本發(fā)明涉及一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，屬于雷達(dá)。

背景技術(shù)：

1、激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，近年來其在基礎(chǔ)測(cè)繪、無人駕駛、數(shù)字城市等領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。激光雷達(dá)通過tof(飛行時(shí)間)等測(cè)距方法獲取目標(biāo)相對(duì)于激光雷達(dá)的距離和方位，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的三維坐標(biāo)測(cè)量，再利用imu(慣性測(cè)量單元)和gnss(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))通過信息融合與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲取掃描目標(biāo)的地理坐標(biāo)。

2、機(jī)械掃描激光雷達(dá)通過掃描機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)來改變發(fā)射光束的掃描角度，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)所設(shè)計(jì)的探測(cè)視場(chǎng)。由于受到激光雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部組件的設(shè)計(jì)參數(shù)和安裝關(guān)系等空間約束，激光雷達(dá)的最大探測(cè)視場(chǎng)角可能會(huì)小于激光雷達(dá)掃描電機(jī)的掃描角，所以在設(shè)計(jì)激光雷達(dá)時(shí)需要基于發(fā)射激光光斑的完整性，考慮激光雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部組件的設(shè)計(jì)參數(shù)和安裝關(guān)系對(duì)于最大探測(cè)視場(chǎng)角的約束。

3、另一方面，接收光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角也限制了激光雷達(dá)的最大探測(cè)距離和掃描電機(jī)的轉(zhuǎn)速。探測(cè)目標(biāo)越遠(yuǎn)，掃描機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速越快，激光回波方向向量和激光發(fā)射方向向量之間的夾角(取銳角)就越大，若超出接收光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角則接收光束無法被光敏面探測(cè)到，所以激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)也需要考慮接收光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，解決了機(jī)械掃描激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與探測(cè)目標(biāo)范圍不相匹配的問題，對(duì)于簡(jiǎn)化激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)流程，提高激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)可靠性具有重要意義。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，包括：

3、建立激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系；

4、結(jié)合所述激光雷達(dá)本體坐標(biāo)系，確定激光雷達(dá)內(nèi)方位元素及其設(shè)計(jì)參數(shù)；

5、建立激光雷達(dá)系統(tǒng)中激光從發(fā)射到接收的傳輸鏈路模型；

6、遍歷各掃描角度，根據(jù)激光雷達(dá)內(nèi)方位元素計(jì)算發(fā)射光束光軸和掃描鏡面邊沿的最短距離；

7、根據(jù)所述發(fā)射光束光軸和掃描鏡面邊沿的最短距離確定發(fā)射光束被掃描鏡面完整反射時(shí)的掃描角度范圍；

8、在所述掃描角度范圍內(nèi)，計(jì)算發(fā)射光束光軸與掃描鏡面的交點(diǎn)坐標(biāo)和反射光束的方向向量；

9、計(jì)算所述反射光束的光軸和激光雷達(dá)光學(xué)窗口玻璃邊沿的最短距離；

10、根據(jù)反射光束的光軸和激光雷達(dá)光學(xué)窗口玻璃邊沿的最短距離確定激光從激光雷達(dá)光學(xué)窗口玻璃完整出射時(shí)的最大探測(cè)視場(chǎng)角；

11、在所述最大探測(cè)視場(chǎng)角內(nèi)，遍歷各探測(cè)距離和掃描電機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算激光回波到達(dá)掃描鏡面時(shí)掃描鏡面的法向量；

12、根據(jù)激光雷達(dá)內(nèi)方位元素及其設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算激光回波方向向量與激光發(fā)射方向向量之間的夾角；

13、根據(jù)所述夾角與所述設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系得到不同掃描電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最大探測(cè)距離模型。

14、進(jìn)一步地，所述激光雷達(dá)內(nèi)方位元素還包括激光發(fā)射原點(diǎn)坐標(biāo)、激光發(fā)射方向向量、發(fā)射激光光束半徑、掃描軸中心點(diǎn)坐標(biāo)、掃描軸方向向量、掃描鏡面初始法方向向量、掃描鏡面邊沿初始方向向量、光學(xué)窗口玻璃內(nèi)表面法向量、坐標(biāo)原點(diǎn)到光學(xué)窗口玻璃內(nèi)表面的距離、光學(xué)窗口玻璃內(nèi)表面邊沿的方向向量、接收平面的法向量、接收光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角；根據(jù)所述夾角與接收光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角的關(guān)系得到不同掃描電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最大探測(cè)距離模型。

15、進(jìn)一步地，所述接收平面為與接收光學(xué)系統(tǒng)光軸垂直的虛擬或?qū)嶋H平面，接收平面的法向量與激光發(fā)射方向向量一致。

16、進(jìn)一步地，若掃描鏡面存在多條邊沿可能裁切發(fā)射光束，則計(jì)算發(fā)射光束光軸和掃描鏡面所有邊沿的最短距離作為共同約束。

17、進(jìn)一步地，所述確定發(fā)射光束被掃描鏡面完整反射時(shí)的掃描角度范圍要求保持發(fā)射光束光斑的完整性即要求在高斯半徑內(nèi)所有激光光斑都會(huì)被掃描鏡面完全反射；若發(fā)射光束光軸和掃描鏡面邊沿的最短距離等于激光光束半徑且發(fā)射光束處于掃描鏡面內(nèi)，則滿足發(fā)射光束光斑的完整性要求。

18、進(jìn)一步地，若激光雷達(dá)的光學(xué)窗口玻璃存在多條邊沿可能裁切反射光束，則計(jì)算反射光束光軸和光學(xué)窗口玻璃所有邊沿的最短距離作為共同約束。

19、進(jìn)一步地，所述確定激光從激光雷達(dá)光學(xué)窗口玻璃完整出射時(shí)的最大探測(cè)視場(chǎng)角要求保持從光學(xué)窗口玻璃出射激光的光斑完整性即要求在高斯半徑內(nèi)激光光斑都會(huì)完全通過光學(xué)窗口玻璃；若反射光束光軸和激光雷達(dá)光學(xué)窗口玻璃邊沿的最短距離等于激光光束半徑且反射光束處于掃描鏡面內(nèi)，則滿足從光學(xué)窗口玻璃出射激光的光斑完整性要求。

20、進(jìn)一步地，所述最大探測(cè)視場(chǎng)角為反射光束光軸與光學(xué)窗口玻璃邊沿相切時(shí)，其方向向量投影在某一特定平面內(nèi)形成的夾角，該平面由激光雷達(dá)的實(shí)際結(jié)構(gòu)確定。

21、進(jìn)一步地，所述光學(xué)窗口玻璃的內(nèi)外表面相互平行。

22、一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序/指令，該計(jì)算機(jī)程序/指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法的步驟。

23、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

24、(1)本發(fā)明基于機(jī)械掃描激光雷達(dá)設(shè)計(jì)模型參數(shù)建立激光光束傳輸鏈路模型和幾何約束關(guān)系，可方便快速地獲取機(jī)械掃描激光雷達(dá)的最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離；

25、(2)本發(fā)明給出機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)距離和掃描電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，簡(jiǎn)化了機(jī)械掃描激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程；

26、(3)本發(fā)明解決了機(jī)械掃描激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與探測(cè)目標(biāo)范圍不相匹配的問題，提高了設(shè)計(jì)效率和可靠性。

技術(shù)特征：

1.一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，其特征在于，所述激光雷達(dá)內(nèi)方位元素還包括激光發(fā)射原點(diǎn)坐標(biāo)、激光發(fā)射方向向量、發(fā)射激光光束半徑、掃描軸中心點(diǎn)坐標(biāo)、掃描軸方向向量、掃描鏡面初始法方向向量、掃描鏡面邊沿初始方向向量、光學(xué)窗口玻璃內(nèi)表面法向量、坐標(biāo)原點(diǎn)到光學(xué)窗口玻璃內(nèi)表面的距離、光學(xué)窗口玻璃內(nèi)表面邊沿的方向向量、接收平面的法向量、接收光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角；根據(jù)所述夾角與接收光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角的關(guān)系得到不同掃描電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最大探測(cè)距離模型。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，其特征在于，所述接收平面為與接收光學(xué)系統(tǒng)光軸垂直的虛擬或?qū)嶋H平面，接收平面的法向量與激光發(fā)射方向向量一致。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，其特征在于，若掃描鏡面存在多條邊沿可能裁切發(fā)射光束，則計(jì)算發(fā)射光束光軸和掃描鏡面所有邊沿的最短距離作為共同約束。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，其特征在于，所述確定發(fā)射光束被掃描鏡面完整反射時(shí)的掃描角度范圍要求保持發(fā)射光束光斑的完整性即要求在高斯半徑內(nèi)所有激光光斑都會(huì)被掃描鏡面完全反射；若發(fā)射光束光軸和掃描鏡面邊沿的最短距離等于激光光束半徑且發(fā)射光束處于掃描鏡面內(nèi)，則滿足發(fā)射光束光斑的完整性要求。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，其特征在于，若激光雷達(dá)的光學(xué)窗口玻璃存在多條邊沿可能裁切反射光束，則計(jì)算反射光束光軸和光學(xué)窗口玻璃所有邊沿的最短距離作為共同約束。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，其特征在于，所述確定激光從激光雷達(dá)光學(xué)窗口玻璃完整出射時(shí)的最大探測(cè)視場(chǎng)角要求保持從光學(xué)窗口玻璃出射激光的光斑完整性即要求在高斯半徑內(nèi)激光光斑都會(huì)完全通過光學(xué)窗口玻璃；若反射光束光軸和激光雷達(dá)光學(xué)窗口玻璃邊沿的最短距離等于激光光束半徑且反射光束處于掃描鏡面內(nèi)，則滿足從光學(xué)窗口玻璃出射激光的光斑完整性要求。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，其特征在于，所述最大探測(cè)視場(chǎng)角為反射光束光軸與光學(xué)窗口玻璃邊沿相切時(shí)，其方向向量投影在某一特定平面內(nèi)形成的夾角，該平面由激光雷達(dá)的實(shí)際結(jié)構(gòu)確定。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，其特征在于，所述光學(xué)窗口玻璃的內(nèi)外表面相互平行。

10.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序/指令，其特征在于，該計(jì)算機(jī)程序/指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1～9任一所述方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
一種機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，包括：確定必需內(nèi)方位元素及其設(shè)計(jì)參數(shù)，建立機(jī)械掃描激光雷達(dá)激光光束傳輸鏈路模型；計(jì)算發(fā)射光束光軸和掃描鏡面邊沿、光學(xué)窗口玻璃邊沿的最短距離，確定以發(fā)射激光光斑完整性和接收視場(chǎng)角約束的激光出射與回波邊界模型；建立設(shè)計(jì)幾何參數(shù)約束的激光雷達(dá)探測(cè)視場(chǎng)模型和掃描電機(jī)轉(zhuǎn)速約束的探測(cè)距離模型。本發(fā)明的機(jī)械掃描激光雷達(dá)最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離的確定方法，基于激光雷達(dá)設(shè)計(jì)模型參數(shù)建立激光光束傳輸鏈路模型和幾何約束關(guān)系，從而確定激光雷達(dá)可以達(dá)到的最大探測(cè)視場(chǎng)角和探測(cè)距離，解決了機(jī)械掃描激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與探測(cè)目標(biāo)范圍不相匹配的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：林栩凌,彭博,吳金貴,吳鎧嵐,范宸瑞
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京空間機(jī)電研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6