CN105510899B - 一种激光雷达同轴检测系统及其自动校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光楔的激光雷达同轴检测系统及其自动校准方法，包括工控机、激光器、扩束镜(1)、双光楔调节器(2)、45°平面反射镜(3)、45°平面反射棱镜(4)、角反器(5)、接收望远镜(6)、小孔光阑(7)、准直镜(8)及CCD相机；激光器在工控机的控制下发射一定能量的激光光束，依次经过扩束镜、双光楔调节器、45°平面反射镜和45°平面反射棱镜后，经过角反器反射的光束信号经过接收望远镜聚焦到小孔光阑处，再经过准直镜后被CCD相机所接收。采用靶标标定并被CCD所接收并通过公式算出偏转角度值，反馈到电脑来控制双光楔调节器进行角度调节。本发明不仅方便、不受外界环境影响，而且利用数字化技术屏蔽人为误差，能够获得较高的精度。

Description

一种激光雷达同轴检测系统及其自动校准方法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种激光雷达同轴检测系统及自动校准方法，该系统根据CCD接收的光轴角度值进行分析，并控制双光楔调节器的旋转角度，达到自动校准的目的。

背景技术

激光雷达系统可以实时对大气气溶胶后向散射系数、大气消光系数、大气颗粒物质量浓度、大气边界层高度等参数在线立体监测，随着我国对环境污染的重视，激光雷达在开展大气科学、大气气候学以及大气环境科学领域中发挥着越来越重要的作用。目前激光雷达系统多数采用发射与接收装置同轴的方法，其系统主要包括发射光学系统、接收光学系统、后继光学系统及控制系统组成。

然而雷达在使用过程中由于震动倾斜以及使用环境因素变化等都将导致测量信号的损失，从而导致仪器测量的准确性达不到测量精度的要求。影响雷达系统测量精度的直接因素就是发射光学系统与接收光学系统的同轴度。因此，在每次使用激光雷达进行测量之前以及在使用过程中产生信号偏移，都必须进行收发光路的同轴调整，以保证仪器测量信号的准确性。

现在对于同轴的调节方法中多是技术人员借助精密的光学仪器进精细的调整操作，这种方法的人为误差及准确性较差。鉴于上述原因，寻找一种方便、不受外界环境影响，利用数字化技术屏蔽人为误差，获得较高精度的校准方法是非常有意义的研究。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明采用靶标标定并被CCD所接收并通过公式算出偏转角度值，反馈到电脑来控制双光楔调节器进行角度调节。双光楔调节器利用串行通信对细分驱动马达进行控制，同时为了达到更高的稳定性要求，我们在驱动机构上安装圆同步驱动器，达到精确标定双光楔调节器的调节角度。

本发明采用的技术方案为：一种基于双光楔的激光雷达同轴检测系统，包括工控机、激光器、扩束镜、双光楔调节器、45°平面反射镜、45°平面反射棱镜、角反器、接收望远镜、小孔光阑、准直镜及CCD相机；激光器在工控机的控制下发射一定能量的激光光束，首先经过扩束镜、双光楔调节器、45°平面反射镜和45°平面反射棱镜后经过角反器反射的光束信号经过接收望远镜聚焦到小孔光阑处，再经过准直镜后被CCD相机所接收。

其中，所述的双光楔调节器包括前光楔和后光楔。

其中，双光楔调节器利用串行通信对细分驱动马达进行控制。

其中，该激光雷达自动检测系统，当信号质量达到可调节的限度时，角反器及CCD相机会自动调转到光路系统中。

其中，根据CCD相机反馈的图像信息可根据控制软件自动算出双光楔调节器的双光楔的调整角度。

另外，本发明还提供基于双光楔的激光雷达同轴检测系统的自动校准方法，该自动校准方法步骤为：在使用过程中如果发现信号质量下降，此时调节激光器发射的激光能量，避免造成后继光学中的减偏棱镜收到损伤，由工控机来控制旋转角反射器和CCD相机使之旋转到接收光学系统的中心处，同时工控机控制使激光器前面的靶标位于光轴中心处，打开CCD相机并接收此时靶标图像，读取CCD相机中的横坐标与纵坐标的偏移量ΔX和ΔY的值，通过计算得出双光楔调节器的前光楔与后光楔的旋转角度值，完成光轴的精确调整。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用自动监控数据软件，在信号质量下降时会自动弹出需要控制的调整页面进行人为远程操作调节；

(2)本发明利用前后双光楔进行同轴度调节，两光楔主截面平行且反向放置，达成总的旋转角度值为两个光楔旋转角度之差，这样可以采用差分的方法来达到提高精度的目的；

(3)为了达到双光楔调节器的目的，本发明采用串行通信对细分驱动马达进行控制；

(4)本发明提供了一套调节角度的操作系统，可以根据CCD相机反馈的图像信息对双光楔的两个面旋转角度值进行控制。

附图说明

图1为本发明激光雷达同轴检测系统光路图，其中，1为扩束镜；2为双光楔调节器；3为45°平面反射镜；4为45°平面反射棱镜；5为角反器；6为接收望远镜；7为小孔光阑；8为准直镜；

图2为靶标形式示意图；

图3为CCD相机成像图档示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示的基于双光楔的激光雷达同轴检测系统，包括工控机、激光器、扩束镜1、双光楔调节器2、45°平面反射镜3、45°平面反射棱镜4、角反器5、接收望远镜6、小孔光阑7、准直镜8及CCD相机。激光器在工控机的控制下发射一定能量的激光光束，首先经过扩束镜1、双光楔调节器2、45°平面反射镜3和45°平面反射棱镜4后经过角反器5反射的光束信号经过接收望远镜6聚焦到小孔光阑7处，再经过准直镜8后被CCD相机所接收。

本发明的基于双光楔的激光雷达同轴检测系统，在使用过程中如果发现信号质量下降，此时调节激光器发射的激光能量，避免造成后继光学中的减偏棱镜收到损伤。由工控机来控制旋转角反射器5和CCD相机使之旋转到接收光学系统的中心处，同时工控机控制使激光器前面的靶标位于光轴中心处，打开CCD相机并接收此时靶标图像。读取CCD相机中的横坐标与纵坐标的偏移量ΔX和ΔY的值，通过计算得出双光楔调节器2的前光楔与后光楔的旋转角度值，完成光轴的精确调整。

本发明的原理在于：为解决在使用过程中或者运输过程中导致的光轴偏移，本发明采用的方案如下：在发射光学系统中安装一个小角度的双光楔调节器2，通过计算机分析的角度值来对双光楔调节器2的前光楔与后光楔的旋转控制。激光器发射端放置标定的米子形靶标(如图2所示)，通过望远镜成像到CCD相机上，在电脑中直接读取横坐标x和纵坐标y的值，从而得到发射光学系统与接收的光学系统的角度值。

双光楔调节器2(前光楔与后光楔相隔一微小的间隙)的光楔角均为δ，当两光楔主截面平行且同向放置时，所产生的偏向角最大(为两光楔偏向角之和)；而本发明采用两光楔主截面平行且反向放置，达成总的旋转角度值为两个光楔旋转角度之差，这样可以采用差分的方法来达到提高精度的目的。

采用双靶标标定并被CCD所接收并通过公式算出偏转角度值，反馈到电脑来控制双光楔调节器进行角度调节。双光楔调节器利用串行通信对细分驱动马达进行控制，同时为了达到更高的稳定性要求保我们在驱动机构上安装圆同步驱动器，达到精确标定双光楔调节器的调节角度。

如图3所示为CCD相机接收的图像信号，可以通过靶标图像在接收光学系统中心的水平和垂直偏移量分别为ΔX和ΔY的值，此时有：

其中，前光楔在经过接收光学系统后通过准直镜成像在像方焦平面上，则有水平方向上偏差A_X和垂直方向上偏差A_Y的公式分别如下：

其中：f′——准直镜焦距；

δ——光楔角；

θ——前光楔相对于光轴的旋转角度值；

其中，后光楔在经过接收光学系统后通过准直镜成像在像方焦平面上，则有水平方向上偏差A_X和垂直方向上偏差A_Y的公式分别如下：

其中：f′——准直镜焦距；

δ——光楔角；

β——后光楔相对于光轴的旋转角度值；

综合上述可得出前光楔与后光楔相对于光轴的旋转角度值。

Claims (1)

1.一种基于双光楔的激光雷达同轴检测系统的自动校准方法，该基于双光楔的激光雷达同轴检测系统包括工控机、激光器、扩束镜(1)、双光楔调节器(2)、45°平面反射镜(3)、45°平面反射棱镜(4)、角反器(5)、接收望远镜(6)、小孔光阑(7)、准直镜(8)及CCD相机；激光器在工控机的控制下发射一定能量的激光光束，首先经过扩束镜(1)、双光楔调节器(2)、45°平面反射镜(3)和45°平面反射棱镜(4)后经过角反器(5)反射的光束信号经过接收望远镜(6)聚焦到小孔光阑(7)处，再经过准直镜(8)后被CCD相机所接收，其特征在于：该自动校准方法步骤为：在使用过程中如果发现信号质量下降，此时可调节激光器发射的激光能量，避免造成后继光学中的减偏棱镜受到损伤，由工控机来控制旋转角反射器(5)和CCD相机使之旋转到接收光学系统的中心处，同时工控机控制使激光器前面的靶标位于光轴中心处，打开CCD相机并接收此时靶标图像，读取CCD相机中的横坐标与纵坐标的偏移量△X和△Y的值，通过计算得出双光楔调节器(2)的前光楔与后光楔的旋转角度值，完成光轴的精确调整。