[发明专利]用于激光雷达的扫描系统

说明书

相关申请的交叉引用

本发明要求2006年10月30日提交的美国专利申请号60/855,146的优先权，该申请在这里通过引用被并入。 

技术领域

本发明涉及扫描系统，尤其是涉及用于激光雷达(lidar)的扫描系统。 

发明背景

光探测和测距(lidar)是用于遥感成像的技术，其中使用激光测量物体的距离。激光雷达系统通常包括测距仪和扫描系统。测距仪一般包括具有在紫外(UV)到近红外(NIR)范围内的波长的激光器以及接收器。通过测量激光的出射脉冲被反射回到接收器中所花费的时间，或通过测量出射和入射的调制激光束之间的相移，可确定到物体的距离。扫描系统一般包括反射镜系统，该反射镜系统用于通过反射出射和入射激光来在待成像的区域上扫描激光雷达系统的视场。 

在诸如自主车辆操作、防止碰撞和监视的应用中，为了通过激光雷达令人满意地使静止和移动的物体成像，以高重复率的精确扫描是必要的。例如，甚至对于以5Hz的帧率的144线的相对适中的图像分辨率，也必须采集每秒720线。因此，希望有能够以高角速度精确地实现扫描图样的反射镜系统。 

在传统上，两种主要类型的反射镜系统应用在用于激光雷达的扫描系统中，即，俯垂反射镜(nodding-mirror)系统和多面体反射镜(polygonal-mirror)系统。俯垂反射镜系统包括俯垂反射镜，其一般是顺时针和逆时针全程地旋转一个角域的平面反射镜。多面体反射镜系统包括多面体反射镜，其为被成形为规则多面体的具有小面(facet)的反射镜。多面体反射镜可按顺时针或逆时针全程地被旋转360°。 

俯垂反射镜系统提供了优点，即，假定俯垂反射镜足够大，俯垂反射镜在收集被反射到测距仪中的光时的效率(此后称为收集效率)在整个角域内是接近完美的。相 反，收集效率在多面体反射镜的所有角位置上不是一致的。当来自测距仪的出射光接近多面体反射镜的小面的边缘时，收集效率下降到50％。而且，由于制造误差，多面体反射镜的尺寸可能偏离规则多面体的尺寸，导致图像失真。 

然而，多面体反射镜系统提供了优点，即，一旦多面体反射镜被设置在旋转中，必须完全维持多面体反射镜的角速度。相反，当俯垂反射镜到达角域的末尾时，必须周期性地停止和反转俯垂反射镜的旋转。因此，俯垂反射镜在可被全程地旋转过扫描图样的角速度一般低于多面体反射镜在对应情况下的角速度。 

在传统扫描图样中，俯垂反射镜在一个方向上以恒定的角速度被全程地旋转一个角域，并接着在相反的方向上被尽可能快地旋转到角域的起始处。在扫描图样的分割期间，其中俯垂反射镜返回到角域的起始处，有用的数据没有被收集到测距仪中。为了最佳地实现这样的扫描图样，俯垂反射镜应理想地能够以高角速度旋转，并能够承受快的角加速度。 

具有各种配置的俯垂反射镜系统在用于激光雷达的扫描系统中被实现，但这些传统的俯垂反射镜系统有一些重要的局限性。 

在这样的俯垂反射镜系统中，不同类型的旋转驱动机构被用于使俯垂反射镜旋转。例如在Krawczyk等人的美国专利号5,337,189和Sullivan等人的美国专利号6,650,402中公开了包括步进电机的俯垂反射镜系统。然而，这些俯垂反射镜系统有缺点，即，步进电机的齿轮机构引入齿隙，限制了俯垂反射镜的旋转的精确度和角速度。例如在Cameron等人的美国专利号5,006,721、Land的美国专利号7,135,672和Kacyra等人的美国专利号7,215,430中公开了包括检流计电机的俯垂反射镜系统。然而，这些俯垂反射镜系统有缺点，即，检流计电机提供相对低的扭矩，限制了可被旋转的俯垂反射镜的尺寸。 

这样的俯垂反射镜也可包括用于确定俯垂反射镜的角位置的不同类型的探测器。例如在Karning等人的美国专利号4,810,088和Minor的美国专利号6,262,800中公开了包括角位置传感器的俯垂反射镜系统。例如在Kaman等人的美国专利号5,231,401、Jackson等人的美国专利号6,107,770和Kacyra等人的美国专利号7,215,430中公开了包括旋转编码器的俯垂反射镜系统。这样的探测器的输出信号一般用作对用于控制旋转驱动机构的控制电路的反馈。闭环反馈控制的效率被探测器的精确度和分辨率所限制。 

发明内容