40︒ × 10︒。結果表明系統可一定程度上提高雷射雷達探測距離和視場角。

關鍵詞：MEMS振鏡；雷射雷達；光學設計；纖維光錐；大相對孔徑

0 引言

雷射雷達是一種通過使用雷射束測量目標距離的測量方法，在航空航天、軍事、氣象等國民經濟生活中得以廣泛的應用。尤其在智能駕駛領域，三維成像雷射雷達是實現無人駕駛的關鍵技術之一。目前雷射雷達主要的技術方案有固態雷射雷達、混合固態雷射雷達、機械式雷射雷達，其中混合固態雷射雷達採用MEMS（Micro Electro Mechanical System）掃描振鏡作為掃描機構，主要系統包括發射系統、接收系統和信號處理系統，可實現三維成像，具有遠距離，高幀率，高解析度的優點，並且有望實現雷射雷達的小型化和低成本化，是國內外車載雷射雷達發展的主要趨勢之一。

光學系統作為MEMS雷射雷達重要組成部分，分為發射光學系統和接收光學系統，發射光學系統的主要任務是減小發射光束的發散角，使其光束質量更好，主要設計難點是MEMS掃描振鏡的鏡面面積較小，限制光束的直徑，直接影響準直光束的發散角。接收光學系統主要任務是在保證口徑的前提下接收更大視場範圍內的回波光束，主要設計難點是光電探測器面積有限，會限制接收光學系統相對孔徑和視場。

目前國內外研究者基於MEMS掃描振鏡提出了許多不同的光學方案，Ito等開發了配備單光子CMOS焦平面探測器的MEMS雷射雷達，可以測量距離高達25 m，全視場角為45︒ × 11︒。Jae-Hyoung Park利用間接時間飛行法，搭建了基於直徑3 mm的二維MEMS掃描振鏡的雷射雷達系統，實現了2 m、4 m、6 m、8 m距離處多目標物體的距離測量及三維成像。

邱琪等提出一種6個掃描子系統組成的全向雷射探測雷達結構，其中發射光學天線將MEMS鏡±10 °的掃描角擴展到±30°；接收天線物鏡F數為3，視場角為67 °，視場角範圍內接收到的雷射回波經過接收天線在探測器上所成的半像高小於1 mm。易可佳等研製的一種小型化實時成像的MEMS雷射雷達樣機，其距離解析度為1 cm，視場角為24°。

本文根據基於二維MEMS掃描振鏡的雷射雷達系統的特性，設計了一套雷射雷達的光學系統，包括雷射雷達發射光學系統和匹配雷射雷達大口徑、大視場探測需求與探測器小接收面積的接收光學系統，並搭建了雷射雷達原理樣機。

1 雷射雷達結構

基於二維MEMS掃描振鏡的雷射雷達系統採用飛行時間法測距，整體光路採用收發並行光路系統，光源為半導體脈衝雷射器，探測器為高靈敏度的APD陣列探測器，如圖1。雷射雷達工作時，控制系統使雷射器發出高頻率脈衝雷射，經由準直系統準直為發散角較小的光束，再控制二維MEMS掃描振鏡的偏轉角，改變出射光束方向，逐點掃描目標；目標反射的回波光束經過接收光學系統會聚到APD陣列探測器表面，APD陣列探測器上對應的單元被選通以接收光信號。控制系統基於時間飛行法（ToF）準確計算雷射飛行往返路徑的時間來實現距離測量。

圖1 基於二維MEMS掃描振鏡的雷射雷達系統示意圖

雷射和微波同屬電磁波，根據微波雷達的作用距離方程可得雷射雷達方程為：

式中，PR是接收雷射功率；PT是發射雷射功率；GT是發射天線增益；σ是目標散射係數；D是接收孔徑；R是雷射雷達到目標的距離；ηAtm是單程大氣傳輸係數；ηSys是雷射雷達的光學系統的傳輸係數。根據雷射雷達距離公式可知，為雷射雷達設計合適的光學系統是實現雷射雷達遠距離、大視場的必要條件。其中發射光學系統應儘量選用大功率雷射器，且發射光束需發散角較小，遠場能量集中；若要求雷射雷達探測距離大於100 m，假設雷射雷達作用距離公式中各個參量的值如表1所示，則接收光學系統的入瞳直徑需大於10 mm。考慮大陣列的APD探測器成本較高，為降低雷射雷達成本，採用Hamamatsu公司S13645-01CR型1 × 16線陣APD探測器，單個APD面積1 mm × 0.4 mm，總的面積為1 mm × 8 mm。當接收光學系統的入瞳直徑2d為10 mm，視場角θ為40° × 10°，根據f =d/tanθ，則接收光學系統的焦距為2.84 mm，即要求接收光學系統的相對孔徑（2d/f）為10:2.84，光學鏡頭難以滿足要求。因此，本文提出在光電探測器和接收光學系統間加入纖維光錐平衡接收光學系統在光電探測器面積一定的情況下對大口徑和大視場的需求，並且APD陣列探測器採用選通模式，降低大相對孔徑的接收鏡頭接收到的背景光的幹擾，提高系統的信噪比。

表1 距離公式變量值

1.1 發射光學系統設計

雷射雷達光源為波長905 nm的脈衝半導體雷射器，該雷射器輸出功率為25 W，弧矢方向光斑尺寸為15 μm，發散角為25°（FWHM），子午方向光斑尺寸為74μm，發散角為10°（FWHM）。半導體雷射器的弧矢（平行於結平面方向）、子午（垂直於結平面方向）方向發散角不同，故採用兩個母線相互垂直的柱面鏡對弧矢、子午兩個方向分別準直。根據高斯光束遠場發散角定義θ=λ／πω0，準直後束腰半徑越大，MEMS振鏡的鏡面尺寸需越大，而MEMS振鏡的掃描頻率則會隨之減小，綜合考慮雷射雷達對準直後光束小發散角和MEMS振鏡高掃描頻率的要求，採用直徑5 mm的MEMS振鏡，其快軸掃描頻率為1.2KHz，慢軸掃描頻率在10 Hz左右。

利用光學仿真軟體，建立柱面鏡準直的仿真模型，如圖2所示。在距離光源45 mm的地方放置了一塊30°傾斜、直徑5 mm的反射鏡，其等效於零掃描角時的MEMS振鏡。

根據半導體雷射器的發光特性，設計使用焦距為4.62 mm的非球面柱面鏡進行子午方向的準直；設計使用焦距為13.91 mm的球面柱面鏡進行弧矢方向的準直。

仿真得到準直後距離反射鏡不同距離的光斑，取峰值功率1/e2處光斑半徑，將散點擬合為直線，該直線近似為雙曲線的漸近線，直線方程為

圖2 光學仿真模型

圖3 光斑半徑隨光傳播距離的曲線

直線斜率為準直後光束髮散角的正切值，則

圖4 距離MEMS振鏡100 m時雷射光斑截面圖

得到準直後子午方向發散半角為1 mrad，弧矢方向發散半角為3 mrad，如圖3所示。圖4給出了仿真模型中距離ＭＥＭＳ振鏡100 m的探測器接收到的雷射光斑，該光斑總能量為24.01 W，即有96%以上的雷射能量經由MEMS振鏡反射，僅有包含約4%的雷射能量的光束未入射到MEMS振鏡上，沿原方向出射。

1.2 接收光學系統設計

如前文所述，為滿足雷射雷達遠距離光信號的探測對大口徑、大視場的要求，在接收鏡頭和APD陣列探測器間加入放大倍率為2.2的成像纖維光錐作為中繼元件。該纖維光錐由數千上萬根錐形光纖規則排列組合而成，每根錐形光纖芯徑小於6 μm，纖維光錐入射端面接收到的圖像被分解為與錐形光纖排列相對應的像元；規則排列的錐形光纖將所攜帶的像元信息一一對應地傳遞到纖維光錐的另一端；像元在傳遞過程中隨錐形光纖直徑的變化被放大或縮小，在出射端面按原排列方式組合成像。本文中纖維光錐口徑小的一端直徑10 mm，緊貼APD探測器，口徑大的一端直徑22 mm，位於接收光學鏡頭的像方焦平面位置。

綜合考慮接收光學系統的口徑和視場，接收光學的設計指標如表2。

表2 接收鏡頭設計指標

圖5 接收鏡頭仿真模型

在光學仿真軟體中選擇反遠距型鏡頭為初始結構，設置評價函數，選用市場上現有透鏡，優化系統，最終得到接收鏡頭的結構如圖5所示，共有5片鏡片組成，其中最後一個透鏡為非球面透鏡。

接收鏡頭焦距為11.01 mm，視場角為40 ° × 10 °，相對孔徑1:1，系統總長95.08 mm。圖6為接收鏡頭像平面的光跡圖，像面大小為5 mm × 2.2 mm，x方向從左至右依次為視場（0 °，0 °）、（0 °，3.5 °）、（0 °，5 °）的光線在像平面所成光斑，y方向從下至上依次為（0 °，0 °）、（14 °，0 °）、（20 °，0 °）的光線在像平面所成光斑，x方向像高1.10 mm，y方向像高為4.17mm。圖7為像平面的相對照度均勻性，20 °視場角範圍內像平面的相對照度均勻性在90%以上。

圖6 像平面光跡圖

圖7 像平面相對照度均勻性

2 實驗結果

根據以上仿真設計結果，結合機械設計，搭建了雷射雷達的樣機，如圖8所示。其中，纖維光錐直接緊貼在拆除封裝窗口的APD陣列探測器表面，中間的空隙以松柏油填充，如圖9，可在纖維光錐的大端面看到APD陣列探測器表面的放大像，耦合效率約為74.14%。

圖8 雷射雷達樣機

圖9 APD陣列探測器與纖維光錐耦合模塊

圖10 實驗拍攝光斑圖

在距離發射光學系統6.67 m距離的光屏上拍攝了雷射光斑圖，如圖10，該光斑的光斑半徑為12.81 mm × 26.78 mm，根據tanθ＝r/d，雷射的發散角為0.11° × 0.23 °。

在距離雷射雷達垂直距離1.5 m的前方有一面白牆，接收光學系統的光軸與牆面垂直，當發射光學系統的掃描角為（0 °，0 °）、（5 °，0 °）、（0 °，5 °）、（0 °，10 °）、（0 °，15 °）、（0 °，20 °）時，對應選通APD探測器從左至右第8個、第8個、第7個、第5個、第3個、第1個單元，APD探測器接收到的回波信號幅值及其修正後電壓幅值如表3所示，相應的計算了修正後電壓幅值與其平均值的差值佔其平均值的百分比均小於10%。結果表明該雷射雷達的樣機視場角為40 ° × 10 °，接收系統像平面的照度均勻性大於90%。

表3 雷射雷達不同視場回波信號測試結果

將雷射雷達放置在一地下車庫測試，APD探測器選通第8個單元，發射光學系統掃描角為0 °，發射系統發出的雷射脈衝照射在距離樣機45 m的一面白牆上時，將接收系統可以接收到的回波信號連接在示波器上顯示如圖11所示，峰值電壓為4.45 V。

圖11 雷射雷達回波信號

3 結論

本文為基於二維MEMS掃描振鏡的雷射雷達設計了發射光學系統和接收光學系統。系統選用直徑5 mm的MEMS掃描振鏡，利用柱面鏡將25W的半導體雷射器，準直為發散角為1 mrad（子午方向）和3 mrad（弧矢方向）的光束；以放大倍率2.2的纖維光錐作為接收鏡頭和APD陣列探測器的中繼元件，設計了焦距為11.01 mm、視場角40 ° × 10°的反遠距鏡頭作為接收鏡頭，其相對孔徑1:1。APD陣列探測器採用選通模式避免大相對孔徑的接收光學系統接收到的幹擾光降低雷達系統信噪比。基於仿真結果，搭建了雷射雷達原理樣機，實現45 m遠目標的探測，系統全視場角40 ° × 10 °。該雷射雷達系統一定程度上解決了大視場探測需求與探測器小接收面積的矛盾問題，若完善該雷達樣機的MEMS掃描振鏡驅動系統、APD陣列探測器選通系統及數據處理系統，有望實現三維成像雷射雷達系統的搭建。