CN104714221B - 激光雷达系统回波能量动态范围的压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达系统回波能量动态范围的压缩方法。本发明尤其适用于双轴结构，通过在发射光轴与接收光轴之间设置一定的负夹角，降低重叠因子随探测距离增加的上升速率，有利于压缩激光回波能量的动态范围；此外，将探测器设置在接收光学系统焦平面后一定距离处，以获得最佳的激光回波能量响应。本发明通过理论分析和数值计算给出的经验性公式和结论，对激光雷达系统的整机设计和性能评估具有指导意义。

Description

激光雷达系统回波能量动态范围的压缩方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达系统回波能量动态范围的压缩方法。

背景技术

激光雷达是一种具有极高时空分辨率和测量精度的遥感设备，被广泛应用于在无人导航车、三维城市建模、地形勘测、大气探测等技术领域。为了增大激光雷达系统的测距范围，需要对预探测区域内的激光回波能量的动态范围进行压缩。目前在高速测量中，Reigl、Velodyne、Optech、北科天绘等国际知名激光雷达制造商均通过电路控制的方式来压缩激光回波能量动态范围，具有稳定性不足、串扰强、延迟高、工艺难度大等弊端，并且对优质进口芯片的依赖性极大。因此，高稳定性、低成本的光学方法成为了该项技术的新突破点。

1978年，J.Harms提出在共轴结构下设置中心遮挡有利于压缩激光回波能量的动态范围，并发现在双轴结构下激光回波能量的动态范围与双轴间隔、夹角有关；1994年，JinWang和Juha Kostamovaara初步探讨了发射和接收光学系统的成像位置对激光回波能量动态范围的影响，并指出在发射和接收光轴之间设置一定的正夹角有利于提高最远探测距离；2002年，Giorgos Chourdakis等人分析了接收光纤孔径和激光束M因子对激光回波能量动态范围的影响；2005年，Kamil Stelmaszczyk等人进一步分析了双轴之间的正夹角对激光回波能量动态范围的影响。针对压缩激光回波能量动态范围的关键方法，上述研究并没有给出明确的、定量的结论。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种激光雷达系统回波能量动态范围的压缩方法，具体技术方案如下：

一种激光雷达系统回波能量动态范围的压缩方法，在发射光轴与接收光轴中设置一定的负夹角Δυ，并将探测器设置在接收光学系统焦平面后一定距离处ΔL。

所述发射光轴与接收光轴之间的负夹角Δυ需满足：

其中，Z_max是最大可探测距离，是接收光学系统的半视场角，R_d是接收光学系统孔径，δ是入射激光的半发散角，R_t是发射光学系统孔径，d是发射光轴与接收光轴的距离。

所述探测器在接收光学系统焦平面后一定距离处ΔL需要满足：

其中，σ是调焦系数，f是接收光学系统焦距。

本发明具有以下优点和有益效果：

本发明经过理论分析和数值仿真发现，在双轴系统中，通过在发射光轴与接收光轴之间设置一定的负夹角，降低重叠因子随探测距离增加的上升速率，有利于压缩激光回波能量的动态范围；此外，将探测器设置在接收光学系统焦平面后一定距离处，以获得最佳的激光回波能量响应。本发明提出的方法具有效果好、简单实用、稳定性强等特点。

激光雷达的研究在国内尚处于起步阶段，类似的研究工作鲜有报道，本发明弥补了该技术领域的空白。

附图说明

图1双轴激光雷达系统架构图；

图2入射激光与接收视场的位置关系示意图；

图3激光回波能量算法原理图；

图4存在遮挡的接收入瞳孔径示意图；

图5实例1中双轴间负夹角变化时重叠因子与探测距离的关系图；

图6实例1中双轴间负夹角变化时激光回波能量与探测距离的关系图；

图7实例1中探测器的调焦量对激光回波动态范围和最远距离处归一化回波能量的关系图；

图8实例2中双轴间负夹角变化时重叠因子与探测距离的关系图；

图9实例2中双轴间负夹角变化时激光回波能量与探测距离的关系图；

图10实例2中探测器的调焦量对激光回波动态范围和最远距离处归一化回波能量的关系图。

具体实施方式

现通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步的解释。

图1为双轴激光雷达系统架构图，为了精确计算出激光回波能量需要考虑三点因素：

1.在近、中距离处存在重叠因子，入射激光无法完全落入接收光学系统视场内；

2.探测器通常放置于接收光学系统焦平面处，对远距离处的目标进行探测，受探测器尺寸和接收光学系统的焦距制约，近、中距离处的激光回波能量受光学失焦效应影响而损失；

3.较复杂的接收光学系统一般存有遮挡现象。

通过光线追迹的方法，首先需要对入射至目标面的激光强度进行采样，获取落入接收视场内的激光强度二维分布G_(i,j)(X,Y,Z)，并视为有效采样点；其次，计算每个有效采样点G_(i,j)(X,Y,Z)反射至探测器上的激光回波能量P_(i,j)(Z)，并进行求和以获取总能量P_d(Z)。

图2为入射激光与接收视场的位置关系示意图，其中深色阴影部分表示落入接收视场内激光能量，其强度二维分布G_(i,j)(X,Y,Z)为：

其中G(X,Y,Z)为任意激光强度二维分布，(X_d,Y_d,R_d)为接收光学系统的入瞳圆心坐标和半径，R为接收视场半径，为接收半视场角，P₀为入射激光峰值功率。通过定义n×n记录矩阵A_(i,j)(X,Y)判断G(X,Y,Z)是否落入接收视场半径R内：若是，则A_(i,j)(X,Y)为1；否则，A_(i,j)(X,Y)为0。

G(X,Y,Z)可以通过解析式来描述，以标准高斯光束为例，其强度二维分布为：

其中ω₀为束腰半径，λ为波长，δ为激光束发散半角，d为发射光轴与接收光轴的距离(共轴系统中d为0)，Δυ为发射光轴与接收光轴之间的夹角，C₀是常数且满足：

公式(3)使得入射激光束的总能量归一化成恒定值，不随探测距离发生变化。

为消除理想光源与真实光源的差异而引入的计算误差，G(X,Y,Z)还可以通过CCD相机等设备实测真实的激光光源来获取。

落入接收视场内的激光能量与入射激光总能量之比为重叠因子O(Z)：

重叠因子O(Z)与入射激光强度分布G(X,Y,Z)、探测距离Z、光轴距离d和夹角Δυ等因素相关，通常情况下随探测距离Z的增加而逐渐上升至1。

图3表示为激光回波能量算法原理图，图中任意复杂的接收光学系统可等效于薄透镜，其孔径即为入瞳(光学像差忽略不计)；探测器放置于透镜焦平面附近，其在物空间的所成实像为入窗。

有效采样点G_(i,j)(X,Y,Z)反射至探测器的激光回波能量需要通过接收光学系统的入瞳和入窗，如图3中的阴影包络部分，其表示采样点G_(i,j)(X,Y,Z)激光回波光束的有效立体角ψ_(i,j)(Z)，即为入瞳与入窗分别对应于采样点G_(i,j)(X,Y,Z)的立体角的交集。由投影关系可知，ψ_(i,j)(Z)为入瞳有效面积S_(i,j)(Z)与探测距离Z的平方之比，其中入瞳有效面积S_(i,j)(Z)为除去孔径遮挡部分外，入窗经采样点G_(i,j)(X,Y,Z)在入瞳处的投影与入瞳的重叠面积。

将探测器设置在接收光学系统焦平面后一定距离处ΔL，探测器经接收光学系统在物空间所成的实像即为入窗，则入窗位置L和半径r_w为：

其中f为接收光学系统的焦距，r_d为探测器的半径。

入窗经采样点G_(i,j)(X,Y,Z)在接收光学系统入瞳处的投影轮廓方程φ(_i,j)(X_w,Y_w,R_w)为：

其中(X_w,Y_w,R_w)为入窗投影的圆心坐标和半径。

图4表示为存在遮挡的接收入瞳孔径示意图，以存在中心圆形遮挡和边缘矩形遮挡为例，其中深色阴影部分为入瞳有效面积S_(i,j)(Z)：

其中(X_d,Y_d,R′_d)为中心遮挡部分的圆心坐标和半径，(X_s,Y_s)为边缘遮挡部分的坐标。通过定义m×m记录矩阵B_(i,j)(X,Y)辅助计算，若B_(i,j)(X,Y)在入瞳有效面积S_(i,j)(Z)内，则B_(i,j)(X,Y)为1；否则，B_(i,j)(X,Y)为0。

采样点G_(i,j)(X,Y,Z)激光回波光束的有效立体角ψ_(i,j)(Z)为：

若将探测目标视为朗伯面，点源向空间内规定方向上立体角内的辐射量与该方向与表面法线方向有关，因此在图2中需要考虑到采样点G_(i,j)(X,Y,Z)回波主光线与接收光轴的夹角γ_(i,j)(Z)：

由公式(1)、(7)和(8)得，采样点G_(i,j)(X,Y,Z)反射至探测器的激光回波能量P_(i,j)(Z)为：

其中，τ为单程大气透射率，ε为目标反射率，η₁为发射光学系统的透射率，η₂为接收光学系统的透射率，θ为发射光轴与目标面法线的夹角。

对落入接收视场内全部有效采样点G_(i,j)(X,Y,Z)的激光回波能量P_(i,j)(Z)进行求和，得到探测距离Z处的激光回波总能量P_d(Z)为：

P_d(Z)＝ΣP_(i,j)(Z) (11)

通过公式(4)、(10)和(11)可推断，激光回波总能量P_d(Z)主要由落入接收视场内的激光强度分布G_(i,j)(X,Y,Z)及其对应的光束有效立体角ψ_(i,j)(Z)所决定。

G_(i,j)(X,Y,Z)与入射激光束G(X,Y,Z)相对于接收视场R的空间坐标有关，并可通过重叠因子O(Z)来表示；当接收光学系统参数确定后，ψ_(i,j)(Z)仅由G_(i,j)(X,Y,Z)的空间坐标来决定。因此我们可以认为，通过调整重叠因子O(Z)可以改变P_d(Z)的最大值、最小值以及动态范围。

在双轴激光雷达系统中，双轴间隔d和夹角Δυ的存在，使得重叠因子随探测距离而变化。一般情况下，为了减少近距离处的探测盲区并有效控制系统尺寸，双轴激光雷达的发射与接收孔径之间存在一定的重叠。在此情况下，双轴距离d的可调余地较小，而双轴夹角Δυ成为改变重叠因子O(Z)变化趋势的主因。我们发现，当发射光轴与接收光轴之间存在一定的负夹角Δυ时，重叠因子O(Z)随探测距离增加的上升速率下降，激光回波能量的动态范围将得到明显的压缩。

需要说明的是，在具体的应用环境中，激光雷达系统需要对一定探测距离区间内的目标进行识别，因此负夹角Δυ的取值不是任意的，因为当Δυ过大时，在远距离目标探测时，入射激光束无法完全落入接收视场中，将严重制约激光雷达系统的最远可探测距离。激光雷达系统需要综合考虑激光回波能量的动态范围和最大可探测距离。从图1中可以看出，负夹角Δυ必须满足：

其中Z_max是最大可探测距离，R_L是发射光学系统半径，δ是入射激光的半发散角。

在针对百米或千米量级的小功率激光雷达系统中，为达到最佳的回波能量响应，对探测器的位置进行适度的调焦，使其位于接收光学系统焦平面后一定距离处，因此接收光学系统的入窗位置在有限远处而非无穷远。经数值计算发现，通过控制调焦量ΔL使得入窗位置位于最大探测距离Z_max的0.6～0.8倍距离处，有利于获得最佳的回波响应，因此ΔL需要满足：

其中σ是调焦系数。

具体实施例

通过实例1和实例2说明本发明提出的方法，实例1和实例2的光学参数如表1所示。

实施例1：

实例1中最大探测距离Z_max为150m，通过公式(12)解算出发射光轴与接收光轴之间负夹角Δυ的临界值为1.35mrad；通过公式(13)解算出探测器的调焦量为0.08mm至0.11mm，其对应的入窗位置在90m至120m之间。

图5为实例1中双轴间负夹角变化时重叠因子与探测距离的关系图，图6为实例1中双轴间负夹角变化时激光回波能量与探测距离的关系图。从图5和图6的对比中可见，在1m至150m的探测区域内，负夹角Δυ从0°逐渐增大至1.6mrad过程中，重叠因子O(Z)随探测距离增加的上升速率明显下降，激光回波能量的动态范围从49.5倍压缩至12.3倍。当Δυ超过临界值1.35mrad时，虽然动态范围仍有下降，但最远距离处的激光回波能量发生急剧衰减。因此，取负夹角Δυ的最优值为1.3mrad，此处激光回波能量动态范围为15.6倍(此时探测器位于接收光学系统的焦平面处)。图7为实例1中探测器的调焦量对激光回波动态范围和最远距离处归一化回波能量的关系图。从图7中可见，探测器的调焦量ΔL从0变化至0.12mm时，激光回波能量的动态范围呈现出平缓下降至极小值又急速上升的趋势，最远距离处的归一化回波能量呈现出平缓上升至极大值又急速下降的趋势。当ΔL取值范围在0.08mm至0.11mm内(对应的接收入窗位置为90m至120m)，激光回波能量动态范围从15.6倍进一步压缩至14.1倍，最远距离处的归一化回波能量达到最大值。

实施例2：

实例2中最大探测距离Z_max为500m，通过公式(12)解算出发射光轴与接收光轴之间负夹角Δυ的临界值为0.75mrad；通过公式(13)解算出探测器的调焦量为0.1mm至0.13mm，其对应的入窗位置在300m至400m之间。

图8为实例2中双轴间负夹角变化时重叠因子与探测距离的关系图，图9为实例2中双轴间负夹角变化时激光回波能量与探测距离的关系图。从图8和图9的对比中可见，在5m至500m的探测区域内，负夹角Δυ从0°逐渐增大至0.75mrad过程中，重叠因子O(Z)随探测距离增加的上升速率明显下降，激光回波能量的动态范围从67倍压缩至15.1倍。当Δυ超过临界值0.75mrad时，虽然动态范围仍有下降，但最远距离处的激光回波能量发生急剧衰减。因此，取负夹角Δυ的最优值为0.7mrad，此处激光回波能量动态范围为21.5倍(此时探测器位于接收光学系统的焦平面处)。图10为实例2中探测器的调焦量对激光回波动态范围和最远距离处归一化回波能量的关系图。从图10中可见，探测器的调焦量ΔL从0变化至0.15mm时，激光回波能量的动态范围呈现出平缓下降至极小值又急速上升的趋势，最远距离处的归一化回波能量呈现出平缓上升至极大值又急速下降的趋势。当ΔL取值范围在0.1mm至0.13mm内(对应的接收入窗位置为300m至400m)，激光回波能量动态范围从21.5倍进一步压缩至16.2倍，最远距离处的归一化回波能量达到最大值。

Claims (2)

1.一种激光雷达系统回波能量动态范围的压缩方法，其特征在于，在发射光轴与接收光轴中设置负夹角Δυ，并将探测器设置在接收光学系统焦平面后距离ΔL处；

所述发射光轴与接收光轴之间的负夹角Δυ满足：

其中，Z_max是最大可探测距离，是接收光学系统的半视场角，R_d是接收光学系统孔径，δ是入射激光的半发散角，R_t是发射光学系统孔径，d是发射光轴与接收光轴的距离。

2.根据权利要求1所述的一种激光雷达系统回波能量动态范围的压缩方法，其特征在于，所述探测器与接收光学系统焦平面后的距离ΔL满足：

$\mathrm{\Δ}L=\frac{{\mathrm{\σZ}}_{max}f}{Z_{max}-f}-f,\mathrm{\σ}\∈\[0.6,0.8\]$

其中，σ是调焦系数，f是接收光学系统焦距。