CN109471090B - 非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法，包括以下步骤：采用激光发射装置竖直向下输出矩形准直出射光束；旋转所述转壳，使所述发射反射镜反射所述出射光束至被测目标；上下调整感光元件至所述接收透镜的焦点位置，并将所述感光元件检测的第一图像传输至数据处理系统；保持所述感光元件的上下位置不变，水平转动所述感光元件β角度，将所述感光元件检测的第二图像传输至所述数据处理系统；所述数据处理系统根据所述第一图像和第二图像的位置和几何关系得出感光元件的旋转中心及光斑偏离旋转中心的偏差。本发明通过简易的装置模拟激光雷达的接收光路，并根据简易装置的测量结果快速、有效和准确模拟非共轴扫描激光雷达接收系统光斑偏离中心的距离。

Description

非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法。

背景技术

激光雷达是一种利用激光进行探测的雷达系统，它通过向探测目标发射激光光束，接收和处理探测目标的回波信号，得到探测目标的距离、位置和速度等特征信息。根据发射光轴与接收光轴是否重合，激光雷达光路结构可分为共轴和非共轴两种结构。激光雷达的非共轴光路结构能够减小近距离回波信号过大对探测器的影响而被广泛应用于激光雷达结构，实际应用中要保证收发光路的精确对准才能实现高的探测效率。

传统的激光雷达光学装调方法对雷达光学组件的快速检测是比较困难的，通常使用的方法是直接组装整个光学系统，然后检验该光学系统的特性，再根据信号质量和工程经验决定系统中的光学组件的调整方向及其调整量，对这些调整量进行试调后再检验判断光学系统是否满足要求，反复进行上述步骤，直到光学系统使信号质量满足指标要求为止。这种方法调试周期长，对工作人员工艺水平和经验要求高，调试光学组件的一致性较差，限制了激光雷达的批量生产，满足不了日益增长的应用需求。

另外，对于非共轴扫描激光雷达而言，接收光斑的位置会随着雷达扫描而变化，而接收探测器的感光面很小，接收光斑位置出现微小偏差也会对信号产生很大的影响，因此，快速、有效和准确地检测非共轴扫描激光雷达的接收光斑位置成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法，通过简易的装置模拟激光雷达的接收光路，并根据简易装置的测量结果快速、有效和准确模拟非共轴扫描激光雷达接收系统光斑偏离中心的距离。

本发明实施例是这样实现的，一种非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法，所述接收系统包括用于反射出射光束至被测目标的发射反射镜、用于聚焦从所述被测目标返回的回波光束的接收透镜、以及用于反射透射光束的接收反射镜，所述接收系统设置在可旋转的转壳上，所述检测方法包括以下步骤：

采用激光发射装置竖直向下输出矩形准直出射光束；

旋转所述转壳，使所述发射反射镜反射所述出射光束至被测目标；

上下调整用于接收所述接收反射镜的光斑的感光元件至所述接收透镜的焦点位置，并将所述感光元件检测的第一图像传输至数据处理系统；

保持所述感光元件的上下位置不变，调节所述感光元件水平转动β角度，将所述感光元件检测的第二图像传输至所述数据处理系统；

所述数据处理系统根据所述第一图像和第二图像的位置计算出所述感光元件旋转中心及光斑偏离所述旋转中心的偏差。

可选的，所述感光元件旋转中心的计算方法为：

将所述第一图像在所述感光元件上的位置记为AB，第二图像在所述感光元件上的位置记为A′B′，其中A点和B点为所述第一图像的两个端点，A′点和B′点为所述第二图像的两个端点；

分别连线AA′和BB′，作AA′和BB′的垂直平分线，两垂直平分线的交点即旋转中心O。

在其中一个实施例中，得出所述光斑偏离所述旋转中心的偏差的步骤为：

分别计算出A点到旋转中心O的距离a，B点到旋转中心O的距离b以及A点到B点的距离c；

利用三角形中线定理，可得出所述光斑偏离所述旋转中心的偏差：

进一步地，所述检测方法还包括：

测量不同距离处的被测目标，分别计算光斑偏离旋转中心的偏差；根据不同的偏差值与被测目标的距离值的关系，还可用于确定所述接收反射镜的倾角是否存在偏差或所述接收透镜垂直位置是否存在偏差。

当光斑的偏差值与被测目标的距离值呈反比关系、且确定有偏差存在时，确定所述接收透镜的垂直位置存在偏差；

当光斑偏差值与被测目标的距离值是非反比关系时，确定所述接收反射镜倾角存在偏差。

当接收透镜垂直位置存在偏差，其中心光轴偏离设定位置的距离Δd通过公式III计算：

式中，d表示所述接收反射镜中心轴与所述发射反射镜中心轴之间的距离，

L表示被测目标的距离，

f表示所述接收透镜的焦距；

当所述接收反射镜的倾角存在偏差，其光轴偏离的角度通过公式IV计算：

式中，l₁表示所述接收透镜中心与所述接收反射镜中心之间的距离，l₂表示所述接收反射镜中心与所述感光芯片旋转中心的距离。

本发明实施例的有益效果在于：(1)与传统的激光雷达光学装调方法相比，本方案通过旋转感光元件的方法快速确定旋转中心，能实现被测转壳即接收系统的快速检测，大大缩小激光雷达光学组件调试时间。

(2)通常，人们希望激光出射的准直光束是圆形形状，并且光点越小越好，但是激光二极管发光区一般呈矩形并且快慢轴的发散角度各不相同，使得实现圆形光束输出要经过复杂的光束整形和准直，导致成本和实现难度提高，本方案中提出了利用激光二极管光束固有的矩形特性，简化了光路结构，并且在后续的图像处理中仅使用两张激光光束的成像图像就可得出旋转中心和光斑位置偏差，而使用圆形光束则至少需要三张图像才能得出旋转中心和位置偏差；本方法减少了处理的图像而简化了图像处理算法，从而提高检测效率，有利于生产率提高。

(3)在进一步改进的方案中，可通过不同距离处对应的接收光束的位置偏差与被测目标距离的关系，分别推算是接收反射镜倾斜还是接收透镜垂直位置偏离理想位置；通过确定是接收反射镜倾斜还是接收透镜垂直位置偏离理想位置，有利于准确定位偏差元件，便于对被检元件的修复和调试。

附图说明

图1是非共轴扫描激光雷达接收检测装置的结构示意图；

图2a和图2a′分别是理想情况下的非共轴扫描激光雷达的光路示意图和几何关系图；

图2b和图2b′分别是接收透镜垂直位置偏差情况下的非共轴扫描激光雷达的光路示意图和几何关系图；

图2c和图2c′分别是接收反射镜倾角偏差情况下的非共轴扫描激光雷达的光路示意图和几何关系图；

图3是接收光束的位置偏差的测量示意图；

图4是在接收透镜位置偏差Δd＝1mm和接收反射镜倾角偏差两种情况下，接收光束的位置偏差与目标距离之间的关系图；

图5是实测接收光束在感光元件旋转前和旋转后的两个图像的叠加图；

图6是非共轴扫描激光雷达的接收检测方法流程图；

11、激光二极管 12、准直透镜 13、透镜座

21、转壳 22、接收透镜 23、发射反射镜

24、接收反射镜 31、中空轴转子 32、定子

41、感光元件 42、电路板 51、柱管

52、转台 53、升降台。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本方案的检测方法基于激光雷达接收模拟系统，其关键在于设置矩形激光出射光束，并调整感光元件的角度，用两张图像即可得出感光元件的旋转中心，并可计算不同距离被测目标的光斑偏离旋转中心的偏差。

作为本发明的实施例，所述接收系统包括用于反射出射光束至被测目标的发射反射镜23、用于聚焦从所述被测目标返回的回波光束的接收透镜22、以及用于反射透射光束的接收反射镜24，所述接收系统设置在可旋转的转壳21上。本实施例中的所述检测方法参见图6，其包括以下步骤：

601、采用激光发射装置竖直向下输出矩形准直出射光束。通常，人们希望激光出射的准直光束是圆形形状，并且光点越小越好，但是激光二极管发光区一般呈矩形并且快慢轴的发散角度各不相同，使得实现圆形光束输出要经过复杂的光束整形和准直，导致成本和实现难度提高。本实施例中，利用激光二极管光束固有的矩形特性，简化了光路结构。

602、旋转所述转壳21，使所述发射反射镜23反射所述出射光束至被测目标。所述出射光束竖直向下，发射反射镜23的倾角为45°，旋转转壳21，使发射反射镜23将出射光束水平传输至被测目标。被测目标反射的回波信号通过通过接收透镜22后聚焦，并通过接收反射镜24会聚到感光元件41上。

603、上下调整所述感光元件41至所述接收透镜22的焦点位置，并将所述感光元件41检测的第一图像传输至数据处理系统。通过调节机构调节感光元件41的高度，使接收光束清晰成像并能够检测离焦信号。具体的，使感光元件41上下移动至透镜焦点位置，可以通过感光元件41上下移动使光束中心光强达到最大来实现；或者通过感光元件41上下移动使光束的成像最小来实现。

604、保持所述感光元件41的上下位置不变，水平转动所述感光元件41角度β，参见图3，将所述感光元件41检测的第二图像传输至所述数据处理系统。

605、所述数据处理系统根据所述第一图像和第二图像的位置和几何关系计算出感光元件41的旋转中心和光斑偏离旋转中心的偏差。

本实施例中，设计了简易的装置，将激光雷达的接收系统进行装配，并模拟实际的光路。通过旋转感光元件41的方法，仅使用两张激光光束的成像图像即可快速确定旋转中心；再通过图像处理算法和几何光学关系得出光斑(即接收光束)偏离旋转中心的大小，从而实现被测转壳21即接收系统的快速检测。

具体的，所述检测系统参见图1，其包括：用于产生矩形准直出射光束激光发射装置，设置在激光发射装置下方的接收系统，所述接收系统设置在可绕转轴旋转的转壳21上，还包括用于接收经所述接收反射镜24反射光的感光元件41，所述感光元件41设在调节机构上。所述调节机构设置在所述感光元件41的下方，用于调节所述感光元件41相对所述转壳21转动和升降。

具体的，所述激光发射装置包括设置在上方的激光二极管11、准直透镜12和透镜座13，所述激光二极管11发出的激光光束经过所述准直透镜12准直后呈矩形形状。所述激光二极管11为边发射激光二极管或VCESL二极管。其中，所述边发射激光二极管为F-P腔激光二极管、DBR-LD激光二极管或FG-LD激光二极管。

所述接收系统包括光轴平行设置的发射反射镜23、接收透镜22和所述接收反射镜24，所述接收透镜22设置在所述转壳21的一侧面，用于聚焦从所述被测目标返回的回波光束至接收反射镜24。所述发射反射镜23或接收反射镜24为镀有金属膜或多层电介质膜的平面反射镜。

所述转壳21通过中空轴电机驱动，所述中空轴电机包括定子32和中空轴转子31，所述转壳21可拆卸式装配在所述中空轴转子31上。

所述调节机构包括具有升降调节自由度的升降台53、设置在所述升降台53上方的转台52，以及转动设置在所述转台52上的柱管51。所述柱管51的上端穿过所述中空轴转子31的中空腔体、顶端伸入所述转壳21的壳体内、下端与所述转台52转动连接，所述感光元件41设置在所述柱管51的顶面。所述感光元件41可以是CCD芯片或CMOS芯片，所述CCD芯片或CMOS芯片装配在电路板42上。所述柱管51借助升降台53的升降在所述中空轴转子31的中空腔体内可以自由升降，从而实现感光元件41的升降。所述柱管51底端通过轴承转动装配在转台52上，实现柱管51带动感光元件41的转动。电路板42的引线穿过柱管51的空腔引出，用于连接外部电源以及传输视频信号。

升降台53的升降采用常规技术即可，比如电机驱动的丝杠丝母副或者手动调节的丝杠丝母副。

所述柱管51与所述转台52之间的转动连接，可以通过固定设置在所述转台52内的轴承实现，所述轴承外圈与所述转台52固定、内圈与所述柱管51固定，所述柱管51可相对转台52转动。

本发明实施例中提供的检测系统结构简单，可以解决传统的调试方法中，直接组装整个光学系统再检验导致周期长、一致性差的缺点。

在其中一个实施例中，通过所述数据处理系统确定所述感光元件41旋转中心的方法为：将所述第一图像在所述感光元件41上的位置记为AB，第二图像在所述感光元件41上的位置记为A′B′，其中A点和B点为所述第一图像的两个端点，A′点和B′点为所述第二图像的两个端点；分别连线AA′和BB′，作AA′和BB′的垂直平分线l和l’，两垂直平分线l和l’的交点即旋转中心O。具体的原理图参见图3。

在其中一个实施例中，所述光斑偏离所述旋转中心的偏差计算步骤为：

分别计算出A点到旋转中心O的距离a，B点到旋转中心O的距离b，以及A点到B点的距离c；利用三角形中线定理，得出所述光斑偏离所述旋转中心的偏差x：

在其他实施例中，测量不同距离处的被测目标，分别计算光斑偏离旋转中心的偏差，根据不同的偏差值与被测目标的距离值的关系，确定感光元件41的设置范围。

根据不同的偏差值与被测目标的距离值的关系，还可以用于判断接收反射镜24倾角是否存在偏差或所述接收透镜垂直位置是否存在偏差。判断的依据分析，参见图2a-图2c。

图2a-2c示出了非共轴扫描激光雷达的光路示意图。激光由激光光源发射出去，经发射反射镜23反射，传输到目标后反射回到接收透镜22和接收反射镜24会聚到感光芯片41上。如图2a所示，在理想情况下非共轴扫描激光雷达的收发光轴是两条距离相距为d的平行线，d为发射光束在发射反射镜23的中心位置与回波在接收反射镜24的中心位置之间的距离。非共轴光路结构的接收光点离转轴的位置是与目标的距离相关的，对于距离L处的目标，假设感光芯片的位置正好处在接收透镜的焦距处，即l₁+l₂＝f，根据几何光学关系，三角形ΔOAB与三角形ΔOA′B′相似，则位置偏差为：

其中l₁为接收透镜离22中心与接收反射镜24中心之间的距离，l₂为接收反射镜24的中心离感光元件41中心距离，f为接收透镜的焦距。由于加工精度和装配误差的影响，接收透镜常常偏离理想位置，如图2b所示，如果接收透镜22无法保证精确的垂直位置，使接收光轴垂直向下偏离值为Δd，则位置偏差为：

由公式(III)可知，当确定有系统偏差存在，且偏差值x与被测目标的距离L为反比时，可以确定是接收透镜22的垂直位置存在偏差。通过公式(III)还可以计算偏离值Δd的大小。

如图2c所示，当接收反射镜24的倾角偏离理想角度位置的角度为时，即镜面光学反射的对称轴旋转/>则根据图2c′中的几何光学关系接收光束旋转/>定义夹角∠AOB＝α，则tanα＝d/L，接收光束的位置偏差为：

由公式(IV)可知，光斑的偏差值x与被测目标的距离L之间是非反比的关系。因此，当偏差值x与被测目标的距离L之间是非反比关系时，可以判断是接收反射镜24的倾角偏离了理想位置。根据公式(IV)可以计算角度偏离值的大小。

由此可见，接收透镜22和接收反射镜24偏离理想位置所导致的接收光束的位置偏差与目标距离之间的关系是不同的。假设距离L从0.1m变化到3m，收发光轴的间距d为2cm，在接收透镜位置偏差Δd＝1mm和接收反射镜倾角偏差两种情况下，接收光束的位置偏差与目标距离之间的关系，如图4所示。由图4可知，两种偏差的情况下，接收光束的位置偏差与目标距离之间的关系在距离比较小的时候，较为接近，随着距离增大，两者的关系差别越来越明显。因此，实际检测过程中可以通过测量不同距离处的光束中心，得出位置偏差与目标距离之间的关系，从而检测出是接收透镜22垂直位置偏差还是接收反射镜24倾斜偏差。

具体的，作为本发明的一个实施例，参见图5。图5示出了实测接收光束在感光元件旋转前和旋转后的两个图像的叠加图。矩形发射光束是通过采用38.5μm×1μm发光区的激光二极管11和准直透镜12实现的，为了保证足够的分辨率，采用1/4英寸、总像素为1280(H)X720(V)的CMOS芯片，针对2m处的目标，调整调节机构的升降台51使感光元件41上下移动至透镜焦点位置，使光束清晰地成像，再将图像输出到计算机。随后，保持升降台51的高度不变，转动调节机构的转台52使感光元件绕着转轴中心转动一个角度，并将该角度下的光束图像输出到计算机。计算机通过图像处理算法得出接收光束偏离转轴中心1.4mm。

通过检测不同距离处被测目标的接收光斑偏离旋转中心的距离，可以确定是接收反射镜倾斜还是接收透镜垂直位置偏差，有利于准确定位偏差元件。再根据公式III和公式IV可以有利于对被检元件的修复和调试。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法，所述接收系统包括用于反射出射光束至被测目标的发射反射镜、用于聚焦从所述被测目标返回的回波光束的接收透镜、以及用于反射透射光束的接收反射镜，其特征在于，所述接收系统设置在可旋转的转壳上，所述检测方法包括以下步骤：

采用激光发射装置竖直向下输出矩形准直出射光束；

旋转所述转壳，使所述发射反射镜反射所述出射光束至被测目标；

上下调整用于接收所述接收反射镜光斑的感光元件至所述接收透镜的焦点位置，并将所述感光元件检测的第一图像传输至数据处理系统；

保持所述感光元件的上下位置不变，水平转动所述感光元件β角度，将所述感光元件检测的第二图像传输至所述数据处理系统；

所述数据处理系统根据所述第一图像和第二图像的位置和几何关系得出感光元件的旋转中心及光斑偏离所述旋转中心的偏差。

2.如权利要求1所述的非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法，其特征在于，得出所述感光元件旋转中心的步骤为：

将所述第一图像在所述感光元件上的位置记为AB，第二图像在所述感光元件上的位置记为A′B′，其中A点和B点为所述第一图像的两个端点，A′点和B′点为所述第二图像的两个端点；

分别连线AA′和BB′，作AA′和BB′的垂直平分线，两垂直平分线的交点即旋转中心O。

3.如权利要求2所述的非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法，其特征在于，得出所述光斑偏离所述旋转中心偏差的步骤为：

分别计算出A点到旋转中心O的距离a，B点到旋转中心O的距离b，以及A点到B点的距离c；

利用三角形中线定理，得出所述光斑偏离所述旋转中心的偏差x：

4.如权利要求3所述的非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括以下步骤：

测量不同距离处的被测目标，分别计算光斑偏离旋转中心的偏差；根据不同的偏差值与被测目标的距离值的关系，确定所述接收反射镜的倾角是否存在偏差或所述接收透镜垂直位置是否存在偏差。

5.如权利要求4所述的非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法，其特征在于，当光斑的偏差值与被测目标的距离值呈反比关系、且确定有偏差存在时，确定所述接收透镜的垂直位置存在偏差；

当光斑偏差值与被测目标的距离值是非反比关系时，确定所述接收反射镜倾角存在偏差。

6.如权利要求5所述的非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法，其特征在于，当接收透镜垂直位置存在偏差，其中心光轴偏离设定位置的距离Δd通过公式III计算：

式中，d表示所述接收反射镜中心轴与所述发射反射镜中心轴之间的距离，

L表示被测目标的距离，

f表示所述接收透镜的焦距；

当所述接收反射镜的倾角存在偏差，其光轴偏离的角度通过公式IV计算：

式中，l₁表示所述接收透镜中心与所述接收反射镜中心之间的距离，l₂表示所述接收反射镜中心与所述感光芯片旋转中心的距离。

7.根据权利要求1-6任一项所述的非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法，其特征在于，所述转壳通过中空轴电机驱动，所述感光元件通过调节机构具有相对所述转壳旋转及上下升降的自由度。

8.根据权利要求7所述的非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法，其特征在于，所述中空轴电机包括定子和中空轴转子，所述转壳可拆卸式装配在所述中空轴转子上。

9.根据权利要求8所述的非共轴扫描激光雷达接收系统的检测方法，其特征在于，所述调节机构包括：

升降台，具有升降调节的自由度；

转台，固定设置在所述升降台的上方；

柱管，上端穿过所述中空轴转子的中空腔体、顶端伸入所述转壳的壳体内、下端与所述转台转动限位，所述感光元件设置在所述柱管的顶面。