CN102230962A - 激光雷达的同轴发射与接收系统及该系统的同轴调整方法 - Google Patents

Abstract

激光雷达的同轴发射与接收系统及该系统的同轴调整方法，属于激光雷达技术领域。它解决了激光雷达收发光路的同轴调整周期较长的问题。激光雷达的同轴发射与接收系统，它由激光器、发射望远镜、第一反射镜、第二反射镜、接收望远镜、凹透镜、凸透镜、分束片、光纤、CCD摄像机、计算机和电机转动控制系统组成；基于该系统的同轴调整方法为：调节接收望远镜的视野清晰度；当接收望远镜接收背景光时，获取CCD摄像机采集到的标准质心位置；运行激光器，实时计算CCD摄像机采集到的图像的实时质心位置，计算两质心位置的偏差，控制第一反射镜的俯仰和方位，使偏差达到误差容限值，实现同轴调整。本发明适用于激光雷达的收发系统的同轴调整。

Description

激光雷达的同轴发射与接收系统及该系统的同轴调整方法

技术领域

本发明涉及一种激光雷达的同轴发射与接收系统及该系统的同轴调整方法，属于激光雷达技术领域。

背景技术

随着激光雷达技术在大气参数及大气污染检测等方面发挥的越来越重要的作用，对它的研究也越来越受到国内外的重视。在激光雷达系统中，发射系统和接收系统的光学同轴性是一个必须解决的难题。在实际的应用过程中，环境因素的变化、激光器模式的改变以及机械振动都会引起其光轴的偏离，从而会导致大量的测量信号无效，给信号的测量带来误差，且这种误差具有一定的隐蔽性，需要对测量数据进行详细的分析处理才能发现。因此，在每次使用激光雷达进行测量之前，都必须进行收发光路的同轴调整，以保证接收视场角与发射激光的发散角严格匹配。

目前对激光雷达进行收发光路的同轴调整主要通过两种方式：第一种方式是：由熟练的高级技术人员借助于精密光学调整支架和水平仪器，进行精细的调整操作，这种方法具有很强的主观性，比较费时繁琐，难度较大，并且准确性差；另一种方式如文献“激光雷达光束自动准直系统设计与实现，中国激光，2009年9月第36卷第9期第2341-2345页”所述的调整方法，它通过控制激光发射导向镜的位置，使激光在东西和南北方向扫描调节：当发射与接收系统的光轴平行时，激光雷达接收到空中各高度上的大气后向散射信号最强，从而控制其中一电机转动，来改变激光发射指向扫描，直到完成一个完整梯形，对选定高度的回波信号强度进行分析与比较，找到此方向上最佳位置，并将此电机移至此位置后再换另一电机重复此过程，如此直到找到系统最佳位置。这种方法存在的缺陷是：调整周期较长，一般在10到20分钟，且不够直观。

发明内容

本发明的目的是为了解决激光雷达收发光路的同轴调整周期较长的问题，提供一种激光雷达的同轴发射与接收系统及该系统的同轴调整方法。

本发明包括以下两个技术方案：

一种激光雷达的同轴发射与接收系统，它由激光器、发射望远镜、第一反射镜、第二反射镜、接收望远镜、凹透镜、凸透镜、分束片、光纤、CCD摄像机、计算机和电机转动控制系统组成，

激光器产生的激光束通过发射望远镜扩束准直后，经过第一反射镜和第二反射镜反射后进入大气，进入大气的激光束的回波信号由接收望远镜接收，该接收望远镜的出射光束经凹透镜转换成平行光入射至凸透镜，经该凸透镜聚集后的汇聚光束经分束片透射后聚焦至光纤的入射端，该汇聚光束经所述分束片反射后的反射光经滤波片滤波后输入到CCD摄像机的光接收面上，CCD摄像机的图像信号输出端连接计算机的数据采集卡的图像信号输入端，计算机的控制信号输出端连接电机转动控制系统的控制信号输入端，电机转动控制系统的控制信号输出端用于控制第一反射镜的俯仰和方位；

所述激光器产生的激光束的光轴与接收望远镜的中心轴平行；第二反射镜的外轮廓小于接收望远镜副镜的外轮廓。

一种基于所述激光雷达的同轴发射与接收系统的同轴调整方法，它包括以下步骤：

步骤一：调节接收望远镜的视野清晰度；

步骤二：当接收望远镜接收背景光时，获取CCD摄像机采集到的图像的质心位置，并将该质心位置作为标准质心位置；

步骤三：运行激光器，并通过计算机实时计算CCD摄像机采集到的图像的实时质心位置，再计算实时质心位置与标准质心位置的偏差，计算机根据该偏差控制第一反射镜的俯仰和方位，使所述偏差达到误差容限值，实现同轴调整。

本发明的优点是：本发明通过电机转动控制系统控制电机转动，进而带动第一反射镜在俯仰和方位上的转动，实现发射与接收系统同轴的自动调整；本发明通过CCD摄像机和数据采集卡实现图像的采集，使调整过程简单直观；分束片的使用，使激光雷达能够在工作的同时实现对收发系统同轴性的监控，以保证在装置运行的过程中由于震动等因素而导致的光轴偏离能够得到及时的调整；本发明通过采集图像的实时质心位置与标准质心位置来判断发射与接收系统的光轴偏差，通过计算机预置的程序实现自动控制，调整周期较短，在1分钟内即可实现光轴的同轴调整。本发明装置的结构简单，易于安装调试。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为激光器未运行时CCD摄像机采集到的图像；

图4为激光雷达的同轴发射与接收系统在非同轴情况下，CCD摄像机采集到的图像；

图5为激光雷达的同轴发射与接收系统在同轴情况下，CCD摄像机采集到的图像。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式为一种激光雷达的同轴发射与接收系统，它由激光器1、发射望远镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、接收望远镜5、凹透镜6、凸透镜7、分束片8、光纤9、CCD摄像机10、计算机11和电机转动控制系统12组成，

激光器1产生的激光束通过发射望远镜2扩束准直后，经过第一反射镜3和第二反射镜4反射后进入大气，进入大气的激光束的回波信号由接收望远镜5接收，该接收望远镜5的出射光束经凹透镜6转换成平行光入射至凸透镜7，经该凸透镜7聚集后的汇聚光束经分束片8透射后聚焦至光纤9的入射端，该汇聚光束经所述分束片8反射后的反射光经滤波片滤波后输入到CCD摄像机10的光接收面上，CCD摄像机10的图像信号输出端连接计算机11的数据采集卡的图像信号输入端，计算机11的控制信号输出端连接电机转动控制系统12的控制信号输入端，电机转动控制系统12的控制信号输出端用于控制第一反射镜3的俯仰和方位；

所述激光器1产生的激光束的光轴与接收望远镜5的中心轴平行；第二反射镜4的外轮廓小于接收望远镜5副镜的外轮廓。

本实施方式中，凹透镜6能够使光束趋近于平行出射；分束片8可采用镀膜分束片，它的作用是将聚焦回波信号分成两束，将主要的一束回波信号进行投射，然后经光纤头耦合入光纤9后，传输至雷达信号处理系统进行后续的雷达信号处理，将小部分回波信号反射给CCD摄像机10，数据采集卡采集图像信号后，由计算机11进行分析判断，再通过计算机11软件编程控制输出，从而驱动电机转动控制系统12实现对第一反射镜3的控制，第一反射镜3可固定于电机的输出轴上。凹透镜6和凸透镜7的组合实现了对回波信号的聚焦。所述计算机11可采用PID控制算法通过电机转动控制系统12实现对第一反射镜3的控制。

第二反射镜4的尺寸可根据出射光束的光斑大小确定，接收望远镜5的通光口径可选择为40cm，进入大气的激光束的回波信号经接收望远镜5接收后，由于第二反射镜4及接收望远镜5副镜的遮挡，在CCD摄像机10上所呈图像为环形，如图3所示。

第二反射镜4的外轮廓小于接收望远镜5副镜的外轮廓，使回波遮拦比主要由接收望远镜5副镜产生，而与第二反射镜4无关。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，第二反射镜4的反射面与接收望远镜5的中心轴呈45度夹角，且该接收望远镜5的中心轴通过所述第二反射镜4的中心。其它与实施方式一相同。

第二反射镜4为固定反射镜，它在整个同轴调整过程中不发生转动。结合图1中第一反射镜3的放置方式，将第二反射镜4的反射面与接收望远镜5的中心轴呈45度夹角放置，可有效的减少光学同轴调整所需时间。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述接收望远镜5为卡塞格伦式，接收望远镜5副镜与第二反射镜4均为圆形，第二反射镜4的直径小于接收望远镜5副镜的直径。其它与实施方式一或二相同。

所述第二反射镜4的通光尺寸应略大于激光器1产生的激光束的光斑大小。

具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为一种基于实施方式一、二或三所述激光雷达的同轴发射与接收系统的同轴调整方法，它包括以下步骤：

步骤一：调节接收望远镜5的视野清晰度；

步骤二：当接收望远镜5接收背景光时，获取CCD摄像机10采集到的图像的质心位置，并将该质心位置作为标准质心位置；

步骤三：运行激光器1，并通过计算机11实时计算CCD摄像机10采集到的图像的实时质心位置，再计算实时质心位置与标准质心位置的偏差，计算机11根据该偏差控制第一反射镜3的俯仰和方位，使所述偏差达到误差容限值，实现同轴调整。

本实施方式所述的调整方法在进行前，需要先调整好各光学元件的状态。要保证接收望远镜5的观察视野最为清晰。

本发明方法将实时质心位置与标准质心位置的偏差作为判断依据，经过调整使激光雷达的同轴发射与接收系统的光轴趋向一致，循环进行采集并分析判断，直至收发系统同轴。

具体实施方式五：下面结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四的进一步说明，所述步骤二中CCD摄像机10采集到的图像的标准质心位置的获取方法为：

首先将CCD摄像机10输入端光路上的滤波片移开，使接收望远镜5接收背景光，计算机11根据接收到的CCD摄像机10输出的图像，计算得出CCD摄像机10采集到的图像的标准质心位置。其它与实施方式四相同。

当激光器1未运行，CCD摄像机10前没有滤波片时，接收望远镜5能够接收到背景光，进而在CCD摄像机10上成像，由于接收望远镜5副镜的遮挡，此时CCD摄像机10采集到的图像为一环形，如图3所示，可经计算得出CCD摄像机10采集到的图像的标准质心位置，并以此标准质心位置为检验标准。当激光器1开始运行后，在CCD摄像机10前加上滤波片，此时，CCD摄像机10仅能接收到回波信号光，从而采集到回波信号的数据图像，计算实时质心位置与标准质心位置的偏差，编写程序通过计算机11驱动电机转动控制系统12，实现对第一反射镜3在俯仰和方位上的转动，使偏差逐渐减小直至在误差允许的范围之内；另外，当发射与接收系统的光轴相差较大时，CCD摄像机10采集到的图像会呈现不规则的形状，使同轴调整更加直观。

发射与接收系统在非同轴和同轴情况下CCD摄像机10所能摄取的图像分别如图4和图5所示。

Claims (5)

1.一种激光雷达的同轴发射与接收系统，其特征在于：它由激光器(1)、发射望远镜(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、接收望远镜(5)、凹透镜(6)、凸透镜(7)、分束片(8)、光纤(9)、CCD摄像机(10)、计算机(11)和电机转动控制系统(12)组成，

激光器(1)产生的激光束通过发射望远镜(2)扩束准直后，经过第一反射镜(3)和第二反射镜(4)反射后进入大气，进入大气的激光束的回波信号由接收望远镜(5)接收，该接收望远镜(5)的出射光束经凹透镜(6)转换成平行光入射至凸透镜(7)，经该凸透镜(7)聚集后的汇聚光束经分束片(8)透射后聚焦至光纤(9)的入射端，该汇聚光束经所述分束片(8)反射后的反射光经滤波片滤波后输入到CCD摄像机(10)的光接收面上，CCD摄像机(10)的图像信号输出端连接计算机(11)的数据采集卡的图像信号输入端，计算机(11)的控制信号输出端连接电机转动控制系统(12)的控制信号输入端，电机转动控制系统(12)的控制信号输出端用于控制第一反射镜(3)的俯仰和方位；

所述激光器(1)产生的激光束的光轴与接收望远镜(5)的中心轴平行；第二反射镜(4)的外轮廓小于接收望远镜(5)副镜的外轮廓。

2.根据权利要求1所述的激光雷达的同轴发射与接收系统，其特征在于：第二反射镜(4)的反射面与接收望远镜(5)的中心轴呈45度夹角，且该接收望远镜(5)的中心轴通过所述第二反射镜(4)的中心。

3.根据权利要求1或2所述的激光雷达的同轴发射与接收系统，其特征在于：所述接收望远镜(5)为卡塞格伦式，接收望远镜(5)副镜与第二反射镜(4)均为圆形，第二反射镜(4)的直径小于接收望远镜(5)副镜的直径。

4.一种基于权利要求1所述激光雷达的同轴发射与接收系统的同轴调整方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：调节接收望远镜(5)的视野清晰度；

步骤二：当接收望远镜(5)接收背景光时，获取CCD摄像机(10)采集到的图像的质心位置，并将该质心位置作为标准质心位置；

步骤三：运行激光器(1)，并通过计算机(11)实时计算CCD摄像机(10)采集到的图像的实时质心位置，再计算实时质心位置与标准质心位置的偏差，计算机(11)根据该偏差控制第一反射镜(3)的俯仰和方位，使所述偏差达到误差容限值，实现同轴调整。

5.根据权利要求4所述的激光雷达的同轴发射与接收系统的同轴调整方法，其特征在于：所述步骤二中CCD摄像机(10)采集到的图像的标准质心位置的获取方法为：

首先将CCD摄像机(10)输入端光路上的滤波片移开，使接收望远镜(5)接收背景光，计算机(11)根据接收到的CCD摄像机(10)输出的图像，计算得出CCD摄像机(10)采集到的图像的标准质心位置。

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