阅读说明：本技术 一种全固态形式的LiDAR传感系统 (All-solid-state LiDAR sensing system ) 是由 余崇圣 李梦 陈方圆 董子乐 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种全固态形式的LiDAR传感系统,包括：光束控制模块分别与激光调制模块和MEMS控制模块连接,激光调制模块与MEMS控制模块连接,MEMS控制模块与MEMS光束操纵传感器连接；光束控制模块与激光发射阵列控制模块连接,激光发射阵列控制模块与激光发射阵列模块连接,激光发射阵列模块与MEMS光束操纵传感器连接；光探测器与信号放大模块连接,信号放大模块与信号处理与控制模块连接,信号处理与控制模块与识别显示模块连接。本发明提供的LiDAR传感系统稳定性高、体积小、功耗低,具有更好的角度分辨率。(The invention discloses an all-solid-state LiDAR sensing system, comprising: the beam control module is respectively connected with the laser modulation module and the MEMS control module, the laser modulation module is connected with the MEMS control module, and the MEMS control module is connected with the MEMS beam control sensor; the beam control module is connected with the laser emission array control module, the laser emission array control module is connected with the laser emission array module, and the laser emission array module is connected with the MEMS beam control sensor; the optical detector is connected with the signal amplification module, the signal amplification module is connected with the signal processing and control module, and the signal processing and control module is connected with the identification display module. The LiDAR sensing system provided by the invention has the advantages of high stability, small volume, low power consumption and better angular resolution.)

一种全固态形式的LiDAR传感系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种全固态形式的LiDAR传感系统。

背景技术

近年来激光雷达应用领域广泛，在智能机器人、三维建模、无人驾驶等领域发挥重要作用。目前现有的激光雷达传感器技术按有无机械旋转部件，主要分为电机机械旋转式激光雷达、MEMS微振镜技术混合固态激光雷达和OPA光相控阵激光雷达。机械激光雷达带有控制激光发射角度的旋转部件，比如电机，混合固态激光雷达通过MEMS工艺将器件旋转的部分集成到微振镜芯片，而固态激光雷达则依靠电子部件来控制激光发射角度，无需机械或者微振镜部件。在目前无论是机械式还是固态技术，现有技术的激光雷达系统体积大、功耗大、可靠性差、成本高、工作温度范围小以及难以过车规级认证等，直接制约了激光雷达技术的应用推广。

发明内容

针对现有的激光雷达系统体积大、功耗大、可靠性差、成本高、工作温度范围小以及难以过车规级认证，本发明提出了一种全固态形式的LiDAR传感系统。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种全固态形式的LiDAR传感系统，包括光束控制模块、激光调制模块、MEMS控制模块、激光发射阵列控制模块、激光发射阵列模块、MEMS光束操纵传感器、光探测器、信号放大模块、信号处理与控制模块和识别显示模块；所述光束控制模块分别与所述激光调制模块和所述MEMS控制模块连接，所述激光调制模块与所述MEMS控制模块连接，所述MEMS控制模块与所述MEMS光束操纵传感器连接；所述光束控制模块与所述激光发射阵列控制模块连接，所述激光发射阵列控制模块与所述激光发射阵列模块连接，所述激光发射阵列模块与所述MEMS光束操纵传感器连接；所述光探测器与所述信号放大模块连接，所述信号放大模块与所述信号处理与控制模块连接，所述信号处理与控制模块与所述识别显示模块连接。

优选的，大组件包括主放大器和前置放大器；所述光探测器与所述前置放大器连接，所述前置放大器与所述主放大器连接，所述主放大器与所述信号处理与控制模块连接。

优选的，所述MEMS光束操纵传感器包括弹簧式MEMS悬臂结构、可调谐光栅和光耦合波导锥；所述弹簧式MEMS悬臂结构上设有MEMS梳状驱动器；所述可调谐光栅的一端与所述MEMS梳状驱动器连接，另一端与所述光耦合波导锥连接。

优选的，所述弹簧式MEMS悬臂结构上设有MEMS悬浮式结构；所述MEMS悬浮式结构包括石墨烯层、二氧化硅层和硅层，所述二氧化硅层依附在在所述硅层上，所述石墨烯层依附在所述二氧化硅层上；对所述石墨烯层图形化，使石墨烯层形成电极板；所述MEMS梳状驱动器通过所述电极板对所述弹簧式MEMS悬臂结构进行拉伸。

优选的，所述硅层厚度为220nm；所述二氧化硅层厚度为2um；所述石墨烯层厚度小于等于1nm。

优选的，所述激光发射阵列模块包括905nm、1550nm或垂直腔面发射激光器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中光束控制模块通过MEMS控制模块控制MEMS光束操纵传感器调制激光光束出射角度，经过调制后的光束到达目标探测物，反射回来被光探测器检测，然后被放大和处理，多次测量后最终在识别显示模块上显示三维实景图像；

本发明MEMS光束操纵传感器取代了传统的旋转电机或者MEMS微振镜结构，避免了传统技术方案的器件寿命短、扫描角度小的缺点，本发明方案可靠性、稳定性高，体积小，功耗低和成本低；

本发明采用包含石墨烯材料的MEMS悬浮式结构，提高了微电子机械结构对光束操纵的灵敏度和可靠性，从而提高了器件寿命以及提供更好的激光雷达传感的角度分辨率。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的全部优点。

附图说明

图1为本发明一种全固态形式的LiDAR传感系统的结构图；

图2为本发明中MEMS光束操纵传感器的结构图；

图3为本发明中MEMS悬浮式结构的示意图。

图中，1-光束控制模块；2-激光调制模块；3-MEMS控制模块；4-激光发射阵列控制模块；5-激光发射阵列模块；6-MEMS光束操纵传感器；7-光探测器；8-信号放大模块；9-信号处理与控制模块；10-识别显示模块；11-目标探测物；61-弹簧式MEMS悬臂结构；62-可调谐光栅；63-光耦合波导锥；81-前置放大器；82-主放大器；611-MEMS梳状驱动器；612-MEMS悬浮式结构；6121-石墨烯层；6122-二氧化硅层；6123-硅层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参考图1，一种全固态形式的LiDAR传感系统，包括光束控制模块1、激光调制模块2、MEMS控制模块3、激光发射阵列控制模块4、激光发射阵列模块5、MEMS光束操纵传感器6、光探测器7、信号放大模块8、信号处理与控制模块9和识别显示模块10；光束控制模块1分别与激光调制模块2和MEMS控制模块3连接，激光调制模块2与MEMS控制模块3连接，MEMS控制模块3与MEMS光束操纵传感器6连接；光束控制模块1与激光发射阵列控制模块4连接，激光发射阵列控制模块4与激光发射阵列模块5连接，激光发射阵列模块5与MEMS光束操纵传感器6连接；光探测器7与信号放大模块8连接，信号放大模块8与信号处理与控制模块9连接，信号处理与控制模块9与识别显示模块10连接。

本实施例中，光束控制模块1通过激光发射阵列控制模块4控制激光发射阵列模块5发射激光，光束控制模块1唤醒MEMS控制模块3，然后通过激光调制模块2控制MEMS控制模块3输出电压，通过电压控制MEMS光束操纵传感器6调制激光，MEMS光束操纵传感器6调制激光出射方向，经过调制后的光束到达目标探测物11，反射回来，经过光探测器7接收光束信号，转换成电信号，然后经过信号放大模块8将电信号进行放大，经过信号处理与控制模块9对电信号进行处理并控制其以图像的形式在识别显示模块10上显示。本发明可以通过MEMS光束操纵传感器6调制激光出射方向，在一致测量点位的情况下获取周围的三维实景。

在一个实施例中，信号放大模块8包括主放大器82和前置放大器81；光探测器7与前置放大器81连接，前置放大器81与主放大器82连接，主放大器82与信号处理与控制模块9连接。

本实施例中，光探测器7将检测到的光信号转成电信号，前置放大器81对该电信号进行预处理，在确保不失真的情况下进行初步放大，然后再由主放大器82进行再次放大，最终该电信号由信号处理与控制模块9进行处理并控制其以图像的形式在识别模块上显示。

参考图2，MEMS光束操纵传感器6包括弹簧式MEMS悬臂结构61、可调谐光栅62和光耦合波导锥63；弹簧式MEMS悬臂结构61上设有MEMS梳状驱动器611；可调谐光栅62的一端与MEMS梳状驱动器611连接，另一端与光耦合波导锥63连接。

本实施例中，当MEMS梳状驱动器611将电压加载在弹簧式MEMS悬臂结构61上时，弹簧式MEMS悬臂结构61发生形变拉伸，从而改变可调谐光栅62的光栅齿之间的间距，从而导致可调谐光栅62的平面外角光线发射角度的变化，即实现了光束操纵。

参考图3，弹簧式MEMS悬臂结构61上设有MEMS悬浮式结构612；MEMS悬浮式结构612包括石墨烯层6121、二氧化硅层6122和硅层6123，二氧化硅层6122依附在在硅层6123上，石墨烯层6121依附在二氧化硅层6122上；对石墨烯层6121图形化，使石墨烯层6121形成电极板；MEMS梳状驱动器611通过电极板对弹簧式MEMS悬臂结构61进行拉伸。

本实施例中，MEMS悬浮式结构612在弹簧式MEMS悬臂结构61上形成正负的电极板，MEMS梳状驱动器611通过将电压加载在正负电极板上，从而导致弹簧式MEMS悬臂结构61发生形变拉伸，因此改变可调谐光栅62大小变化，实现光束操纵。

MEMS悬浮式结构612的工艺过程为：

步骤一：在2um二氧化硅层6122表面无损转移单层石墨烯薄膜，形成石墨烯层6121；

步骤二：用250nm的深紫外波段曝光石墨烯层6121，完成石墨烯层6121微纳结构的图形化；

步骤三：利用两个电子束光刻细化硅刻蚀方法，将硅层6123材料图形化，然后再使用浓度为50％的氢氟酸水溶液和临界点干燥将二氧化硅层6122蚀刻成MEMS悬浮式结构612。

在一个实施例中，硅层6123厚度为220nm；二氧化硅层6122厚度为2um；石墨烯层6121厚度小于等于1nm。

在一个实施例中，激光发射阵列模块5包括905nm、1550nm或垂直腔面发射激光器。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。