CN101251598B - 快速调节激光雷达收发***光路同轴的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速调节激光雷达收发***光路同轴的方法及装置，包括接收望远镜、激光器、第一楔形光学平板、第二楔形光学平板及其驱动步进电机和计算机等组成。通过计算机控制电机来转动两个楔形的光学平板可以实现出射光束方向在一定的锥形空间角度范围内连续改变。本发明能方便、快捷地调节激光雷达发射激光束与接收望远镜***同轴。

Description

快速调节激光雷达收发***光路同轴的方法

技术领域

本发明涉及激光雷达***的光路同轴校准方法及装置。

背景技术

激光雷达是传统的雷达技术与现代激光技术相结合的产物。它以激光作为电磁辐射源，利用激光回波进行测距和定向，并通过位置、径向速度以及目标物体的发射特性来识别物体，体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术，是一种极为重要的主动遥感工具。激光雷达有很多种类，按用途分有：靶场激光雷达、火控激光雷达、跟踪识别激光雷达、多功能战术激光雷达、侦毒激光雷达、导航激光雷达、米散射激光雷达、拉曼测温和水汽激光雷达、多普勒测风激光雷达、大气环境监测激光雷达等。无论哪一种激光雷达都包含发射和接收***，要使激光雷达正常有效地工作，必须首先保证发射激光束和接收光学***同轴。传统的调节方法是用一个45度反射镜固定在一个三维可调的光具座上，通过手动调节光具座的三个维度旋钮实现光学同轴。这种方法效率很低、耗时长且结构不稳定。目前，为了使发射激光束与望远镜同轴，有人使用两个步进电机来控制45度反射镜方位，分别实现发射激光束东西和南北方向扫描。该装置虽然代替了人工调节，但效率同样不高，尤其当发射激光束的光轴方向与接收望远镜的光轴方向偏差较大的情况下(运输途中的颠簸等)耗时长，而且该装置结构比较复杂，对机械加工的精度要求较高。国外还有使用阵列式探测器作为接收探测器来实现收发***同轴的方案，但成本较高。我们也对其他各激光研究机构的资料进行了调研，均未发现简便易行且成本低廉的激光雷达收发光路快速准直的光学装置及其方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有调节激光雷达收发***光路同轴的装置及方法的不足，提供一种对所有激光雷达***普遍适用的、方便快捷的快速调节激光雷达收发***光路同轴的方法及装置。

本发明的技术方案如下：

一种快速调节激光雷达收发***光路同轴的方法，包括有接收望远镜与激光器，其特征在于所述的激光器的发射光路中，安装有楔角相同且反向放置的第一楔形光学平板和第二楔形光学平板，并通过以下方法调整第一楔形光学平板和第二楔形光学平板的旋转位置，来实现激光器与接收望远镜光路同轴：

①、初调，由计算机程序控制步进电机转动第一楔形光学平板和第二楔形光学平板，使激光器的出射光束方向先沿螺旋线方式粗扫，一旦接收望远镜采集到强信号后出射光束改用圆形细扫，接收望远镜接收到的光信号会出现对应于出射光束旋转角度也即对应两个楔形光学平板的转动角度的梯形或抛物线形曲线，将第一楔形光学平板和第二楔形光学平板的转动角度调至光信号位于梯形中间或抛物线峰值的位置，此时激光器与接收望远镜的光路在同一平面内并且已经初步同轴；

②、微调，在不改变对应于所述的梯形或抛物线的中间位置的出射光束旋转角度条件下，由计算机程序控制步进电机转动第一楔形光学平板和第二楔形光学平板，使出射光束方向在所述的激光器与接收望远镜的光路所在平面内沿径向细扫，此时接收望远镜接收到的光信号会出现对应于出射光束与轴线的夹角也即对应两个楔形光学平板的转动角度的梯形曲线，同样将第一楔形光学平板和第二楔形光学平板的转动角度调至光信号位于梯形中间位置；

③、锁紧第一楔形光学平板和第二楔形光学平板。

一种快速调节激光雷达收发***光路同轴的装置，包括有接收望远镜与其镜筒上安装的激光器，其特征在于所述的激光器前的发射光路中，安装有楔角相同且反向放置的第一楔形光学平板和第二楔形光学平板、扩束镜，所述的第一楔形光学平板和第二楔形光学平板分别由步进电机驱动。

所述的一种快速调节激光雷达收发***光路同轴的装置，其特征在于第一楔形光学平板和第二楔形光学平板的材料、楔角相同并反向放置，可连续转动，纵截面为圆形。

发明原理

如图1a所示，第一、第二楔形光学平板1和2在未旋转前，斜面I和斜面II平行，0方位对应旋转角度的初始0位置。第一、第二楔形光学平板1和2旋转之后，入射光束经过第一、第二楔形光学平板1和2的整个光路参阅图1b，由入射状态推 导出射状态的过程如下：

已知：楔角α；楔板材料的折射率n；光线1入射至第一楔形光学平板1的入射角θ₁＝α；第一楔形光学平板1的旋转角β₁；第二楔形光学平板2的旋转角β₂。

光线1入射至第一楔形光学平板1的折射角θ₂，根据折射定律得：

sinθ₂＝sinθ₁/n             (1)

折射光线1’与轴线的夹角θ₃，由图1b几何关系得：

θ₃＝α-θ₂                  (2)

折射光线1’旋转角等于第一楔形光学平板1的旋转角β₁。

折射光线1’至第二楔形光学平板2的入射角θ₄，通过求解可得关系式：

cosθ₄＝cosθ₃cosα+sinθ₃sinαcos(β₂-β₁)               (3)

折射光线1’至第二楔形光学平板2的折射角θ₅，根据折射定律得：

sinθ₅＝nsinθ₄              (4)

折射光线2’(即出射光线)与轴线的夹角θ，通过图1c的几何关系求解可得：

$\sec \mathrm{\θ}=\frac{{\cos \mathrm{\θ}}_5}{\cos \mathrm{\α}}+\frac{{\sin \mathrm{\θ}}_5}{\cos \mathrm{\α}}\sqrt{\frac{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_3+{\cos }^2\mathrm{\α}-2{\cos \mathrm{\θ}}_3\cos {\mathrm{\θ}}_4\cos \mathrm{\α}}{{[{\cos \mathrm{\θ}}_3\sin {\mathrm{\θ}}_5+\sin ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_5)\cos \mathrm{\α}]}^2}-1}---\left(5\right)$

出射光线旋转角β，通过求解可得：

β＝β₁-δβ                (6)

其中：

$\cos \left(\mathrm{\δ\β}\right)=\frac{\cos ({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_5)-\cos {\mathrm{\θ}}_3\cos \mathrm{\θ}}{{\sin \mathrm{\θ}}_3\sin \mathrm{\θ}}---\left(7\right)$

当|β₂-β₁|＜π时，δβ∈[0，π/2)；当|β₂-β₁|＞π时，δβ∈(-π/2，0]。

反之，已知：楔角α；光线1入射至第一楔形光学平板1的入射角θ₁＝α；出射光线(折射光线2’)旋转角β；出射光线与轴线的夹角θ，可求得第一楔形光学平板1的旋转角β₁和第二楔形光学平板2的旋转角β₂。过程如下：

由(1)、(2)两式得：

${\sin \mathrm{\θ}}_3=\sin \mathrm{\α}\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\α}/n^2}-\sin \mathrm{\α\α}\cos /n---\left(8\right)$

${\cos \mathrm{\θ}}_3=\cos \mathrm{\α}\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\α}/n^2}+{\sin }^2\mathrm{\α}/n---\left(9\right)$

由(4)、(5)两式得：

$\mathrm{se}{c}^2\mathrm{\θ}\frac{2\sec \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\α}}\sqrt{1-n^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_4}+\frac{1}{{\cos }^2\mathrm{\α}}\left\{1\frac{{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_3+{\cos }^2\mathrm{\α}-2{\cos \mathrm{\θ}}_3\cos \mathrm{\α}\cos {\mathrm{\θ}}_4}{{[\cos {\mathrm{\θ}}_3+(\sqrt{1/n^2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_4}-\cos {\mathrm{\θ}}_4)\cos \mathrm{\α}]}^2}\right\}=0---\left(10\right)$

由(8)、(9)和(10)式可求得θ₄。

又由(4)、(6)和(7)三式得：

$\cos ({\mathrm{\β}}_1-\mathrm{\β})=\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_4\sqrt{1-n^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_4}+{n\sin }^2{\mathrm{\θ}}_4-\cos {\mathrm{\θ}}_3\cos \mathrm{\θ}}{{\sin \mathrm{\θ}}_3\sin \mathrm{\θ}}---\left(11\right)$

由上式可求得β₁。

由(3)式得：

$\cos ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)=\frac{{\cos \mathrm{\θ}}_4-{\cos \mathrm{\θ}}_3\cos \mathrm{\α}}{{\sin \mathrm{\θ}}_3\sin \mathrm{\α}}---\left(12\right)$

由上式可求得β₂。由上式还可以看出一旦θ定了，β₁-β₂就是定值。

楔角α一般设计得非常小，取一级近似(5)、(6)两式变为：

θ(α，n，β₁，β₂)≈2α(n-1)|sin[(β₂-β₁)/2]|             (13)

$\mathrm{\β}(\mathrm{\α},n,{\mathrm{\β}}_1,{\mathrm{\β}}_2)\≈\frac{{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2\±\mathrm{\π}}{2}---\left(14\right)$

当β₂＞β₁时，取“+”；当β₂＜β₁时，取“-。

规定0＜β₂-β₁≤π，(11)、(12)两式变为：：

${\mathrm{\β}}_1(\mathrm{\α},n,\mathrm{\θ},\mathrm{\β})\≈\mathrm{\β}+\mathrm{ar}\cos \left[\frac{\mathrm{\θ}}{2(n-1)\mathrm{\α}}\right]---\left(15\right)$

${\mathrm{\β}}_2(\mathrm{\α},n,\mathrm{\θ},\mathrm{\β})\≈\mathrm{\β}+\mathrm{ar}\cos [-\frac{\mathrm{\θ}}{2(n-1)\mathrm{\α}}]---\left(16\right)$

由(13)、(14)式可以作出出射光线旋转角β随第一楔形光学平板1的旋转角β₁和第二楔形光学平板2的旋转角β₂的变化关系图(参见图2a)和出射光线与轴线的夹角θ随第一楔形光学平板1的旋转角β₁和第二楔形光学平板2的旋转角β₂的变 化关系图(参见图2b)。

由(15)、(16)式可以作出第一楔形光学平板1的旋转角β₁随出射光线旋转角β及出射光线与轴线的夹角θ的变化关系图(参见图3a)及第二楔形光学平板2的旋转角β₂随出射光线旋转角β及出射光线与轴线的夹角θ的变化关系图(参见图3b)；要实现特定的出射光线旋转角β及出射光线与轴线的夹角θ的变化曲线，参见图4a(出射光线沿正方形扫描)、图5a(出射光线螺旋式扫描)和图6a(出射光线沿径向扫描)，要求第一楔形光学平板1的旋转角β₁及第二楔形光学平板2的旋转角β₂ 的相应变化曲线，参见图4b、图5b和图6b。

本发明的基础是利用光的折射定律，它的关键部分是两个可转动的楔形的光学平板。入射光在经过该装置以后，出射光束的方向在一定的锥形空间角度范围内连续可调。设计合适的楔角，可以保证在对楔板1和2旋转合适的角度之后，出射光线方向能与望远镜同轴。通过螺旋式粗扫结合圆形和径向细扫方式，本发明能方便、快速地实现对激光雷达收发光路的同轴调节。

本发明与现有技术相比具有的优点在于：

1)装置结构非常简单，机械加工精度要求不高，成本低；

2)适用性强，尤其在收发光路光轴初始偏离较大的情况下，无需盲调或人为估计光路准直情况，能迅速自动实现同轴调节；

3)使用方便，调节迅速。

附图说明

图1为本发明总体光路示意图。

图1a为第一、第二楔形光学平板1和2在未旋转前，斜面I和斜面II平行，0方位对应旋转角度的初始0位置；

图1b为第一、第二楔形光学平板1和2旋转之后，入射光束经过第一、第二楔形光学平板1和2的整个光路；

图1C为图1的局部放大图。

图2出射光线与轴线的夹角和旋转角随第一楔形光学平板1和2的旋转角的变化关系图。

图2a为出射光线旋转角β随第一楔形光学平板1的旋转角β₁和第二楔形光学平 板2的旋转角β₂的变化关系图；

图2b为出射光线与轴线的夹角θ随第一楔形光学平板1的旋转角β₁和第二楔形光学平板2的旋转角β₂的变化关系图。

图3第一楔形光学平板1和第二楔形光学平板2的旋转角随出射光线与轴线的夹角和旋转角的变化关系图。

图3a为第一楔形光学平板1的旋转角β₁随出射光线旋转角β及出射光线与轴线的夹角θ的变化关系图；

图3b为第二楔形光学平板2的旋转角β₂随出射光线旋转角β及出射光线与轴线的夹角θ的变化关系图。

图4出射光线方向沿正方形扫描对应的第一楔形光学平板1和第二楔形光学平板2的旋转角的变化图。

图4a为出射光线沿正方形扫描；

图4b为第一楔形光学平板1的旋转角β₁及第二楔形光学平板2的旋转角β₂的相应变化曲线。

图5出射光线方向螺旋式扫描对应的第一楔形光学平板1和第二楔形光学平板2的旋转角的变化图。

图5a为出射光线螺旋式扫描；

图5b为第一楔形光学平板1的旋转角β₁及第二楔形光学平板2的旋转角β₂的相应变化曲线。

图6出射光线方向径向扫描对应的第一楔形光学平板1和第二楔形光学平板2的旋转角的变化图。

图6a为出射光线沿径向扫描；

图6b为第一楔形光学平板1的旋转角β₁及第二楔形光学平板2的旋转角β₂的相应变化曲线。

图7调节激光雷达收发***光路同轴的总体光路图。

图8调节激光雷达收发***光路同轴的原理示意图。

图9圆形和径向扫描时归一化信号的变化图。

图9a为信号从开始的没有到一梯形或抛物线形变化；

图9b为出射光束旋转角为55°时信号的梯形变化。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

1、如图7所示，将本发明装置***到激光雷达发射光路中，初始的收发光路不同轴，收发光轴的夹角为δθ，距离为ΔD。

2、①初调由计算机程序控制步进电机转动楔形光学平板1和楔形光学平板2(α＝0.5°)，使出射光束方向沿螺旋线方式粗扫描，螺旋线的螺距小于某一固定高度r处的接收光斑直径，即rΔθ＜2(R_T+R_L)，Δθ为螺距；r为准直时处理信号所对应的距离，一般选取30km；R_T＝(D_T+rθ_FOV)/2是位于r处远场望远镜接收截面的半径，D_T为望远镜口径，一般在30cm左右，θ_FOV为望远镜接收视场角，一般在mrad量级；R_L＝(D_L+rθ_L)/2是位于r处远场发射激光束截面的光斑半径，D_L为扩束后的光斑直径，一般在2～3cm左右，θ_L 为扩束后的激光发散角，小于θ_FOV，保守起见上式近似要求Δθ＜θ_FOV假定接收视场角为2mrad，则Δθ＜0.11°(如图5和8所示，图5的Δθ＝0.1°)。探测器一旦探测采集到r处的信号突然变强时，改用圆形细扫描，此时r处回波信号会从开始的没有到一梯形或抛物线形变化(如图9a所示)，将楔形光学平板1和2的转动角度调至信号居梯形中间位置或抛物线形峰值位置的对应值，并算得此时的出射光束旋转角，此时收发***光轴在同一平面内并且已经初步同轴。

3、②微调在不改变1)所述的出射光束旋转角条件下，由计算机程序控制步进电机转动楔形光学平板1和2使出射光束方向沿径向扫描(如图6和8所示，图6假定了1)所述的出射光束旋转角为55°时作出)，此时信号也会有一梯形变化(如图9b所示)，同样将楔形光学平板1和2的转动角度调至信号居梯形中间位置对应值。此时激光雷达收发***光路已经同轴。

4、锁紧楔形光学平板1和楔形光学平板2。

Claims (1)

1.一种快速调节激光雷达收发***光路同轴的方法，包括有接收望远镜与激光器，其特征在于所述的激光器的发射光路中，安装有楔角相同且反向放置的第一楔形光学平板和第二楔形光学平板，并通过以下方法调整第一楔形光学平板和第二楔形光学平板的旋转位置，来实现激光器与接收望远镜光路同轴：

①、初调，由计算机程序控制步进电机转动第一楔形光学平板和第二楔形光学平板，使激光器的出射光束方向先沿螺旋线方式粗扫，一旦接收望远镜采集到强信号后出射光束改用圆形细扫，接收望远镜接收到的光信号会出现对应于出射光束旋转角度也即对应两个楔形光学平板的转动角度的梯形或抛物线形曲线，将第一楔形光学平板和第二楔形光学平板的转动角度调至光信号位于梯形中间位置或抛物线峰值的位置，此时激光器与接收望远镜的光路在同一平面内并且已经初步同轴；

②、微调，在不改变对应于所述的梯形或抛物线的中间位置的出射光束旋转角度条件下，由计算机程序控制步进电机转动第一楔形光学平板和第二楔形光学平板，使出射光束方向在所述的激光器与接收望远镜的光路所在平面内沿径向细扫，此时接收望远镜接收到的光信号会出现对应于出射光束与轴线的夹角也即对应两个楔形光学平板的转动角度的梯形曲线，同样将第一楔形光学平板和第二楔形光学平板的转动角度调至光信号位于梯形中间位置；

③、锁紧第一楔形光学平板和第二楔形光学平板。

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