CN109100733B - 激光雷达设备误差检测设备、方法及装置 - Google Patents

Abstract

激光雷达技术领域，具体地，涉及激光雷达设备误差检测设备、方法及装置。该激光雷达设备误差检测设备包括：反射模块，在检测所述激光雷达的设备误差时，所述反射模块设置于能够将所述激光发射单元发出的激光反射至所述激光接收单元的位置；模拟光源，所述模拟光源与所述反射模块平行设置，并且在检测所述激光雷达设备误差时，所述模拟光源与所述激光接收单元同轴，所述反射模块与所述激光发射单元同轴；以及控制模块，所述控制模块连接于所述模拟光源，以控制所述模拟光源。该设备、方法和装置能够通过简单的安装调试即可实现在野外检测激光雷达的设备误差，并且实现方式简单，检测精度高。

Description

激光雷达设备误差检测设备、方法及装置

技术领域

激光雷达技术领域，具体地，涉及激光雷达设备误差检测设备、方法及装置。

背景技术

激光雷达通常具备目标观测、目标跟踪、目标探测三个基本功能，利用可见目标视准系统完成目标观测，激光发射与接收系统完成目标探测，通过激光望远镜跟踪系统完成目标跟踪。激光雷达在生产和装调完成后，激光发射光轴、可见目标视准轴、激光接收光轴是完全调试平行的，理论上三个光轴之间两两互相平行，相对夹角无限接近于0。但是由于激光雷达在野外运输以及长期使用过程中，激光雷达因机械振动、温度变化等环境影响，上述三个光轴会偏移出厂调试状态，光轴会发生相对误差，对于远距离激光雷达来说，尤其是卫星测距激光雷达，三个光轴之间即使是发生较小的角度偏差，也会影响目标探测结果。

同时在卫星测距过程中，需要根据卫星轨道预报数据对卫星进行实时的跟踪，这需要对激光雷达望远镜的视准轴进行指向方位校正，即当激光雷达所在地理位置经纬度为已知，与目标之间形成的观测方位角、俯仰角即为理论定值，这个指向精度以及稳定度完全依赖于激光雷达指向机构的机械精度，当激光雷达长期运行之后，由于温度变化、机械磨损、失调等影响，激光雷达的指向会发生偏差，此时需要激光雷达对准目标时的方位角、俯仰角进行重新标定。激光雷达指向标定通常使用观测不同恒星，利用恒星在激光雷达可见光CCD中的位置进行坐标转换得到激光雷达指向精度。

目前对光轴一致性检测主要是在光学实验室内进行，利用大口径的平行光管可以实现较高精度的一致性检测及调试，但是在野外情况下，不太容易实现大口径平行光管检测光路的搭建。在中国专利公开号为CN204461354U，名称为“一种激光测距机光轴检测系统”，该专利技术是野外对激光测距仪进行光轴一致性检测的方法，利用校准检测板和激光位移传感器，经过激光光轴分析仪对测距仪的光轴进行检测，但是由于这种系统依赖校准检测板、激光位移传感器以及激光光轴分析仪的工作尺寸及工作距离的影响，无法对较大口径的激光雷达进行野外检测，同时该专利技术无法实现对激光雷达的指向方位标定。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种激光雷达设备误差检测设备、方法及装置，该设备、方法和装置能够通过简单的安装调试即可实现在野外检测激光雷达的设备误差，并且实现方式简单，检测精度高。

根据本发明的一方面，提供一种激光雷达设备误差检测设备，该激光雷达包括激光发射单元和激光接收单元，该设备包括：反射模块，在检测所述激光雷达的设备误差时，所述反射模块能被设置于能够将所述激光发射单元发出的激光反射至所述激光接收单元的位置；模拟光源，所述模拟光源与所述反射模块平行设置，并且在检测所述激光雷达设备误差时，所述模拟光源能够与所述激光接收单元同轴，所述反射模块能够与所述激光发射单元同轴；以及控制模块，所述控制模块连接于所述模拟光源，以控制所述模拟光源。

优选地，该设备还包括太阳电池模块，连接于所述模拟光源和所述控制模块，以为所述模拟模块和所述控制模块提供电能。

优选地，所述模拟光源为白光源、红外光源或特定波长的单色光源。

根据本发明的另一方面，还提供一种利用所述检测设备的激光雷达设备误差检测方法，所述激光雷达的激光接收单元包括成像模块，该方法包括：使所述模拟光源发出的模拟光源信号入射到所述成像模块上，并获取所述模拟光信号在所述成像模块上的成像的第一坐标；使所述激光发射模块发出的激光信号经由所述反射模块反射后生成的激光回波信号入射到所述成像模块上，并获取所述激光回波信号在所述成像模块上的成像的第二坐标；以及根据所述第一坐标和所述第二坐标，计算所述激光雷达的光轴的平行性误差。

优选地，所述根据所述第一坐标和所述第二坐标，计算所述激光雷达的光轴的平行性误差包括根据下式计算所述平行性误差：

其中，Δθ为所述平行性误差，（X1，Y1）为所述第一坐标，（X2，Y2）为所述第二坐标，f为所述激光接收单元的接收光学部件的焦距。

优选地，该方法还包括：获取在第一时间点时，所述激光雷达观测所述模拟光源的第一指向方位角度；获取在第二时间点，所述激光雷达观测所述模拟光源的第二指向方位角度；以及根据所述第一指向方位角度和所述第二方位指向角度，确定所述激光雷达的指向精度误差。

优选地，所述模拟光源信号和所述激光回波信号中的至少一者在所述成像模块的成像中心成像。

根据本发明的另一方面，还提供一种利用所述检测设备的激光雷达设备误差检测装置，所述激光雷达的激光接收单元包括成像模块，该装置包括：控制模块，用于使所述模拟光源发出的模拟光源信号入射到所述成像模块上，以及使所述激光发射模块发出的激光信号经由所述反射模块反射后生成的激光回波信号入射到所述成像模块上；坐标获取模块，用于获取所述模拟光信号在所述成像模块上的成像的第一坐标，以及获取所述激光回波信号在所述成像模块上的成像的第二坐标；以及确定模块，用于根据所述第一坐标和所述第二坐标，计算所述激光雷达的光轴的平行性误差。

优选地，所述根据所述第一坐标和所述第二坐标，计算所述激光雷达的光轴的平行性误差包括根据下式计算所述平行性误差：

其中，Δθ为所述平行性误差，（X1，Y1）为所述第一坐标，（X2，Y2）为所述第二坐标，f为所述激光接收单元的接收光学部件的焦距。

优选地，该装置还包括：指向角度获取模块，用于获取在第一时间点时，所述激光雷达观测所述模拟光源的第一指向方位角度，以及获取在第二时间点，所述激光雷达观测所述模拟光源的第二指向方位角度；以及指向精度确定模块，用于根据所述第一指向方位角度和所述第二方位指向角度，确定所述激光雷达的指向精度误差。

优选地，所述控制模块使所述模拟光源信号和所述激光回波信号中的至少一者在所述成像模块的成像中心成像。

通过上述技术方案，本发明将检测设备作为地面标靶，并利用模拟光源模拟激光雷达的检测目标，通过激光回波信号和模拟光源在激光雷达的发射模块中成像模块上形成的光斑之间的偏移，可检测激光雷达的发射光轴、接收光轴和目标视准光轴的光轴平行性误差和指向精度误差，本发明所使用的设备和装置只需在野外一次设置后即可多次进行检测，因而实现简单且测量结果精确。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图标记说明

1：光电探测器 2：成像模块

3：分光棱镜 4：激光反射镜

5：激光发射镜 6：接收望远镜

7：激光发射望远镜 8：LED白光源

9：角反射器 10：无线远程控制开关

11：蓄电池组： 12：太阳能电池板

200：检测装置 210：控制模块

220：坐标获取模块 230：确定模块

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的激光雷达设备误差检测设备的应用实施的示意图；

图2是根据本发明一实施例的激光雷达设备误差检测方法的流程图；

图3和图4是在根据本发明一实施例的激光雷达设备误差检测方法中，激光回波信号和模拟光信号在成像模块上的成像光斑的示意图；

图5是根据本发明另一实施例的激光雷达设备误差检测方法的流程图；以及

图6是根据本发明一实施例的激光雷达设备误差检测装置的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

为了更具体地说明本发明的激光雷达设备误差检测设备，结合图1给出的应用实例进行说明如下。

图1是根据本发明一实施例的激光雷达设备误差检测设备的应用实施的示意图。在图1中，以LED白光源为例示出了模拟光源，但本领域技术人员应当理解的是，其他任意类型的光源均可应用于本发明的模拟光源。

如图1所示，激光雷达包括激光发射单元和激光接收单元，其中激光接收单元包括接收望远镜6、分光棱镜3、成像模块2（例如面阵相机）、激光雷达工作波段信号光电探测器1，激光发射单元包括激光发射望远镜7、可调整激光指向的激光反射镜4、激光发射镜5以及激光发射器（图1中未示出）。关于激光雷达的具体结构是本领域的公知常识，因此本发明对此不进行特别说明。此外，图1示出的仅仅是一种应用实例，其他结构类型的激光雷达也可以应用于此。

在图1所示的实施例中，本发明的检测设备包括角反射器9、LED白光源8和无线远程控制开关10。无线远程控制开关10用于远程控制LED白光源发出白光信号。其他的控制装置也可以应用于此，但考虑到激光雷达的工作环境以及对其误差进行检测时的实际情况，为了更方便工作人员操作，本发明优选为使用无线远程控制开关。

此外，如图1所示，检测设备还可以包括太阳能电池模块，该太阳能电池模块可以包括蓄电池组11和太阳能电池板12。激光雷达的工作环境通常在野外空旷的地区或偏远地区，因而为其更换电源极为不便，因而使用太阳能电池模块为检测设备中的模拟光源和控制模块供电不仅可以利用自然资源，而且避免了更换电源的庞大工作量。

本发明的检测设备可作为长期永久性配套设备固定在相对于激光雷达的远处某一地点，该地点的地理参数（如经纬度）可精确测量得出。当需要检测激光雷达的设备误差（例如光轴平行性误差、指向性精度误差）时，可如图1所示，调整激光雷达的方位角、俯仰角，以使激光雷达对准检测设备。此时打开激光发射器，激光发射器发出的激光信号经发射器9反射后进入激光接收单元，即与LED白光源发出的白光信号一同入射到接收望远镜6、分光棱镜3后入射到成像模块2中，形成各自的光斑，如图3和图4所示。

因而，检测设备的反射模块和模拟光源可固定在一起并平行设置，并且其间隔应当使得在检测激光雷达设备误差时，反射模块与激光发射单元同轴，模拟光源模块与激光接收单元同轴。但应当注意的时，反射模块可以包括多个反射元件或其他光学元件，并不需要使每个元件均与激光发射单元同轴，只要激光发射单元出射的激光能够经由反射模块反射后入射到激光接收单元即可。同样地，模拟光源也可以包括其他光学元件，本发明并不需要使每个元件均与激光接收元件同轴，而是只要模拟光源出射的光信号能入射到激光接收单元即可。因此，上述这些均为对本发明的合理变形，均属于本发明的保护范围。

检测激光雷达的设备误差的具体方法参考图2-图5说明如下。

图2是根据本发明一实施例的激光雷达设备误差检测方法的流程图。该方法包括以下步骤：

步骤S310，使所述模拟光源发出的模拟光源信号入射到所述成像模块上，并获取所述模拟光信号在所述成像模块上的成像的第一坐标。如图3所示，为LED白光源的白光信号在成像模块上的成像光斑。

步骤S320，使所述激光发射模块发出的激光信号经由所述反射模块反射后生成的激光回波信号入射到所述成像模块上，并获取所述激光回波信号在所述成像模块上的成像的第二坐标。如图4所示，示出了LED白光源和激光回波信号在成像模块上的成像光斑。

步骤S330，根据所述第一坐标和所述第二坐标，计算所述激光雷达的光轴的平行性误差。在理想状态下，激光发射光轴、目标视准光轴和激光接收光轴应当使得图4中所示出的LED光源和激光回波信号在成像模块上的成像光斑完全重叠。但由于设备磨损等因素，光轴平行性可能变差，因而根据所述第一坐标和所述第二坐标可计算出在当前设备状态下激光雷达的光轴平行性误差。

具体操作时，可利用雷达软件控制接收望远镜指向检测设备的位置，此时通过无线远程控制开关10打开LED白光源8，此时接收望远镜6接收到来自于LED白光源8的模拟光信号并在成像模块2中成像，微调接收望远镜的方位角与俯仰角，使成像光斑处于相机的十字分划中心位置，如图1所示。此时以LED白光源8、接收望远镜6以及面阵相机中心的连线为基准光轴。在本发明中，为了更方便检测，可调节激光雷达的指向角，使得所述模拟光源信号和所述激光回波信号中的至少一者在所述成像模块的成像中心成像。

模拟光源也可以根据需要设置成红外光源或特定波长的单色光源等。

保持激光雷达指向不变，同时打开激光发射器（附图中未示出），激光信号经过可调激光反射镜4与激光发射镜5进入激光发射望远镜7，激光信号经过大气传输后到达角反射器9后被反射后生成激光回波信号，激光回波信号被接收望远镜6接收，经过分光棱镜3分光，如图2所示，一小部分激光经反射后被面阵相机接收并成像，同时绝大部分激光透射后被光电探测器1接收。

在一个实施例中，所述根据所述第一坐标和所述第二坐标，可以根据下式计算所述平行性误差：

其中，Δθ为所述平行性误差，（X1，Y1）为所述第一坐标，（X2，Y2）为所述第二坐标，f为所述激光接收单元的接收光学部件的焦距。

可以利用高分辨率的面阵相机进行光斑测量，通过图像质心处理可以获得亚像元级的检测精度，假设面阵相机像元尺寸为5μm，接收望远镜焦距为2m，则光轴检测精度至少可以达到2.5μrad，该同轴精度已满足现阶段绝大部分激光雷达光轴一致性（即平行性）的检测要求。

通过计算得出的平行性误差，可以得知当前的光轴平行性是否满足要求。如果平行性误差超出了可容忍的范围，可采取相应的调整措施，例如通过调节如图1所示的激光反射镜4、激光发射镜5调整激光的发射角度，从而补偿平行性误差。

本发明的检测设备还能够检测激光雷达的指向性误差。图5是根据本发明另一实施例的激光雷达设备误差检测方法的流程图。如图5所示，该方法还可以包括：

步骤S640，获取在第一时间点时，所述激光雷达观测所述模拟光源的第一指向方位角度。例如，在检测激光雷达的光轴平行性误差时，可记录在该时间点激光雷达的指向方位角度，例如方位角、俯仰角。

步骤S650，获取在第二时间点，所述激光雷达观测所述模拟光源的第二指向方位角度。由于检测设备与激光雷达的地理经纬度及相对位置已知并且是固定不变的，所以激光雷达每次对检测设备进行观测时，激光雷达的指向应始终保持不变，即激光雷达的方位角、俯仰角均与初次安装或理论计算值一致，所以在每次测量设备误差（例如光轴平行性误差）时，均可记录当前的方位角、俯仰角与理论值进行对比，可以对激光雷达指向精度进行标定。当然，获取的指向方位角度的时间点也可以任意选择。

步骤S660，根据所述第一指向方位角度和所述第二方位指向角度，确定所述激光雷达的指向精度误差。

安装激光雷达与检测设备时，可分别使用GPS设备测量两处的地理经纬度，或者利用光电经纬仪在激光雷达安装位置处直接测量检测设备的方位角A0、俯仰角Z0，此指向方位角度（A0，Z0）为两点之间的绝对指向。当长期使用之后，当激光雷达检测光轴一致性（平行性）时，当LED白光源8在成像模块2中的成像光斑质心位于相机靶面中心时激光雷达的当前指向角为（A1，Z1），对比（A0，Z0）与（A1，Z1）两个指向角度之间的误差即为激光雷达指向精度误差。

通过以上使施例，利用检测设备作为地面标靶，以模拟激光雷达的观测目标，使地面标靶（检测设备）的模光源成像在激光雷达的成像模块（如面阵相机）中心位置，以此建立以模拟光源、接收望远镜中心轴、面阵相机中心点为连线的基准光轴。并通过地面标靶上的角反射器返回的激光回波信号与模拟光源的图像对比来完成激光光轴的校验。该方案操作简单，有效地解决了激光雷达在野外光轴一致性检测与调试的问题，并且一次安装检测设备后可以长期使用，极大地减少了重复搭建检测光路的工作量；而且可以通过面阵相机中激光光斑的位置调整激光发射的反射镜的角度实时的修正光轴之间的误差。此外，还可根据检测设备与激光雷达的地理经纬度信息来标定激光雷达指向精度。

图6是根据本发明一实施例的激光雷达设备误差检测装置的结构框图。该装置200包括：控制模块210，用于使所述模拟光源发出的模拟光源信号入射到所述成像模块上，以及使所述激光发射模块发出的激光信号经由所述反射模块反射后生成的激光回波信号入射到所述成像模块上；坐标获取模块220，用于获取所述模拟光信号在所述成像模块上的成像的第一坐标，以及获取所述激光回波信号在所述成像模块上的成像的第二坐标；以及确定模块230，用于根据所述第一坐标和所述第二坐标，计算所述激光雷达的光轴的平行性误差。

优选地，所述根据所述第一坐标和所述第二坐标，计算所述激光雷达的光轴的平行性误差包括根据下式计算所述平行性误差：

其中，Δθ为所述平行性误差，（X1，Y1）为所述第一坐标，（X2，Y2）为所述第二坐标，f为所述激光接收单元的接收光学部件的焦距。

优选地，该装置还包括：指向角度获取模块，用于获取在第一时间点时，所述激光雷达观测所述模拟光源的第一指向方位角度，以及获取在第二时间点，所述激光雷达观测所述模拟光源的第二指向方位角度；以及指向精度确定模块，用于根据所述第一指向方位角度和所述第二方位指向角度，确定所述激光雷达的指向精度误差。

优选地，所述控制模块使所述模拟光源信号和所述激光回波信号中的至少一者在所述成像模块的成像中心成像。

以上在激光雷达设备误差检测方法中的具体细节同样适用于本发明的检测装置，在此不再赘述。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器（processor）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (9)

1.一种激光雷达设备误差检测设备，该激光雷达包括激光发射单元和激光接收单元，其中，所述激光接收单元包括接收望远镜、分光棱镜、成像模块、光电探测器，所述激光发射单元包括激光发射望远镜、可调整激光指向的激光反射镜、激光发射镜、激光发射器，其特征在于，该设备包括：

反射模块，在检测所述激光雷达的设备误差时，所述反射模块能够被设置于将所述激光发射单元发出的激光反射至所述激光接收单元的位置；

模拟光源，所述模拟光源与所述反射模块平行设置，并且在检测所述激光雷达设备误差时，所述模拟光源能够与所述激光接收单元同轴，所述反射模块能够与所述激光发射单元同轴；以及

控制模块，所述控制模块连接于所述模拟光源，以控制所述模拟光源;

其中，所述反射模块包括：多个反射元件，其中，所述激光发射单元与所述多个反射元件中的至少之一同轴。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备还包括太阳电池模块，连接于所述模拟光源和所述控制模块，以为模拟模块和所述控制模块提供电能。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述模拟光源为白光源、红外光源或特定波长的单色光源。

4.一种利用权利要求1-3中任一项所述的检测设备的激光雷达设备误差检测方法，所述激光雷达的激光接收单元包括成像模块，其特征在于，该方法包括：

使所述模拟光源发出的模拟光源信号入射到所述成像模块上，并获取模拟光信号在所述成像模块上的成像的第一坐标；

使所述激光发射单元发出的激光信号经由所述反射模块反射后生成的激光回波信号入射到所述成像模块上，并获取所述激光回波信号在所述成像模块上的成像的第二坐标；以及

根据所述第一坐标和所述第二坐标，计算所述激光雷达的光轴的平行性误差;

其中，该方法还包括：

获取在第一时间点时，所述激光雷达观测所述模拟光源的第一指向方位角度；

获取在第二时间点，所述激光雷达观测所述模拟光源的第二指向方位角度；以及

根据所述第一指向方位角度和所述第二指向方位角度，确定所述激光雷达的指向精度误差。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一坐标和所述第二坐标，计算所述激光雷达的光轴的平行性误差包括：

根据下式计算所述平行性误差：

，

其中，Δθ为所述平行性误差，（X1，Y1）为所述第一坐标，（X2，Y2）为所述第二坐标，f为所述激光接收单元的接收光学部件的焦距。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述模拟光源信号和所述激光回波信号中的至少一者在所述成像模块的成像中心成像。

7.一种利用权利要求1-3中任一项所述的检测设备的激光雷达设备误差检测装置，所述激光雷达的激光接收单元包括成像模块，其特征在于，该装置包括：

控制模块，用于使所述模拟光源发出的模拟光源信号入射到所述成像模块上，以及使激光发射单元发出的激光信号经由所述反射模块反射后生成的激光回波信号入射到所述成像模块上，

坐标获取模块，用于获取模拟光信号在所述成像模块上的成像的第一坐标，以及获取所述激光回波信号在所述成像模块上的成像的第二坐标；以及

确定模块，用于根据所述第一坐标和所述第二坐标，计算所述激光雷达的光轴的平行性误差；

其中，该装置还包括：

指向角度获取模块，用于获取在第一时间点时，所述激光雷达观测所述模拟光源的第一指向方位角度，以及获取在第二时间点，所述激光雷达观测所述模拟光源的第二指向方位角度；以及

指向精度确定模块，用于根据所述第一指向方位角度和所述第二指向方位角度，确定所述激光雷达的指向精度误差。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述根据所述第一坐标和所述第二坐标，计算所述激光雷达的光轴的平行性误差包括：

根据下式计算所述平行性误差：

，

其中，Δθ为所述平行性误差，（X1，Y1）为所述第一坐标，（X2，Y2）为所述第二坐标，f为所述激光接收单元的接收光学部件的焦距。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述控制模块使所述模拟光源信号和所述激光回波信号中的至少一者在所述成像模块的成像中心成像。