一种激光雷达收发对准装置及方法与流程

本发明涉及一种激光雷达收发对准装置及方法，属于激光遥感技术领域，可用于激光雷达系统收发光轴的对准。

背景技术：

激光雷达可以用于距离探测和大气探测，是应用较为广泛的一种激光应用技术。

激光雷达通常采用极小发散角的激光发射和极窄的视场接收，因而激光发射光轴与接收光轴的对准是影响激光雷达效能的关键因素。

在实际应用中，可以采用较大的接收视场来确保即使收发光轴偏离也能接收到信号，但是较大的接收视场会引入较大的背景光噪声。

使用小的接收视场可以有效抑制背景光噪声的干扰，但是会因为结构稳定性的影响造成收发光轴对准性变差，进而降低接收效率甚至使系统失效。

为此，人们设计了用于激光雷达的自动对准装置。当前的自动对准装置通常在接收光学系统的后端设置ccd或cmos等面阵成像器件，通过分光或者切换光路方法将回波光或共光路指示光成像在上述面阵器件上。通过面阵器件上的光斑像与接收视场的对准关系判断失配量并调整激光发射轴或接收视场光轴完成收发匹配。

上述方法通常要损失部分回波光或者引入高重复性的切换机构，往往也需要与激光雷达系统分时工作。主要不足在于：(1)损失部分回波信号；(2)引入重复性要求较高的切换机构；(3)实时性较差。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种激光雷达收发对准装置及方法，该装置及方法通过焦面指示光、独立的面阵相机及导光棱镜并配合相应的算法构建了一套独立的收发失配测量系统，通过该系统可以实时获得收发失配量，并指导激光指向调整单元完成激光雷达系统收发对准。

本发明的技术解决方案是：

一种激光雷达收发对准装置，该激光雷达包括激光发射单元、接收望远镜和回波探测单元；

该收发对准装置包括发射光轴导光棱镜、光轴监视相机、接收光轴导光棱镜、第一焦面指示光源和第二焦面指示光源；

第一焦面指示光源和第二焦面指示光源位于接收望远镜的接收焦面的不同位置，且第一焦面指示光源的中心、第二焦面指示光源的中心以及回波探测单元的中心共线；

所述的发射光轴导光棱镜用于截取激光发射单元发射的激光，并将截取的激光传输至光轴监视相机；

所述的第一焦面指示光源用于出射光束给接收望远镜，接收望远镜接收到光束后将接收到的光束准直成第一准平行光后对外发射；

第二焦面指示光源用于出射光束给接收望远镜，接收望远镜接收到光束后将接收到的光束准直成第二准平行光后对外发射；

所述的接收光轴导光棱镜用于截取收望远镜发射的第一准平行光和第二准平行光，并将截取的第一准平行光和第二准平行光传输至光轴监视相机；

所述的光轴监视相机用于接收发射光轴导光棱镜传输的激光，还用于接收接收光轴导光棱镜传输的截取的第一准平行光和第二准平行光，并将接收到的激光在光轴监视相机的焦面上形成一个光斑b，将接收到的截取的第一准平行光在光轴监视相机的焦面上形成一个光斑a，将接收到的截取的第二准平行光在光轴监视相机的焦面上形成一个光斑c。

一种激光雷达收发对准方法，该方法的步骤包括：

(1)激光雷达中激光发射单元发射激光到发射光轴导光棱镜，发射光轴导光棱镜截取部分激光，并将截取的部分激光传输至光轴监视相机；

(2)第一焦面指示光源发射第一光束给接收望远镜，第二焦面指示光源发射第二光束给接收望远镜，接收望远镜接收到第一光束和第二光束后准直成第一准平行光和第二准平行光后发射给接收光轴导光棱镜，接收光轴导光棱镜截取部分第一准平行光和第二准平行光，并将截取的部分第一准平行光和第二准平行光传输至光轴监视相机；

(3)光轴监视相机将接收到的激光在光轴监视相机的焦面上形成一个光斑b，将接收到的第一准平行光在光轴监视相机的焦面上形成一个光斑a，将接收到的第二准平行光在光轴监视相机的焦面上形成一个光斑c；

(4)调整激光发射单元发射的激光的方向，以改变b’的位置，直到满足两个条件：第一为a’、b’和c’共线；第二为满足如下公式；

其中，a’为光斑a的中心位置；b’为光斑b的中心位置，c’为光斑c的中心位置，a’-b’为光斑a的中心位置与光斑b的中心位置的距离，c’-b’为光斑c的中心位置与光斑b的中心位置的距离；

b为回波探测单元的中心位置，a为第一焦面指示光源的中心位置，c为第二焦面指示光源的中心位置，a-b为第一焦面指示光源的中心位置与回波探测单元的中心位置的距离，c-b为第二焦面指示光源的中心位置与回波探测单元的中心位置的距离；

此时，即完成激光雷达发射与接收对准。

有益效果

(1)使用该方法可以保证激光雷达系统，尤其是大型激光雷达系统的收发匹配可靠性。

(2)与分光类的收发匹配方法相比，使用该方法不损失回波信号，有效保留信噪比，也避免了分光导致的杂散光干扰。

(3)与配置切换部件的收发匹配方法相比，使用该方法不引入切换部件，因而可以避免由于切换功能故障导致的系统失效。

(4)与配置切换部件的收发匹配方法相比，使用该方法可实时调整收发匹配状态，可以提高工作时间占比。

(5)与根据回波信号进行判断的收发匹配方法相比，使用该方法不依赖回波信号质量，可以大幅降低收发匹配的环境、工况要求。

(6)使用该方法可以实时监测系统收发匹配状态，有效提高失配故障的监测能力和应急能力。

附图说明

图1为本发明的装置的组成示意图。

具体实施方式

激光雷达系统包括激光雷达的激光发射单元1、接收望远镜5和激光雷达回波探测单元7。

如附图1所示，激光雷达收发对准系统主要由发射光轴导光棱镜2、光轴监视相机3、接收光轴导光棱镜4、焦面指示光源6和焦面指示光源8构成。

激光雷达自动对准方法如下：

测量焦面指示光6和焦面指示光8在接收望远镜5焦面上的坐标位置a和c；

测量回波探测单元7在接收望远镜5焦面上的坐标位置b；

激光雷达的激光发射单元1发射激光；

发射光轴导光棱镜2截取少量激光发射单元1发射的激光，并将其传输至光轴监视相机3；

焦面指示光源6和焦面指示光源8发射光，通过接收望远镜5后进入接收光轴导光棱镜4；

接收光轴导光棱镜截取由焦面指示光源6和焦面指标光源8通过接收望远镜5准直的少量准平行光，将其传输至光轴监视相机3；

面阵相机3对从发射光轴导光棱镜2和接收光轴导光棱镜4入射的光成像，其中代表焦面指示光源6和焦面指标光源8的像点分别为a’和c’，代表激光发射单元光轴的像点为b’。

根据光学原理，激光发射光轴与回波探测单元限制的接收光轴实现对准时，在光轴监视相机焦面上的像点b’应与激光雷达回波单元7通过接收望远镜5、接收光轴导光棱镜4和面阵相机光路成像的像点重合。

通过调整激光发射单元出射激光束的方向改变b’的位置，直到满足以下条件：

此时，即可完成激光雷达系统发射与接收对准。

实施例

如图1所示，一种激光雷达收发对准装置，该激光雷达包括激光发射单元1、接收望远镜5和回波探测单元7；

其中，激光发射单元发射波长为1064nm的脉冲激光。接收望远镜焦距为1m。

该收发对准装置包括发射光轴导光棱镜2、光轴监视相机3、接收光轴导光棱镜4、第一焦面指示光源6和第二焦面指示光源8；

光轴监视相机3的焦距为0.25m，第一焦面指示光源6发射1064nm连续激光，第二焦面指示光源8发射1064nm连续激光。

第一焦面指示光源6和第二焦面指示光源8位于接收望远镜5的接收焦面的不同位置，且第一焦面指示光源6的中心、第二焦面指示光源8的中心以及回波探测单元7的中心共线；

设第一焦面指示光源6的中心a坐标为0mm，第二焦面指示光源8的中心c坐标为4mm，回波探测单元7的中心b坐标为2mm。

所述的发射光轴导光棱镜2用于截取激光发射单元1发射的激光，并将截取的激光传输至光轴监视相机3；

所述的第一焦面指示光源6用于出射光束给接收望远镜5，接收望远镜5接收到光束后将接收到的光束准直成第一准平行光后对外发射；

第二焦面指示光源8用于出射光束给接收望远镜5，接收望远镜5接收到光束后将接收到的光束准直成第二准平行光后对外发射；

所述的接收光轴导光棱镜4用于截取收望远镜5发射的第一准平行光和第二准平行光，并将截取的第一准平行光和第二准平行光传输至光轴监视相机3；

所述的光轴监视相机3用于接收发射光轴导光棱镜2传输的激光，还用于接收接收光轴导光棱镜4传输的截取的第一准平行光和第二准平行光，并将接收到的激光在光轴监视相机3的焦面上形成一个光斑b，将接收到的截取的第一准平行光在光轴监视相机3的焦面上形成一个光斑a，将接收到的截取的第二准平行光在光轴监视相机3的焦面上形成一个光斑c。

设光斑a中心a’坐标为0mm，则光斑c中心坐标c’为1mm。

一种激光雷达收发对准方法，该方法的步骤包括：

(1)激光雷达中激光发射单元1发射激光到发射光轴导光棱镜2，发射光轴导光棱镜2截取部分激光，并将截取的部分激光传输至光轴监视相机3；

(2)第一焦面指示光源6发射第一光束给接收望远镜5，第二焦面指示光源8发射第二光束给接收望远镜5，接收望远镜5接收到第一光束和第二光束后准直成第一准平行光和第二准平行光后发射给接收光轴导光棱镜4，接收光轴导光棱镜4截取部分第一准平行光和第二准平行光，并将截取的部分第一准平行光和第二准平行光传输至光轴监视相机3；

(3)光轴监视相机3将接收到的激光在光轴监视相机3的焦面上形成一个光斑b，将接收到的第一准平行光在光轴监视相机3的焦面上形成一个光斑a，将接收到的第二准平行光在光轴监视相机3的焦面上形成一个光斑c；

(4)采用双光楔调整激光发射单元1发射的激光的方向，以改变b’的位置，直到满足两个条件：第一，a’、b’和c’共线；第二，b’＝0.5mm。

其中，a’为光斑a的中心位置；b’为光斑b的中心位置，c’为光斑c的中心位置，a’-b’为光斑a的中心位置与光斑b的中心位置的距离，c’-b’为光斑c的中心位置与光斑b的中心位置的距离；

b为回波探测单元7的中心位置，a为第一焦面指示光源6的中心位置，c为第二焦面指示光源8的中心位置，a-b为第一焦面指示光源6的中心位置与回波探测单元7的中心位置的距离，c-b为第二焦面指示光源8的中心位置与回波探测单元7的中心位置的距离；

此时，即完成激光雷达发射与接收对准。