CN112346036A - 一种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置及方法 - Google Patents

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王炫权
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Abstract

一种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置及方法，能够消除因背景光、环境光、温度等多环境变量所引起的相关误差，解决传统标定装置受外界光干扰的问题，实现固态面阵激光雷达抗外界光标定。装置包括：组合式背景灯(1)、匀光扩束模块(2)、标定板(3)、环境光源(4)、冷却装置(5)、固态面阵激光雷达(6)；组合式背景灯(1)可发射多种状态光线，所发光线经过匀光扩束模块形成光强均匀且发散角大的平行光束，进而投射到标定板(3)的附近，形成环绕标定板(3)的背景光；环境光源(4)处于标定板(3)与固态面阵激光雷达(6)之间，其空间光强和分布方位通过用户配置；固态面阵激光雷达在标定过程中放置在冷却装置内。

Description

一种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置及方法
技术领域
本发明属于固态面阵激光雷达标定的技术领域，尤其涉及一种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置，以及一种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定方法。
背景技术
目前，固态面阵激光雷达作为一种新兴的三维成像测距装置，由于帧频快、测量精度高、分辨率高等优势广泛应用于众多行业，可有效完成工业检测、目标识别、环境感知等任务。为了满足实际应用的需要，固态面阵激光雷达在使用前需要进行标定，以提高测量精度。
然而固态面阵激光雷达在标定过程中通常容易受温度、外界光等影响，导致经过标定后依然存在测量误差大、精度低等问题。传统的标定过程一般在暗室或者固定光强下进行，但是当工作环境与标定环境的外界光强不一致时，标定完成后的固态面阵激光雷达会因环境参数的改变而增加测量误差。此外，随着工作时间的增加，固态面阵激光雷达自身的温度会呈非线性状态增加，若在标定过程中外界环境或者设备自身未能保持恒温，则测量误差会随着温度的改变而增大，导致测距精度降低。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置，其能够消除因背景光、环境光、温度等多环境变量所引起的相关误差，解决了传统标定装置受外界光干扰的问题，实现了固态面阵激光雷达抗环境光标定。
本发明的技术方案是：这种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置，其包括：组合式背景灯(1)、匀光扩束模块(2)、标定板(3)、环境光源(4)、冷却装置(5)、固态面阵激光雷达(6)；
组合式背景灯(1)可发射多种状态光线，光线经过匀光扩束模块形成光强均匀且发散角大的平行光束，进而投射到标定板(3)的附近，形成环绕标定板(3)的背景光；
环境光源(4)处于标定板(3)与固态面阵激光雷达(6)之间，其空间光强以及分布方位通过用户配置；
固态面阵激光雷达(6)在标定过程中放置在冷却装置(5)内。
本发明通过标定装置可以模拟出不同背景光、环境光、温度等多环境变量，在上述不同环境状态下对固态面阵激光雷达进行标定，并存储不同外界光、温度等环境状态的标定数据，进而能够消除因上述状态所引起的相关误差，解决传统标定装置受外界光干扰的问题，实现固态面阵激光雷达抗环境光标定。
还提供了这种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置的使用方法，其包括以下步骤：
(1)设置固态面阵激光雷达与标定板之间的距离，使其处于光斑质量最优处，通过延迟锁相环对激光器触发时刻进行延迟，进而模拟产生不同距离效果；
(2)按照设定策略开启组合式背景灯，照亮标定板不同背景区域，完成在不同方位背景光强度下对固态面阵激光雷达进行标定；
(3)开启环境光源，改变环境光源工作功率，进而改变环境光强度，同时设置光强梯度值，使环境光强按照线性增大或减小；
(4)调节冷却装置的工作状态，设置固态面阵激光雷达的标定温度环境；
(5)重复步骤(2)-(4)，将背景光、环境光、温度这三种环境变量的不同状态进行组合，分别在上述不同环境变量下对固态面阵激光雷达进行标定，并存储不同标定环境参数下的距离测量值；
(6)计算不同环境下的距离测量值与设定值之间的误差值，并对误差结果进行插值，绘制误差标定曲线。
附图说明
图1为根据本发明的一种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置结构示意图。
图2为根据本发明的一种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置中组合式背景灯的示意图。
图3为根据本发明的一种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置中组合式背景灯的状态表。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
如图1所示，这种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置，其包括：组合式背景灯1、匀光扩束模块2、标定板3、环境光源4、冷却装置5、固态面阵激光雷达6；
组合式背景灯1可发射多种状态光线，光线经过匀光扩束模块形成光强均匀且发散角大的平行光束，进而投射到标定板3的附近，形成环绕标定板3的背景光；
环境光源4处于标定板3与固态面阵激光雷达6之间，其空间光强以及分布方位通过用户配置；
固态面阵激光雷达6在标定过程中放置在冷却装置5内(以保证工作过程中固态面阵激光雷达本身及其工作环境均保持恒温)。
本发明通过标定装置可以模拟出不同背景光、环境光、温度等多环境变量，在上述不同环境状态下对固态面阵激光雷达进行标定，并存储不同外界光、温度等环境状态的标定数据，进而能够消除因上述状态所引起的相关误差，解决传统标定装置受外界光干扰的问题，实现固态面阵激光雷达抗环境光标定。
优选地，如图2所示，所述组合式背景灯1由多个光源组成，中间为主灯，四周为多个辅灯；主灯和辅灯均具有开关，通过对不同光源开闭状态进行组合，模拟出背景光的不同形态(通过对不同光源开闭状态进行组合，可模拟出不同形状光斑)；组合式背景灯光的波长覆盖可见光和近红外波段，用以提供标定板背景光。
优选地，所述环境光源4的亮度是可调节的，频谱范围覆盖全波段，用以模拟外界太阳光。
优选地，所述冷却装置5内温度范围可调。可保证固态面阵激光雷达在工作过程中其本身温度与冷却装置内温度基本保持一致。
还提供了一种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定方法，其包括以下步骤：
(1)设置固态面阵激光雷达与标定板之间的距离，使其处于光斑质量最优处，通过延迟锁相环对激光器触发时刻进行延迟，进而模拟产生不同距离效果；
(2)按照设定策略开启组合式背景灯，照亮标定板不同背景区域，完成在不同方位背景光强度下对固态面阵激光雷达进行标定；
(3)开启环境光源，改变环境光源工作功率，进而改变环境光强度，同时设置光强梯度值，使环境光强按照线性增大或减小；
(4)调节冷却装置的工作状态，设置固态面阵激光雷达的标定温度环境；
(5)重复步骤(2)-(4)，将背景光、环境光、温度这三种环境变量的不同状态进行组合，分别在上述不同环境变量下对固态面阵激光雷达进行标定，并存储不同标定环境参数下的距离测量值；
(6)计算不同环境下的距离测量值与设定值之间的误差值，并对误差结果进行插值，绘制误差标定曲线。
优选地，如图3所示，所述步骤(2)的设定策略，包括：主灯开辅灯全开、主灯开辅灯全关、主灯开辅灯部分关、主灯关辅灯部分关、主灯关辅灯全关。据图3所示，1代表工作状态，0代表关闭状态，通过对主/辅灯的状态进行有规则的组合，可实现对标定板的不同背景区域方位进行照亮。
优选地，所述步骤(6)的插值方法为，根据公式(1)定义曲线方程，将两个离散的误差值(X0，X1)之间区域分割为n个区间，通过计算分段函数(x0，x1)、…、(xi，xi+1)、…、(xn-1，xn)区间内的顶点坐标di、以及基函数Si(x)确定曲线形式p(x)
Figure BDA0002775144320000051
其中，每个分段(xi，xi+1)的基函数形式为公式(2)
Si(x)＝ai+bi(x-xi)+ci(x-xi)2+di(x-xi)3,i＝0,1,...,n-1 (2)
式中ai、bi、ci、di分别为不同分段i内的常数项、一次项、二次项、三次项的系数。
由此，完成了两个离散误差值(X0，X1)之间的插值，以此推广到(X1，X2)、…、(Xk，Xk+1)、…、(XN-1，XN),即可形成覆盖全测试距离范围的误差曲线。
插值具体方法如表1所示。
表1
Figure BDA0002775144320000061
*DMeasure(Xk)为Xk处测量值；
**DSet(Xk)为Xk处设定值；
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置，其特征在于：其包括：组合式背景灯(1)、匀光扩束模块(2)、标定板(3)、环境光源(4)、冷却装置(5)、固态面阵激光雷达(6)；
组合式背景灯(1)可发射多种状态光线，光线经过匀光扩束模块形成光强均匀且发散角大的平行光束，进而投射到标定板(3)的附近，形成环绕标定板(3)的背景光；
环境光源(4)处于标定板(3)与固态面阵激光雷达(6)之间，其空间光强以及分布方位通过用户配置；
固态面阵激光雷达(6)在标定过程中放置在冷却装置(5)内。
2.根据权利要求1所述的抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置，其特征在于：所述组合式背景灯(1)由多个光源组成，中间为主灯，四周为多个辅灯；主灯和辅灯均具有开关，通过对不同光源开闭状态进行组合，模拟出背景光的不同形态；组合式背景灯光的波长覆盖可见光和近红外波段，用以提供标定板背景光。
3.根据权利要求2所述的抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置，其特征在于：所述环境光源(4)的亮度是可调节的，频谱范围覆盖全波段，用以模拟外界太阳光。
4.根据权利要求3所述的抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定装置，其特征在于：所述冷却装置(5)内温度可调，可保证固态面阵激光雷达(6)在工作过程中温度保持恒温状态。
5.一种抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)设置固态面阵激光雷达与标定板之间的距离，使其处于光斑质量最优处，通过延迟锁相环对激光器触发时刻进行延迟，进而模拟产生不同距离效果；
(2)按照设定策略开启组合式背景灯，照亮标定板不同背景区域，完成在不同方位背景光强度下对固态面阵激光雷达的标定；
(3)开启环境光源，改变环境光源工作功率，进而改变环境光强度，同时设置光强梯度值，使环境光强按照线性增大或减小；
(4)调节冷却装置的工作状态，设置固态面阵激光雷达的标定温度环境；
(5)重复步骤(2)-(4)，将背景光、环境光、温度这三种环境变量的不同状态进行组合，分别在上述不同环境变量下对固态面阵激光雷达进行标定，并存储不同标定环境参数下的距离测量值；
(6)计算不同环境下的距离测量值与设定值之间的误差值，并对误差结果进行插值，绘制误差标定曲线。
6.根据权利要求5所述的抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定方法，其特征在于：所述步骤(2)的设定策略，包括：主灯开辅灯全开、主灯开辅灯全关、主灯开辅灯部分关、主灯关辅灯部分关、主灯关辅灯全关。
7.根据权利要求6所述的抗外界光干扰的固态面阵激光雷达标定方法，其特征在于：根据公式(1)定义曲线方程，将两个离散误差值(X0，X1)之间区域分割为n个区间，通过计算分段函数(x0，x1)、…、(xi，xi+1)、…、(xn-1，xn)区间内的顶点坐标di、以及基函数Si(x)确定曲线形式p(x)
Figure FDA0002775144310000021
其中，每个分段(xi，xi+1)的基函数形式为公式(2)
Si(x)＝ai+bi(x-xi)+ci(x-xi)2+di(x-xi)3,i＝0,1,...,n-1 (2)
式中ai、bi、ci、di分别为不同分段i内的常数项、一次项、二次项、三次项的系数。
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