近年来随着室内机器人、无人驾驶的兴起,定位于消费级市场的激光雷达产品已经凸显出广阔的应用前景。目前,消费级三维激光雷达的主流技术路线为机械式三维激光雷达,该技术已经非常成熟。但是这种类型的三维激光雷达系统光机结构十分复杂,装配难度极大,难以实现大规模量产。此外,为了获得更高密度激光点云往往要增加激光脉冲二极管和APD探测器的数量,而这会引起核心IC芯片数量的提升,导致整体成本居高不下。本文主要围绕低成本、小型化三维激光雷达系统的设计要求,提出一种基于二维MEMS微镜扫描的激光雷达样机设计方案。首先在激光发射端完成了脉冲激光二极管的选型及其驱动电路设计,并在光学设计上采用光纤耦合再准直的方案并进行光学仿真论证,对激光束进行整形,使其发散角以及光斑大小均满足设计指标。然后在激光接收端对跨阻放大电路、电压放大电路以及电压比较器电路进行了电路仿真并验证,实现了对目标反射回来的激光发射端激光脉冲序列信息的有效接收。最后在MEMS微镜扫描端选择工作模式为二维准静态扫描的MEMS微镜,并对微镜反射扫描特性进行了相关理论分析以及仿真,让激光脉冲序列发射与MEMS微镜二维准静态扫描同步,实现了MEMS三维激光雷达样机的测距并显示。最后,本文对所设计的三维激光雷达系统进行测试,测试结果表明该系统测距范围5m,测距精度为±3cm,扫描视场为20°×20°,分辨率为0.4°×1°,帧频5Hz。本文的主要研究成果和创新点归纳如下:(1)通过对MEMS微镜物理模型进行理论建模,分析了准静态MEMS微镜的扫描特性。针对传统滑膜控制算法输入和输出过程中产生的抖振现象,提出了一种新型滑膜闭环控制算法并进行仿真验证。结果表明在存在模型不确定性以及外部干扰下,该方法无论是在输出轨迹跟踪还是控制输入上,均能减少传统滑模控制算法引起的抖振并提高扫描精度。(2)在对几种常见激光雷达测距方法分析基础上,提出并验证了一种新型的脉冲Barker编码相关测距算法,该算法采用新型的双极性参考序列。该双极性脉冲编码技术在经过相关计算后会产生较低的旁瓣,与传统的单极性脉冲编码技术相比,可以产生更好的相关性。此外其对障碍物表面反射率变化不敏感,以及拥有很强的抗干扰能力。(3)基于激光雷达相关设计理论,提出了一种低成本小型化MEMS三维激光雷达样机实现方案,该种方案采用直接探测测距机制,在光路设计上采用非同轴光路设计,使用MEMS微镜扫描视场配合单一收发,可以最大限度的减少激光脉冲二极管和APD探测器的数量,降低系统成本、尺寸以及带宽要求。在此基础上搭建了一台小型化MEMS三维激光雷达样机,整体尺寸为14×12×8.3cm,为MEMS微镜三维激光雷达的设计提供了理论基础,并对其产业化具有实际的参考意义。