CN111812620B - 一种激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法，包括对望远镜的接收光窗进行区域划分，形成四个象限；其中，第一象限与第二象限呈中心对称关系，第三象限与第四象限呈中心对称关系；将第一象限与第二象限作为一组分别单独接收回波信号，并采集两个象限的接收信号，调节激光雷达的发射光轴向接收信号小的象限方向倾斜，直到两个象限的接收信号相当；将第三象限与第四象限作为一组分别单独接收回波信号，并采集两个象限的接收信号，调节激光雷达的发射光轴向接收信号小的象限方向倾斜，直到两个象限的接收信号相当。本发明通过对望远镜四个象限接收信号的均匀性检测来实现激光雷达发射光轴与接收光轴的校准，准直效果好、效率高。

Description

一种激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体地说，是涉及一种用于对激光雷达的发射光轴和接收光轴进行校准的方法。

背景技术

激光雷达是一种主动遥感监测设备，具有高时空分辨率、高测量精度等优势。在激光雷达系统中，收发光轴的准直是保证激光雷达信号接收效率的关键。激光雷达在实际工作中，由于温度变化、环境振动、激光抖动等原因会引起激光器的发射光轴与望远镜的接收光轴发生偏离，导致接收信号效率下降、信号失真，因而需要定期地对激光雷达进行收发光轴的校准。所谓收发光轴准直，对于旁轴激光雷达来说，就是让发射光轴与接收光轴平行；对于共轴激光雷达而言，就是让发射光轴与接收光轴共轴。

激光雷达的收发光轴校准方法主要有手动校准和自动校准两种。其中，手动校准是最常见的准直方法，但其需要操作人员具备一定的专业背景和光路调节经验，且调节过程繁琐耗时，通过目测数据进行调整的准直精度也很难得到保证。

自动校准方法目前基本都是利用二维电控反射镜架调整发射光束的方向，常用的方法主要有两种：

一种是，在发射光轴与接收光轴准直时，让激光光束在发射到大气前，首先通过透射反射比（透射:反射）高的分光镜，反射出很少一部分光作为参考光；然后，将参考光入射到固定的光电探测器上，探测器标记此位置作为光轴准直的位置。当发射光轴发生偏离时，参考光在光电探测器上的位置也会偏离，此时可以通过电控反射镜架调整反射镜的角度，进而调节发射光的方向，使得参考光在光电探测器上的位置刚好调整到标记的准直位置，由此完成校准操作。但是，这种方法存在因分光镜的偏离而引起对光轴失准误判的问题。

另一种是，通过二维电控反射镜架调整发射激光分别沿着望远镜的两个相互垂直的直径方向进行扫描，选取某一高度作为参考高度，观察扫描过程中参考高度信号的变化，分别取参考高度接收信号最大的位置作为两个方向的最佳位置来确定发射光轴与接收光轴准直。但这种方法受激光运动轨迹和参考高度的影响较大。

发明内容

本发明针对激光雷达提出了一种通过对其望远镜四个象限接收信号的均匀性检测来实现激光雷达发射光轴与接收光轴校准的方法，校准过程快速、有效，准直效果好。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法，所述激光雷达利用望远镜的接收光窗接收激光光束发射到大气后的回波信号，并转换成相应的模拟量或数字量的接收信号；所述校准方法包括：

象限划分：对望远镜的接收光窗进行区域划分，形成四个象限；其中，第一象限与第二象限呈中心对称关系，第三象限与第四象限呈中心对称关系；配置四块遮光板在望远镜的接收光窗上形成的四个遮挡区域与接收光窗所需要划分成的四个象限重合；配置传动机构对所述四块遮光板进行开合控制，使接收光窗的四个象限单独接收大气回波信号；

在第一方向上校准发射光轴：将第一象限与第二象限作为一组，分别单独接收回波信号，并采集两个象限的接收信号，调节激光雷达的发射光轴向接收信号小的象限方向倾斜，直到第一象限的接收信号与第二象限的接收信号相当；

在第二方向上校准发射光轴：将第三象限与第四象限作为一组，分别单独接收回波信号，并采集两个象限的接收信号，调节激光雷达的发射光轴向接收信号小的象限方向倾斜，直到第三象限的接收信号与第四象限的接收信号相当。

在本申请的一些实施例中，在第一方向上校准发射光轴的过程可以具体包括：

（1-1）选定对比高度区间H1；

（1-2）利用望远镜的接收光窗的第一象限单独接收回波信号，并采集对比高度区间H1内每一个距离点i的接收信号，形成接收数据;

（1-3）利用望远镜的接收光窗的第二象限单独接收回波信号，并采集对比高度区间内H1每一个距离点i的接收信号，形成接收数据;

（1-4）计算与的均方根差；若小于等于设定的准直阈值，则无需在第一方向上调整发射光轴；若大于设定的准直阈值且>，则调节发射光轴向第二象限的方向倾斜；若大于设定的准直阈值且<，则调节发射光轴向第一象限的方向倾斜；其中，为的平均值，为的平均值。

在本申请的一些实施例中，若大于设定的准直阈值，则可以首先设置调整步数B1，按照调整步数B1逐步调节发射光轴，并在每一次调节后，重复执行所述过程（1-2）至（1-4），直到小于等于设定的准直阈值，结束发射光轴在第一方向上的调整。采用这种设计可以为发射光轴的每次调整角度提供基准，有助于实现收发光轴的自动校准。

在本申请的一些实施例中，所述调整步数B1的设置优选与成正比例关系，以加快校准速度。

在本申请的一些实施例中，在采集第一象限和第二象限的接收数据时，优选针对每一个距离点i分别在设定时间内多次采集接收数据，然后对所述设定时间内采集到的接收数据进行累加、平均以及去背景处理后，生成该距离点i的接收数据或。这样可以尽可能地消除干扰，提高接收数据和的准确性。

在本申请的一些实施例中，在第二方向上校准发射光轴的过程可以具体包括：

（2-1）选定对比高度区间H2；

（2-2）利用望远镜的接收光窗的第三象限单独接收回波信号，并采集对比高度区间H2内每一个距离点i的接收信号，形成接收数据;

（2-3）利用望远镜的接收光窗的第四象限单独接收回波信号，并采集对比高度区间H2内每一个距离点i的接收数信号，形成接收数据;

（2-4）计算与的均方根差；若小于等于设定的准直阈值，则无需在第二方向上调整发射光轴；若大于设定的准直阈值且>，则调节发射光轴向第四象限的方向倾斜；若大于设定的准直阈值且<，则调节发射光轴向第三象限的方向倾斜；其中，为的平均值，为的平均值。

在本申请的一些实施例中，若大于设定的准直阈值，则可以首先设置调整步数B2，按照调整步数B2逐步调节发射光轴，并在每一次调节后，重复执行所述过程（2-2）至（4-4），直到小于等于设定的准直阈值，结束发射光轴在第二方向上的调整。

在本申请的一些实施例中，所述调整步数B2的设置优选与成正比例关系，以缩短收发光轴的校准时间。

在本申请的一些实施例中，在采集第三象限和第四象限的接收数据时，优选针对每一个距离点i分别在设定时间内多次采集接收数据，然后对所述设定时间内采集到的接收数据进行累加、平均及去背景处理后，生成该距离点i的接收数据或，以提高和的准确性。

在本申请的一些实施例中，当所述激光雷达为旁轴激光雷达时，在所述象限划分过程中，为了对望远镜的接收光窗进行准确的区域划分，可以首先在望远镜的接收光窗所在平面内建立虚拟直角坐标系，其中，所述虚拟直角坐标系的原点为接收光窗的中心，y轴穿过激光雷达在收发光轴准直情况下出射至大气的激光光束的中心；配置所述第一象限和第二象限分别关于虚拟直角坐标系的x轴呈轴对称区域；配置所述第三象限和第四象限分别关于虚拟直角坐标系的y轴呈轴对称区域。由于旁轴激光雷达存在盲区，在选定对比高度区间H2的过程中，H2的下限值应大于旁轴激光雷达的盲区所对应的对比高度，以保证接收数据的有效性。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过对激光雷达的望远镜四个象限接收信号的均匀性检测，来实现对激光雷达发射光轴与接收光轴的校准，方法简单、便于使用，可以快速、有效地实现激光雷达收发光轴的自动准直，有助于提高激光雷达的工作效率以及操作的便捷性。为激光雷达的望远镜配置四象限遮光板，通过四象限遮光板控制接收光窗的四个象限单独接收大气回波信号，由此即便激光雷达处于无人值守的情况下，也能实现收发光轴的自动准直，继而提高了激光雷达的自动化程度。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法的一种实施例的概括流程图；

图2是图1中的收发光轴校准方法的一种实施例的具体流程图；

图3是为实现本发明的收发光轴校准方法而提出的激光雷达的一种实施例的整体结构示意图；

图4是图3中的四象限遮光机构的一种实施例的结构示意图；

图5是旁轴激光雷达的望远镜的四象限划分与出射至大气的激光光束位置之间的一种实施例的对应关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

经试验发现，对激光雷达的望远镜接收光窗的四个象限接收信号的均匀性检测，可以实现对激光雷达的发射光轴和接收光轴的校准。即，激光雷达在其发射光轴与接收光轴准直的情况下，其望远镜的接收光窗在四个象限区域内的接收信号是均匀的。

基于上述原理，本实施例提出了一套全新的激光雷达收发光轴校准方法，如图1所示，主要包括：象限划分S101、在第一方向上校准发射光轴S102、在第二方向上校准发射光轴S103三个过程。

作为一种优选实施例，在象限划分S101过程中，可以包括将激光雷达望远镜的接收光窗22按照特定要求划分成四个区域，以形成四个象限。如图5所示，目前应用在激光雷达上的望远镜20，其接收光窗22通常为圆形。本实施例优选利用接收光窗22的两个相互垂直的直径对接收光窗22进行区域划分，以形成四个象限，即，四个圆心角为直角的扇形。其中，将第一组呈中心对称关系的两个象限定义为第一象限Ⅰ和第二象限Ⅱ；将第二组呈中心对称关系的两个象限定义为第三象限Ⅲ和第四象限Ⅳ。

对于共轴激光雷达而言，四个象限的位置关系只要满足上述要求即可。

对于旁轴激光雷达而言，四个象限的位置关系除了要满足上述要求外，还需要作进一步限制，具体为：可以在望远镜的接收光窗22所在的平面建立虚拟直角坐标系，如图5所示，所述虚拟直角坐标系的原点为接收光窗22的中心O，y轴穿过激光雷达在收发光轴准直情况下出射至大气的激光光束16的中心O’。根据两点确定一条直线的原理，利用接收光窗22的中心O与激光光束16的中心O’便可确定出y轴的方向，进而确定出x轴的方向。在进行区域划分时，配置第一象限Ⅰ和第二象限Ⅱ分别关于虚拟直角坐标系的x轴呈轴对称区域，即，第一象限Ⅰ和第二象限Ⅱ所对应的扇形分别关于x轴呈轴对称图形；配置第三象限Ⅲ和第四象限Ⅳ分别关于虚拟直角坐标系的y轴呈轴对称区域，即，第三象限Ⅲ和第四象限Ⅳ所对应的扇形分别关于y轴呈轴对称图形。

由此，完成象限划分S101过程。

作为一种优选实施例，在第一方向上校准发射光轴S102的过程可以包括：将第一象限Ⅰ和第二象限Ⅱ所在的方向定义为第一方向，在光轴校准过程中，分别通过第一象限Ⅰ和第二象限Ⅱ单独接收大气回波信号，并转换成相应的接收信号。所述接收信号可以是数字量的接收数据，也可以是模拟量的电信号。两个象限的接收信号可以反映望远镜在第一象限Ⅰ和第二象限Ⅱ接收到的光信号的强度。若第一象限Ⅰ的接收信号大于第二象限Ⅱ的接收信号，则需要将激光雷达的发射光轴向第二象限Ⅱ的方向倾斜；若第一象限Ⅰ的接收信号小于第二象限Ⅱ的接收信号，则需要将激光雷达的发射光轴向第一象限Ⅰ的方向倾斜；直到第一象限Ⅰ的接收信号与第二象限Ⅱ的接收信号相当，即，相等或基本相等，从而完成激光雷达的发射光轴在第一方向上的校准。

作为一种优选实施例，在第二方向上校准发射光轴S103的过程可以包括：将第三象限Ⅲ和第四象限Ⅳ所在的方向定义为第二方向，在光轴校准过程中，分别通过第三象限Ⅲ和第四象限Ⅳ单独接收回波信号，并转换成相应的接收信号。同理，所述接收信号可以是数字量的接收数据，也可以是模拟量的电信号。两个象限的接收信号可以反映望远镜在第三象限Ⅲ和第四象限Ⅳ接收到的光信号的强度。若第三象限Ⅲ的接收信号大于第四象限Ⅳ的接收信号，则需要将激光雷达的发射光轴向第四象限Ⅳ的方向倾斜；若第三象限Ⅲ的接收信号小于第四象限Ⅳ的接收信号，则需要将激光雷达的发射光轴向第三象限Ⅲ的方向倾斜；直到第三象限Ⅲ的接收信号与第四象限Ⅳ的接收信号相当，即，相等或基本相等，从而完成激光雷达的发射光轴在第二方向上的校准。

为了使激光雷达能够基于上述校准原理，自动执行收发光轴的校准过程，本实施例对现有的激光雷达进行结构改进，为本实施例的光轴校准方法提供硬件支持。

下面首先对改进后的激光雷达的硬件结构进行具体阐述。

如图3所示，本实施例的激光雷达主要包括激光发射系统10和光学接收系统两部分。其中，激光发射系统10主要包括激光器11、扩束镜12、反射镜13、可调电控镜架14等部分。光学接收系统主要由望远镜20和后继的接收光路系统23组成。

为了便于将激光发射系统10和光学接收系统整合装配到一起，以使激光雷达易于整体移动或搬运，本实施例优选将激光发射系统10安装在一块发射系统载板15上，如图3所示。其中，激光器11优选安装在发射系统载板15的偏向下位置，用于发射激光光束。扩束镜12位于激光器11的上方，用于对激光器11发射的激光光束的发散角进行压缩，以形成具有一定直径的激光光束，并入射至反射镜13。反射镜13可以是一个，也可以是多个，安装于可调电控镜架14上，用于对入射到其上的激光光束进行反射后，出射至大气。利用可调电控镜架14可以调节反射镜13的角度或者位置，继而改变激光光束向大气的出射方向。

将发射系统载板15安装于望远镜20上，优选安装于望远镜20的镜筒21上，且位于望远镜20的一侧，如图3所示。控制可调电控镜架14适度地调节反射镜13的角度或位置，使激光光束的出射方向（即，激光雷达的发射光轴）与望远镜20的接收光轴平行，则可形成旁轴激光雷达；若调节激光光束的出射方向与望远镜20的接收光轴共轴，则可形成共轴激光雷达。

在望远镜20的镜筒21中设置有接收光窗22，结合图3、图5所示。所述接收光窗22通常为圆形，接收激光光束16射入到大气后的回波信号，并汇集至后继的接收光路系统23，以将光信号转换成电信号。所述电信号的大小可以反映出接收到的光信号的强度，根据接收光路系统23输出的电信号，利用现有的雷达信号探测方法即可对预定高度的目标实现探知。

在激光雷达的望远镜20上设置四象限遮光机构30，用于将望远镜20的接收光窗22划分成四个区域，以形成所需要的四个象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，用于独立地接收大气回波信号，以实现四个象限接收信号的均匀性检测。

结合图3、图4所示，本实施例的四象限遮光机构30主要由四象限遮光板、转动机构和控制系统等部分组成。

在本实施例中，所述四象限遮光板优选安装在望远镜20的镜筒21上，且位于接收光窗22的上方，优选包括四块遮光板31、32、33、34，如图4所示。所述四块遮光板31、32、33、34可以设计成相同的形状，例如类似三角形的形状，拼合后将望远镜20的接收光窗22全部遮盖。

配置四块遮光板31、32、33、34在望远镜20的接收光窗22上形成的四个遮挡区域刚好与接收光窗22所需要划分成的四个象限重合。其中，第一象限Ⅰ由遮光板31遮挡；第二象限Ⅱ由遮光板32遮挡；第三象限Ⅲ由遮光板33遮挡；第四象限Ⅳ由遮光板34遮挡。

为了方便四象限遮光板在望远镜20的镜筒21上的安装固定，本实施例优选将四象限遮光板首先安装在一块托板35上，如图4所示。所述托板35优选设计成环形，中间开口区域正对望远镜20的接收光窗22。将四块遮光板31、32、33、34在托板35所形成的承载面上周向依次布设，拼合后遮挡住托板35的中间开口区域。

优选在托板35上形成下翻边36，所述下翻边36可以设置两个，形成在托板35的相对两侧；也可以设置四个，形成在托板35的四周。

安装时，将托板35放置于望远镜20的镜筒21的上沿，并使托板35的下翻边36至少部分地与镜筒21的侧壁相贴合，如图3所示。利用紧固螺栓37将下翻边36与镜筒21的侧壁螺纹连接，继而实现托板35在镜筒21上的安装固定。

在本实施例中，所述传动机构可以由转轴41、定位座42、主动轮44、从动轮43、电机45等主要部分组成，如图4所示，用于对四块遮光板31、32、33、34进行开合控制。

作为一种优选实施例，可以针对每一块遮光板单独配置一套传统机构，即，一套传统机构仅对一块遮光板进行开合控制。将四套传动机构分别布设在托板35的四边，并与四块遮光板31、32、33、34的位置一一对应。

在每一套传动机构中，转轴41优选平行于托板35的承载面布设，如图4所示。将遮光板31/32/33/34的外侧边固定在转轴41上，利用转轴41朝不同方向的转动，带动遮光板31/32/33/34打开或闭合。

在每一套传动机构中，定位座42优选设置两个，安装在托板35的承载面上，且位于转轴41的两端。在每一个定位座42中分别安装一个轴承，将转轴41的两端对应安装于两个定位座42的轴承中，使转轴41与定位座42之间形成转动连接关系。

在每一套传动机构中，电机45、主动轮44和从动轮43优选设置一组。其中，电机45优选安装在托板35的底部，将电机45的驱动轴46穿过托板35延伸至托板35的承载面的上方。在电机45的驱动轴46上安装主动轮44，配置主动轮44的轴线与从动轮43的轴线相互垂直，并使主动轮44与从动轮43相啮合，将从动轮43与转轴41轴接。在电机45转动时，主动轮44跟随电机45的驱动轴46旋转，驱动从动轮43转动，进而带动转轴41旋转，控制遮光板31/32/33/34开合。

在本实施例中，所述控制系统用于控制所述电机45的运行状态，包括启停控制、转向控制、转动角度控制等。

作为一种优选实施例，所述控制系统优选由采集卡、工控机和驱动电路等部分组成，图中未示出。其中，采集卡可以连接所述的接收光路系统23，用于采集接收光路系统23输出的电信号，并转换处理成相应的数字信号（例如所述的接收数据），发送至工控机。

工控机作为整个激光雷达的控制核心，一方面生成控制信号，发送至驱动电路，以驱动电机45运行，进而实现对遮光板31、32、33、34的开合控制；另一方面根据采集卡输出的数字信号确定出激光雷达的发射光轴的调整方向和角度，进而生成相应的控制信号，通过驱动电路控制可调电控镜架14动作，以调节反射镜13的角度或位置，进而实现发射光轴的调整，实现收发光轴准直。第三方面，在激光雷达的收发光轴准直操作结束并投入正常使用后，通过驱动电路控制电机45运行，打开四块遮光板31-34，利用望远镜20的整个接收光窗22接收大气回波信号。然后，对采集卡输出的数字信号进行存储，并根据所述数字信号，利用现有的雷达信号探测方法生成目标探测结果，并进行存储和显示。

此外，本实施例在激光雷达的望远镜20上设置四象限遮光机构30，除了可以用于收发光轴的准直过程外，还可以使激光雷达具有自动采集背景信号的功能。即，在需要采集激光雷达的背景信号时，工控机通过驱动电路驱动电机45运行，将四块遮光板31-34全部关闭，并通过接收光路系统23接收望远镜20采集的光信号，并转换成相应的电信号，由采集卡采集并转换后，形成激光雷达的背景信号，即，雷达底噪。该雷达底噪可应用于收发光轴的校准过程中。

下面结合图3-图5所示的激光雷达，详细阐述本实施例的收发光轴校正方法中在第一方向上校准发射光轴S102和在第二方向上校准发射光轴S103所涉及的具体过程。

如图2所示，以先从第一方向上进行光轴校准为例进行说明，包括以下过程：

S201、选定对比高度区间H1，启动激光器发射激光光束；

在本实施例中，根据本实施例的四象限划分方式，无论是共轴激光雷达，还是旁轴激光雷达，针对第一方向选择对比高度区间H1时，只需选择信噪比较好的高度即可。例如可以选择1km~4km作为对比高度区间H1，即，对比高度的起始位置m=1km，对比高度的结束位置n=4km。当然，也可以选择其他区间，只需满足：n-m≥2km的要求即可。

信号的对比高度区间可根据实际的天气情况进行选择，以信噪比高且无云的高度为宜。

S202、利用望远镜的接收光窗的第一象限Ⅰ单独接收大气回波信号，并采集对比高度区间H1内每一个距离点i的接收信号，形成接收数据;

在本实施例中，可以控制遮光板31向上旋转90°打开，其余遮光板32-34关闭。此时，大气回波信号由望远镜20处于第一象限Ⅰ的接收光窗接收，传输至接收光路系统23，生成与接收到的光信号的强度相对应的电信号，经由采集卡采集后，生成接收数据发送至工控机进行记录。

作为一种优选实施例，工控机预设设定时间T（例如T=1分钟），针对对比高度区间H1内的每一个距离点i分别在设定时间T内多次采集接收数据，然后对设定时间T内采集到的接收数据进行累加、平均以及去背景处理后，生成该距离点i的接收数据。其中，相邻两个距离点之间的距离差可以根据激光雷达采集数据的距离分辨率确定。

所述去背景处理为现有技术，去除的信号包括雷达底噪、大气中的光信号等。其中，雷达底噪的获取可以参照上述激光雷达背景信号的采集方式。

接收数据采集结束后，控制遮光板31向下旋转90°关闭。

S203、利用望远镜的接收光窗的第二象限Ⅱ单独接收大气回波信号，并采集对比高度区间内H1每一个距离点i的接收信号，形成接收数据;

在本实施例中，可以控制遮光板32向上旋转90°打开，其余遮光板31、33、34关闭。此时，大气回波信号由望远镜20处于第二象限Ⅱ的接收光窗接收，传输至接收光路系统23，生成与接收到的光信号的强度相对应的电信号，经由采集卡采集后，生成接收数据发送至工控机进行记录。

工控机在对比高度区间H1内针对每一个距离点i分别在设定时间T内多次采集接收数据，然后对设定时间T内采集到的接收数据进行累加、平均以及去背景处理后，生成该距离点i的接收数据。

接收数据采集结束后，控制遮光板32向下旋转90°关闭。

S204、计算与的均方根差；

将接收数据和代入以下均方根差计算公式，计算均方根差：

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S205、若小于等于设定的准直阈值，则无需在第一方向上调整发射光轴，跳转至过程S208；

在本实施例中，所述准直阈值在理想情况下应该为0。在实际过程中可以根据用户所要求的光轴准直精度具体确定。越小，说明与的差越小，在第一方向上收发光轴的准直效果越好。

S206、若大于设定的准直阈值，则计算与的平均值，分别记为、；

在本实施例中，可以将对比高度区间H1内所有距离点i的接收数据累加后求平均，以生成。同理，将对比高度区间H1内所有距离点i的接收数据累加后求平均，以生成。

S207、比较与，若>，则调节发射光轴向第二象限Ⅱ的方向倾斜；若<，则调节发射光轴向第一象限Ⅰ的方向倾斜；

在本实施例中，可以通过工控机调整可调电控镜架14将激光雷达的发射光轴向第一象限Ⅰ或第二象限Ⅱ的方向倾斜。

为了提高调整速度和精度，本实施例设置调整步数B1，按照调整步数B1逐步调节发射光轴，并在每一次调节后，重复执行过程S202至S207，直到小于等于设定的准直阈值时，发射光轴在第一方向上的调整过程结束。

在本实施例中，所述调整步数B1的设置优选与成正比例关系，以缩短收发光轴的校准时间。

下面开始在第二方向上进行收发光轴的校准。

S208、选定对比高度区间H2；

在本实施例中，根据本实施例的四象限划分方式，若是旁轴激光雷达，由于旁轴激光雷达在对比高度上具有盲区Overlap，因此在y轴方向上的两个象限Ⅲ、Ⅳ的接收信号在Overlap区域内会有不同。由于第三象限Ⅲ距离发射的激光光束16更近，其在Overlap区域内的接收信号会高于第四象限Ⅳ在Overlap区域内的接收信号，因此，对y轴方向上的两个象限信号进行对比时，要避开Overlap区域。

假设Overlap区域的高度为RO，则可以选择高于RO的距离形成对比高度区间H2。例如可以选择RO+1km~RO+3km作为对比高度区间H2，即，对比高度的起始位置M= RO+1km，对比高度的结束位置N= RO+3km。当然，也可以选择其他区间，只需满足：N>M>RO且N-M≥2km的要求即可。

若是共轴激光雷达，则针对第二方向选择对比高度区间H2时，只需选择信噪比较好的高度即可，不必考虑盲区Overlap的影响。

S209、利用望远镜的接收光窗的第三象限Ⅲ单独接收回波信号，并采集对比高度区间H2内每一个距离点i的接收信号，形成接收数据;

在本实施例中，可以控制遮光板33向上旋转90°打开，其余遮光板31、32、34关闭。此时，大气回波信号由望远镜20处于第三象限Ⅲ的接收光窗接收，传输至接收光路系统23，生成与接收到的光信号的强度相对应的电信号，经由采集卡采集后，生成接收数据发送至工控机进行记录。

工控机在对比高度区间H2内针对每一个距离点i分别在设定时间T内多次采集接收数据，然后对设定时间T内采集到的接收数据进行累加、平均以及去背景处理后，生成该距离点i的接收数据。

接收数据采集结束后，控制遮光板33向下旋转90°关闭。

S210、利用望远镜的接收光窗的第四象限Ⅳ单独接收回波信号，并采集对比高度区间H2内每一个距离点i的接收信号，形成接收数据;

在本实施例中，可以控制遮光板34向上旋转90°打开，其余遮光板31、32、33关闭。此时，大气回波信号由望远镜20处于第四象限Ⅳ的接收光窗接收，传输至接收光路系统23，生成与接收到的光信号的强度相对应的电信号，经由采集卡采集后，生成接收数据发送至工控机进行记录。

工控机在对比高度区间H2内针对每一个距离点i分别在设定时间T内多次采集接收数据，然后对设定时间T内采集到的接收数据进行累加、平均以及去背景处理后，生成该距离点i的接收数据。

接收数据采集结束后，控制遮光板34向下旋转90°关闭。

S211、计算与的均方根差；

将接收数据和代入以下均方根差计算公式，计算均方根差：

。

S212、若小于等于设定的准直阈值，则无需在第二方向上调整发射光轴，跳转至过程S215；

在本实施例中，所述准直阈值在理想情况下应该为0。在实际过程中可以根据用户所要求的光轴准直精度具体确定。这里的准直阈值可以设置得与过程S205中的准直阈值相同，亦可以不同。越小，说明与的差越小，在第二方向上收发光轴的准直效果越好。

S213、若大于设定的准直阈值，则计算与的平均值，分别记为、；

在本实施例中，可以将对比高度区间H2内所有距离点i的接收数据累加后求平均，以生成。同理，将对比高度区间H2内所有距离点i的接收数据累加后求平均，以生成。

S214、比较与，若>，则调节发射光轴向第四象限Ⅳ的方向倾斜；若<，则调节发射光轴向第三象限Ⅲ的方向倾斜；

在本实施例中，可以通过工控机调整可调电控镜架14将激光雷达的发射光轴向第三象限Ⅲ或第四象限Ⅳ的方向倾斜。

为了提高调整速度和精度，本实施例设置调整步数B2，按照调整步数B2逐步调节发射光轴，并在每一次调节后，重复执行过程S209至S214，直到小于等于设定的准直阈值时，发射光轴在第二方向上的调整过程结束。

在本实施例中，所述调整步数B2的设置优选与成正比例关系，以缩短收发光轴的校准时间。

S215、激光雷达的发射光轴与接收光轴的校准过程结束。

在整个收发光轴校准过程中，第一方向（x轴方向）和第二方向（y轴方向）的校准顺序可以互换。

本实施例的激光雷达收发光轴校准方法简单、易操作，自动化程度高，可以在激光雷达无人值守的情况下自动完成光轴校准任务，且校准精度好、校准效率高，在激光雷达的业务化应用上可以起到重要的推动作用。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前能够提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法，所述激光雷达利用望远镜的接收光窗接收激光光束发射到大气后的回波信号，并转换成相应的模拟量或数字量的接收信号；其特征在于，所述校准方法包括：

象限划分：对望远镜的接收光窗进行区域划分，形成四个象限；其中，第一象限与第二象限呈中心对称关系，第三象限与第四象限呈中心对称关系；配置四块遮光板在望远镜的接收光窗上形成的四个遮挡区域与接收光窗所需要划分成的四个象限重合；配置传动机构对所述四块遮光板进行开合控制，使接收光窗的四个象限单独接收大气回波信号；

在第一方向上校准发射光轴：将第一象限与第二象限作为一组，分别单独接收回波信号，并采集两个象限的接收信号，调节激光雷达的发射光轴向接收信号小的象限方向倾斜，直到第一象限的接收信号与第二象限的接收信号相当；

在第二方向上校准发射光轴：将第三象限与第四象限作为一组，分别单独接收回波信号，并采集两个象限的接收信号，调节激光雷达的发射光轴向接收信号小的象限方向倾斜，直到第三象限的接收信号与第四象限的接收信号相当。

2.根据权利要求1所述的激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法，其特征在于，所述在第一方向上校准发射光轴的过程包括：

（1-1）选定对比高度区间H1；

（1-2）利用望远镜的接收光窗的第一象限单独接收回波信号，并采集对比高度区间H1内每一个距离点i的接收信号，形成接收数据 ;

（1-3）利用望远镜的接收光窗的第二象限单独接收回波信号，并采集对比高度区间内H1每一个距离点i的接收信号，形成接收数据;

（1-4）计算与的均方根差；若小于等于设定的准直阈值，则无需在第一方向上调整发射光轴；若大于设定的准直阈值且>，则调节发射光轴向第二象限的方向倾斜；若大于设定的准直阈值且<，则调节发射光轴向第一象限的方向倾斜；其中，为的平均值，为的平均值。

3.根据权利要求2所述的激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法，其特征在于，在所述过程（1-4）中，若大于设定的准直阈值，则设置调整步数B1，按照调整步数B1逐步调节发射光轴，并在每一次调节后，重复执行所述过程（1-2）至（1-4），直到小于等于设定的准直阈值。

4.根据权利要求3所述的激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法，其特征在于，所述调整步数B1的设置与成正比例关系。

5.根据权利要求2所述的激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法，其特征在于，在采集所述第一象限和第二象限的接收数据时，针对每一个距离点i分别在设定时间内多次采集接收数据，对所述设定时间内采集到的接收数据进行累加、平均以及去背景处理后，生成该距离点i的接收数据或。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法，其特征在于，所述在第二方向上校准发射光轴的过程包括：

（2-1）选定对比高度区间H2；

（2-2）利用望远镜的接收光窗的第三象限单独接收回波信号，并采集对比高度区间H2内每一个距离点i的接收信号，形成接收数据;

（2-3）利用望远镜的接收光窗的第四象限单独接收回波信号，并采集对比高度区间H2内每一个距离点i的接收数信号，形成接收数据;

（2-4）计算与的均方根差；若小于等于设定的准直阈值，则无需在第二方向上调整发射光轴；若大于设定的准直阈值且>，则调节发射光轴向第四象限的方向倾斜；若大于设定的准直阈值且<，则调节发射光轴向第三象限的方向倾斜；其中，为的平均值，为的平均值。

7.根据权利要求6所述的激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法，其特征在于，在所述过程（2-4）中，若大于设定的准直阈值，则设置调整步数B2，按照调整步数B2逐步调节发射光轴，并在每一次调节后，重复执行所述过程（2-2）至（4-4），直到小于等于设定的准直阈值。

8.根据权利要求7所述的激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法，其特征在于，所述调整步数B2的设置与成正比例关系。

9.根据权利要求6所述的激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法，其特征在于，在采集所述第三象限和第四象限的接收数据时，针对每一个距离点i分别在设定时间内多次采集接收数据，对所述设定时间内采集到的接收数据进行累加、平均以及去背景处理后，生成该距离点i的接收数据或。

10.根据权利要求6所述的激光雷达的发射光轴与接收光轴校准方法，其特征在于，当所述激光雷达为旁轴激光雷达时，

在所述象限划分过程中，在望远镜的接收光窗所在平面内建立虚拟直角坐标系，其中，所述虚拟直角坐标系的原点为接收光窗的中心，y轴穿过激光雷达在收发光轴准直情况下出射至大气的激光光束的中心；所述第一象限和第二象限分别关于虚拟直角坐标系的x轴呈轴对称区域；所述第三象限和第四象限分别关于虚拟直角坐标系的y轴呈轴对称区域；

在所述选定对比高度区间H2的过程中，H2的下限值大于旁轴激光雷达的盲区所对应的对比高度。

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