CN113625258A - 用于激光雷达视轴监测的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于激光雷达视轴监测的装置，激光雷达包括发射激光器(2)、电动小孔光阑(3)、探测器(5)，发射激光器(2)发射激光经电动小孔光阑(3)后由探测器(5)接收；其特征在于视轴监测的装置包括指示激光器(1)和CCD相机(6)，指示激光器(1)模拟发射激光器(2)发出指示激光，CCD相机(6)替代探测器(5)接收指示激光并标记指示激光的光斑。该装置可以直观的将发射轴的位置和接收视场的相对位置标记出来，实时的对收发视轴进行监测。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达领域，具体是一种用于激光雷达视轴监测的装置和方法。
背景技术
激光雷达是指通过发射激光照射被测物，并接收被测物的反射光信号，通过分析接收到的反射光信号的强度、波长、频率、时间等信息，推算被测物或其他相关事物性质的装置。被测物可以是实体物质如建筑物、人体、车辆、飞机等，也可以是体积微小的物质如灰尘、细胞，甚至可以是分子、原子。
被测物的反射光信号的，一般通过由一系列光学镜片构成的光学接收系统接收，一般简称为接收望远镜。
光学接收系统存在一定的接收范围或接收视场，接收范围以外或接收视场以外的反射光信号无法被接收；这个接收范围一般是由处于接收系统焦点处的通光小孔的直径所限制，小孔越小，接收视场越小，这个通光小孔称之为小孔光阑；一般来说希望接收视场尽可能小以压缩背景光噪声。接收视场的几何中心轴，称之为接收系统光轴或接收视轴。发射激光的几何中心轴，称之为发射轴。若要保证反射信号光得以接收，就必须使发射的激光处于光学接收系统的接收视场以内，即发射轴与接收视场的对准。(类似于，黑暗中用摄像机录影(光学接收系统)，需要用探照灯照明(发射激光)，并且需要视摄像机和探照灯对准同样的方向，才能拍摄到影像。)
在激光雷达中，一般会将发射轴调节至接收视场的中心位置，并固定，以保证发射轴和接收视轴的最佳对准。但由于固定装置或激光器或光学接收系统无法避免的变形(包括重力变形、应力释放变形、热胀冷缩变形或温度变化导致光学镜片的变形)，导致发射轴和接收视场逐渐失调，反射光信号无法得到有效接收，影响测量结果的可靠性。
为了解决以上问题，需要有一套装置对发射轴和接收视轴的对准情况进行监测，得到发射轴偏离接收视场的方向和程度，进而反馈至发射轴或接收视场的调节装置，调整两者至最佳对准位置。
现有技术中大致给出了以下几种解决方案：
方案1：通过扫描发射轴方向，判断当前发射轴方向是否可使光学接收系统接收到最强的反射光信号。若是，则当前发射轴与光学接收系统为最佳对准位置。若否，则不是最佳对准位置；使光学接收系统接收到最强的发射光信号的发射轴方向为最佳对准位置。
缺陷：
1、需要扫描若干个方向位置，耗时长，且扫描过程中激光雷达无法正常探测信号。
2、若要精确定位最佳对准位置，则扫描步长需要更小，进而导致扫描耗时更长；反之，若要使扫描耗时更短，则会导致对准精度下降。
3、若发射激光已经完全位于接收视场范围以内，则接收信号均可达到最强，无法判断发射轴是否位于接收视场中心位置或边缘位置；若发射激光位于接收视场边缘即认为达到最佳对准位置，则有可能有微小的系统变形即可使发射轴偏离接收视场；若能使发射轴处于接收视场中心位置，则可以容忍更大的系统变形。
方案2：从发射激光中，分一部分光作为指示光，使之进入光学接收系统。若光学接收系统接收的指示光强度变弱，则证明发射轴与光学接收系统已经失调；通过扫描发射轴方向，使光学接收系统接受的指示光最强，则当前发射轴方向为最佳对准位置。
缺陷：
1、从发射激光分一部分光作为指示光会使有效发射激光功率变小，影响探测能力。
2、光学接收系统接收的指示光强度变弱，未必是发射轴和接收视场失调导致，亦有可能是分光装置变形等原因导致。工程实现中，分光装置的稳定性亦难以保证。
3、若发射轴和接收视场已经失调，则需要同方案1类似的扫描方法找到最佳对准位置，同样存在耗时长、扫描过程无法正常探测、扫描精度和耗时矛盾的问题。
方案3：从发射激光中，分一部分光作为指示光，使之通过光学接收系统后射入CCD。若指示光在CCD中成像的位置发生变化，则证明发射轴和光学接收系统已经失调。调整发射轴视指示光在CCD中城乡的位置回到原始位置，则系统实现最佳对准。
方案3改进了方案2缺点中的第3点，但仍存在方案2的其他缺点。
发明内容
在激光雷达系统中，发射激光与接收望远镜光轴的对准是保证激光雷达系统探测可靠性的关键技术之一。激光雷达开展探测过程中，由于环境温度变化、光学平台振动、机械变形等原因会导致发射光束的发射轴和接收系统光轴偏离，从而影响测量结果的可靠性。为了解决以上问题，需要有一套装置对发射光束的发射轴和接收系统光轴的对准情况进行监测，得到发射轴偏离接收系统光轴的方向和程度，进而反馈至调节装置，调整两者至最佳对准位置。
技术方案：
本发明首先公开了一种用于激光雷达视轴监测的装置，激光雷达包括发射激光器(2)、电动小孔光阑(3)、探测器(5)，发射激光器(2)发射激光经电动小孔光阑(3)后由探测器(5)接收；其特征在于视轴监测的装置包括指示激光器(1)和CCD相机(6)，指示激光器(1)模拟发射激光器(2)发出指示激光，CCD相机(6)替代探测器(5)接收指示激光并标记指示激光的光斑。
优选的，它还包括调整支架(4)，发射激光器(2)发射激光首先经过调整支架(4)发射至大气中经大气散射，再通过望远镜接收，然后穿过电动小孔光阑(3)，最后由探测器(5)接收；通过改变调整支架(4)角度实现视轴对准。
优选的，调整支架(4)包括设置在基座上的反射镜片，通过调整支架(4)改变发射激光光斑的中心位置。
优选的，它还包括动位移导轨(7)，CCD相机(6)和探测器(5)均固定于动位移导轨(7)上，通过动位移导轨(7)改变CCD相机(6)和探测器(5)的横向位移。
本发明还公开了一种用于激光雷达视轴监测的方法，它包括以下步骤：
S1、发射激光器(2)工作，指示激光器(1)不工作，移动CCD相机(6)至接收位置，调整电动小孔光阑(3)变大直至CCD相机(6)接收到发射激光光斑，并标记发射激光光斑的位置；
S2、发射激光器(2)不工作，指示激光器(1)工作，调整电动小孔光阑(3)至正常状态，CCD相机(6)接收指示激光的光斑，并标记出指示激光光斑的中心位置；
S3、发射激光器(2)工作，指示激光器(1)不工作，观测发射激光光斑是否与指示激光器光斑重合，不重合则判断为视轴故障。
作为一种实现方式，S1-S3中，激光器工作和不工作的状态切换通过以下任一种设置实现：
直接开启或关闭相应的激光器，实现激光器的工作或不工作；或
将指示激光器(1)和发射激光器(2)设置为发射不同的波长，通过更换滤光片实现激光器的工作或不工作；或
将指示激光器(1)和发射激光器(2)设置为发射不同的波长，CCD相机(6)设置为彩色相机；通过设置CCD相机(6)接收激光条件实现相应激光器的工作或不工作。
优选的，它还包括步骤：
S4、调整调整支架(4)将发射激光光斑移动至S2中指示激光光斑的中心位置；
S5、移动探测器(5)至接收位置，系统开始正常探测。
作为一种实现方式，CCD相机(6)和探测器(5)的移动通过机械结构或动位移导轨(7)动作实现位移。
作为另一种实现方式，CCD相机(6)和探测器(5)的之间设置折射光路，通过激光折射替代CCD相机(6)和探测器(5)的移动。
作为第三种实现方式，CCD相机(6)和探测器(5)由阵列式探测器替代，兼具CCD相机(6)和探测器(5)的功能，则不需要机械结构切换CCD相机(6)和探测器(5)。
本发明的有益效果
在激光雷达的工作过程中，因为机械变形、温度变形、重力变形等因素，不可避免的存在发射轴和接收轴失调的问题。本发明可以直观的将发射轴的位置和接收视场的相对位置标记出来，并据此调整发射轴方向，使之重合；本发明可以实时的对收发视轴进行监测，并进行实时的调整；未采用遍历发射轴角度的方案寻找接收视场，监测速度较快，避免对系统正常工作造成较大影响；未采用光学或机械等效测量方案，避免了等效装置本身引入的误差。
附图说明
图1为实施例1中步骤S1时的装置示意图
图2为实施例1中步骤S1时发射激光光斑在CCD相机上的位置示意图
图3为实施例1中步骤S2时的装置示意图
图4为实施例1中步骤S2时指示激光光斑在CCD相机上的位置示意图
图5为实施例1中步骤S4时发射激光光斑移动至指示激光光斑的中心位置示意图
图6为实施例1中步骤S5时的装置示意图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
结合图1，一种用于激光雷达视轴监测的装置，激光雷达包括发射激光器2、电动小孔光阑3、探测器5，发射激光器2发射激光经电动小孔光阑3后由探测器5接收；其特征在于视轴监测的装置包括指示激光器1和CCD相机6，指示激光器1模拟发射激光器2发出指示激光，CCD相机6替代探测器5接收指示激光并标记指示激光的光斑。该装置可以直观的将发射轴的位置和接收视场的相对位置标记出来，实时的对收发视轴进行监测。
优选的实施例中，它还包括调整支架4，发射激光器2发射激光首先经过调整支架4发射至大气中经大气散射，再通过望远镜接收，然后穿过电动小孔光阑3，最后由探测器5接收；通过改变调整支架4角度实现视轴对准。通过调整支架4可调整发射轴方向，使之重合；本发明可以实时的对收发视轴进行实时的调整。
优选的实施例中，调整支架4包括设置在基座上的反射镜片，基座可小范围转动。由两个电动螺杆，推动基座的两个角，实现基座围绕X轴或Y轴的转动，实现反射镜的角度变化。优选的实施例中，调整支架4选用Newport公司的电动反射镜调整架Picomoto，型号8821。
作为CCD相机6和探测器5的一种实现方式，它还包括动位移导轨7，CCD相机6和探测器5均固定于动位移导轨7上，通过动位移导轨7改变CCD相机6和探测器5的横向位移。
实施例1给出了一种用于激光雷达视轴监测的方法，它包括以下步骤：
S1、结合图1，发射激光器2工作，指示激光器1不工作，移动CCD相机6至接收位置，调整电动小孔光阑3变大直至CCD相机6接收到发射激光光斑，并标记发射激光光斑的位置如图2所示(避免S3中无法观测到发射激光光斑的位置)；
S2、结合图3，发射激光器2不工作，指示激光器1工作，调整电动小孔光阑3至正常状态，CCD相机6接收指示激光的光斑，并标记出指示激光光斑的中心位置如图4所示；
S3、发射激光器2工作，指示激光器1不工作，观测发射激光光斑是否与指示激光器光斑重合，不重合则判断为视轴故障。
S4、调整调整支架4将发射激光光斑移动至S2中指示激光光斑的中心位置如图5所示；
S5、移动探测器5至接收位置如图6所示，系统开始正常探测。
通过以上方案，本发明未采用遍历发射轴角度的方案寻找接收视场，监测速度较快，避免对系统正常工作造成较大影响；未采用光学或机械等效测量方案，避免了等效装置本身引入的误差。解决了激光雷达工作过程中，因为机械变形、温度变形、重力变形等因素带来的发射轴和接收轴失调的问题。
在指示激光器1和发射激光器2工作状态切换的实现方案中，可以通过以下任一种设置实现：
直接开启或关闭相应的激光器，实现激光器的工作或不工作；或
将指示激光器1和发射激光器2设置为发射不同的波长，通过更换滤光片实现激光器的工作或不工作；或
将指示激光器1和发射激光器2设置为发射不同的波长，CCD相机6设置为彩色相机；通过设置CCD相机6接收激光条件实现相应激光器的工作或不工作。
在实施例1中，CCD相机6和探测器5的移动通过机械结构或动位移导轨7动作实现位移。
在一个替代方案中，CCD相机6和探测器5的之间设置折射光路，通过激光折射替代CCD相机6和探测器5的移动。
在另一个替代方案中，CCD相机6和探测器5由阵列式探测器替代，兼具CCD相机6和探测器5的功能，则不需要机械结构切换CCD相机6和探测器5。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种用于激光雷达视轴监测的装置，激光雷达包括发射激光器(2)、电动小孔光阑(3)、探测器(5)，发射激光器(2)发射激光经电动小孔光阑(3)后由探测器(5)接收；其特征在于视轴监测的装置包括指示激光器(1)和CCD相机(6)，指示激光器(1)模拟发射激光器(2)发出指示激光，CCD相机(6)替代探测器(5)接收指示激光并标记指示激光的光斑。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于它还包括调整支架(4)，发射激光器(2)发射激光首先经过调整支架(4)发射至大气中经大气散射，再通过望远镜接收，然后穿过电动小孔光阑(3)，最后由探测器(5)接收；通过改变调整支架(4)角度实现视轴对准。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于调整支架(4)包括设置在基座上的反射镜片，通过调整支架(4)改变发射激光光斑的中心位置。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于它还包括动位移导轨(7)，CCD相机(6)和探测器(5)均固定于动位移导轨(7)上，通过动位移导轨(7)改变CCD相机(6)和探测器(5)的横向位移。
5.一种用于激光雷达视轴监测的方法，其特征在于它包括以下步骤：
S1、发射激光器(2)工作，指示激光器(1)不工作，移动CCD相机(6)至接收位置，调整电动小孔光阑(3)变大直至CCD相机(6)接收到发射激光光斑，并标记发射激光光斑的位置；
S2、发射激光器(2)不工作，指示激光器(1)工作，调整电动小孔光阑(3)至正常状态，CCD相机(6)接收指示激光的光斑，并标记出指示激光光斑的中心位置；
S3、发射激光器(2)工作，指示激光器(1)不工作，观测发射激光光斑是否与指示激光器光斑重合，不重合则判断为视轴故障。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于S1-S3中，激光器工作和不工作的状态切换通过以下任一种设置实现：
直接开启或关闭相应的激光器，实现激光器的工作或不工作；或
将指示激光器(1)和发射激光器(2)设置为发射不同的波长，通过更换滤光片实现激光器的工作或不工作；或
将指示激光器(1)和发射激光器(2)设置为发射不同的波长，CCD相机(6)设置为彩色相机；通过设置CCD相机(6)接收激光条件实现相应激光器的工作或不工作。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于它还包括步骤：
S4、调整调整支架(4)将发射激光光斑移动至S2中指示激光光斑的中心位置；
S5、移动探测器(5)至接收位置，系统开始正常探测。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于CCD相机(6)和探测器(5)的移动通过机械结构或动位移导轨(7)动作实现位移。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于CCD相机(6)和探测器(5)的之间设置折射光路，通过激光折射替代CCD相机(6)和探测器(5)的移动。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于CCD相机(6)和探测器(5)由阵列式探测器替代，兼具CCD相机(6)和探测器(5)的功能。
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Inventor after: Deng Chen Inventor after: Yang Bin Inventor before: Deng Chen Inventor before: Yang Bin Inventor before: Xu Ziyi |