检测激光雷达发射光束指向的方法、系统及激光雷达装置与流程

1.本发明涉及激光雷达技术领域，尤其是指一种检测激光雷达发射光束指向的方法、系统及激光雷达装置。


背景技术：

2.随着各类机器人和自动驾驶等行业的快速发展，激光雷达的运用越来越广泛。激光雷达发出激光光束，通过物体反射回来的回波信号确定物体的距离和位置。发射光束的指向决定了激光雷达的检测范围和使用场景，准确测量激光光束的指向对激光雷达的使用具有重要意义。目前对激光指向的检测也有多种测量方法，如于萍的《激光发射光束指向检测方法研究》(电子检测与仪器学报2014)中提到的靶板法和折返镜法，cn201710402741中使用的角速度测量器等。
3.不管是靶板法还是折返镜法，都需要用到探测器。靶板法将探测器当做靶板放在远处直接接收准直光斑，或者用靶板接收准直光斑照射，ccd等成像装置记录光斑脱靶量。由于距离远，光能衰减严重，加上探测器精度限制，测量精度不高，且距离越远光斑发散的越大，对靶板尺寸也要求更严格。折返镜法虽然需要的探测距离短，但由于近处激光光束能量集中，极容易损伤探测器，往往需要添加衰减片来使用，容易引起激光雷达噪点，而且需要探测器和发射激光处于同一波段。角速度测量器和倾角测量器等传感器结构精密，但价格昂贵，大批量制造时不利于成本控制。


技术实现要素：

4.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中靶板法光能衰减严重，测量精度不高，而折返镜法易损伤探测器，成本高的技术缺陷。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种检测激光雷达发射光束指向的方法，包括：
6.构设反射靶材，在所述反射靶材的表面依次设置有基准区域、测试区域和标识区域，所述标识区域上设置有方形齿标识，所述测试区域和所述标识区域内皆设置有预设区域，所述标识区域内的方形齿标识位于预设区域的上侧且与所述预设区域连接；其中，所述基准区域、预设区域和方形齿标识所对应的材料皆为第一反射率，所述测试区域的非预设区域、所述标识区域的非预设区域与非方形齿标识所对应的材料皆为第二反射率，所述第一反射率不等于所述第二反射率；
7.沿所述测试区域的竖直方向中心线取第一参考线，沿所述方形齿的竖直方向中心线取第二参考线，在所述基准区域竖直方向取第三参考线，所述第三参考线与所述第二参考线相对于所述第一参考线对称设置；
8.激光雷达发射激光束，并沿反射靶材的水平方向扫描，扫描激光束与所述第一参考线、第二参考线和第三参考线的相交的激光点分别为b、c和a；
9.获取a、b和c三个激光点的回波能量值t0、t、和t
c
；
10.获取第一反射率对应的区域的平均能量阈值t1和第二反射率对应的区域的平均能量阈值t2；
11.根据t0、t、t
c
、t1和t2，计算获得光束指向。
12.作为优选的，所述第二反射率小于所述第一反射率。
13.作为优选的，所述根据t0、t、和t
c
计算获得光束指向，包括：
14.当t0＝t＝t
c
时，激光雷达的发射光束在预设区域所对应的角度范围内；
15.当t2/t1<t/t0<1,t
c
＝t1时，激光雷达的发射光束在预设区域和预设区域上侧的方形齿标识交界所对应的角度范围内；
16.当t/t0＝t2/t1，t
c
＝t1时，激光雷达的发射光束在预设区域的上侧的方形齿标识所对应的角度范围内；
17.当t2/t1<t/t0<1,t2<t
c
<t1时，激光雷达的发射光束在预设区域和预设区域下侧的非预设区域交界所对应的角度范围内；
18.当t/t0＝t2/t1，t
c
＝t2时，激光雷达的发射光束在预设区域下侧的非预设区域所对应的角度范围内。
19.作为优选的，令所述激光雷达的发射光束完全在预设区域内的最大角度为
±
θ0，激光雷达的发射光束向上/向下偏移至完全进入测试区域的非预设区域的最小角度为
±
θ1，则待测激光雷达发射光束的角度指向区域满足：
20.当t0＝t＝t
c
时，
‑
θ0<θ<θ0；
21.当t2/t1<t/t0<1,t
c
＝t1时，θ0<θ<θ1；
22.当t/t0＝t2/t1，t
c
＝t1时，θ>θ1；
23.当t2/t1<t/t0<1,t2<t
c
<t1时，
‑
θ1<θ<
‑
θ0；
24.当t/t0＝t2/t1，t
c
＝t2时，θ<
‑
θ1。
25.作为优选的，所述第二反射率大于所述第一反射率。
26.作为优选的，所述方形齿标识具有多个，多个所述方形齿标识呈线性阵列排布。
27.本发明公开了一种快速检测激光雷达发射光束指向的系统，包括：
28.反射靶材，所述反射靶材的表面依次设置有基准区域、测试区域和标识区域，所述标识区域上设置有方形齿标识，所述测试区域和所述标识区域内皆设置有预设区域，所述标识区域内的方形齿标识位于预设区域的上侧且与所述预设区域连接；其中，所述基准区域、预设区域和方形齿标识所对应的材料皆为第一反射率，所述测试区域的非预设区域、所述标识区域的非预设区域与非方形齿标识所对应的材料皆为第二反射率，所述第一反射率不等于所述第二反射率，沿所述测试区域的竖直方向中心线取第一参考线，沿所述方形齿的竖直方向中心线取第二参考线，在所述基准区域竖直方向取第三参考线，所述第三参考线与所述第二参考线相对于所述第一参考线对称设置；
29.激光束发射模块，所述激光束发射模块用于发射激光束，并沿反射靶材的水平方向扫描，扫描激光束与所述第一参考线、第二参考线和第三参考线的相交的激光点分别为b、c和a；
30.能量获取模块，所述能量获取模块用于获取a、b和c三个激光点的回波能量值t0、t、和t
c
；
31.平均阈值能量阈值获取模块，所述平均阈值能量获取模块用于获取第一反射率对
应的区域的平均能量阈值t1和第二反射率对应的区域的平均能量阈值t2；
32.计算模块，所述计算模块根据t0、t、t
c
、t1和t2，计算获得光束指向。
33.作为优选的，所述计算模块根据t0、t、t
c
、t1和t2，计算获得光束指向，包括：
34.当t0＝t＝t
c
时，激光雷达的发射光束在预设区域所对应的角度范围内；
35.当t2/t1<t/t0<1,t
c
＝t1时，激光雷达的发射光束在预设区域和预设区域上侧的方形齿标识交界所对应的角度范围内；
36.当t/t0＝t2/t1，t
c
＝t1时，激光雷达的发射光束在预设区域的上侧的方形齿标识所对应的角度范围内；
37.当t2/t1<t/t0<1,t2<t
c
<t1时，激光雷达的发射光束在预设区域和预设区域下侧的非预设区域交界所对应的角度范围内；
38.当t/t0＝t2/t1，t
c
＝t2时，激光雷达的发射光束在预设区域下侧的非预设区域所对应的角度范围内。
39.作为优选的，所述激光束发射模块用于发射脉冲激光束。
40.本发明公开了一种激光雷达装置，包括上述的快速检测激光雷达发射光束指向的系统
41.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
42.1、本发明提供了一种激光雷达发射光束指向检测方法，无需占用较大空间和各种昂贵探测器，利用激光雷达回波信号的能量快速检测发射光束指向，速度快，测量精度高。
43.2、本发明通过在反射靶材上设置不同反射率的反射面，比较各个区域回波能量和基准能量大小，确定激光发射光束指向，价格低，方便操作。
附图说明
44.图1为激光雷达系统发射光束指向检测方法应用示意图；
45.图2为检测靶板的各区域分布示意图；
46.图3为扫描激光束移动至反射靶材的不同位置的示意图；
47.图4为激光雷达发射光束指向分区图；
48.图5为激光雷达发射光束指向检测流程图；
49.图6为激光雷达系统结构示意图。
50.说明书附图标记说明：10、激光雷达；11、扫描激光束；20、反射靶材；21、预设区域；22、方形齿标识；30、第一参考线；31、第二参考线；32、第三参考线。
具体实施方式
51.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
52.参照图1
‑
图6所示，本发明的检测激光雷达发射光束指向的方法，包括以下步骤：
53.s1、构设反射靶材20，在所述反射靶材20的表面依次设置有基准区域、测试区域和标识区域，所述标识区域上设置有方形齿标识22，所述测试区域和所述标识区域内皆设置有预设区域21，所述标识区域内的方形齿标识22位于预设区域21的上侧且与所述预设区域21连接；其中，所述基准区域、预设区域和方形齿标识所对应的材料皆为第一反射率，所述
测试区域的非预设区域、所述标识区域的非预设区域与非方形齿标识所对应的材料皆为第二反射率，所述第一反射率不等于所述第二反射率。
54.s2、沿所述测试区域的竖直方向中心线取第一参考线30，沿所述方形齿的竖直方向中心线取第二参考线31，在所述基准区域竖直方向取第三参考线32，所述第三参考线32与所述第二参考线31相对于所述第一参考线30对称设置。
55.s3、激光雷达发射激光束，并沿反射靶材的水平方向扫描，扫描激光束11与所述第一参考线30、第二参考线31和第三参考线32的相交的激光点分别为b、c和a。
56.s4、获取a、b和c三个激光点的回波能量值t0、t、和t
c
。
57.s5、获取第一反射率对应的区域的平均能量阈值t1和第二反射率对应的区域的平均能量阈值t2。
58.s6、根据t0、t、t
c
、t1和t2，计算获得光束指向。
59.本发明中，第一反射率与第二反射率可根据需求设置，其能够产生明显的回波能量差异即可。第一反射率所对应的材料可为单一的材料，也可为复合光学材料。第二反射率可小于所述第一反射率，第二反射率也可大于所述第一反射率设置。
60.具体的，当第二反射率小于所述第一反射率时，根据t0、t、和t
c
计算获得光束指向，包括以下情况：
61.当t0＝t＝t
c
时，激光雷达的发射光束在预设区域21所对应的角度范围内；
62.当t2/t1<t/t0<1,t
c
＝t1时，激光雷达的发射光束在预设区域21和预设区域21上侧的方形齿标识22交界所对应的角度范围内；
63.当t/t0＝t2/t1，t
c
＝t1时，激光雷达的发射光束在预设区域21的上侧的方形齿标识22所对应的角度范围内；
64.当t2/t1<t/t0<1,t2<t
c
<t1时，激光雷达的发射光束在预设区域21和预设区域21下侧的非预设区域交界所对应的角度范围内；
65.当t/t0＝t2/t1，t
c
＝t2时，激光雷达的发射光束在预设区域21下侧的非预设区域所对应的角度范围内。
66.令所述激光雷达的发射光束完全在预设区域内的最大角度为
±
θ0，激光雷达的发射光束向上/向下偏移至完全进入测试区域的非预设区域的最小角度为
±
θ1，则待测激光雷达发射光束的角度指向区域满足：
67.当t0＝t＝t
c
时，
‑
θ0<θ<θ0；
68.当t2/t1<t/t0<1,t
c
＝t1时，θ0<θ<θ1；
69.当t/t0＝t2/t1，t
c
＝t1时，θ>θ1；
70.当t2/t1<t/t0<1,t2<t
c
<t1时，
‑
θ1<θ<
‑
θ0；
71.当t/t0＝t2/t1，t
c
＝t2时，θ<
‑
θ1。
72.在可选实施例中，方形齿标识可具有多个，多个所述方形齿标识呈线性阵列排布。
73.本发明还公开了一种快速检测激光雷达发射光束指向的系统，包括反射靶材、激光束发射模块、能量获取模块、平均阈值能量阈值获取模块和计算模块。
74.反射靶材的表面依次设置有基准区域、测试区域和标识区域，标识区域上设置有方形齿标识，测试区域和标识区域内皆设置有预设区域，标识区域内的方形齿标识位于预设区域的上侧且与预设区域连接；其中，基准区域、预设区域和方形齿标识所对应的材料皆
为第一反射率，测试区域的非预设区域、标识区域的非预设区域与非方形齿标识所对应的材料皆为第二反射率，第一反射率不等于第二反射率，沿测试区域的竖直方向中心线取第一参考线，沿方形齿的竖直方向中心线取第二参考线，在基准区域竖直方向取第三参考线，第三参考线与第二参考线相对于第一参考线对称设置。
75.激光束发射模块用于发射激光束，并沿反射靶材的水平方向扫描，激光束与第一参考线、第二参考线和第三参考线的相交的激光点分别为b、c和a。
76.能量获取模块用于获取a、b和c三个激光点的回波能量值t0、t、和t
c
。
77.平均阈值能量获取模块用于获取第一反射率对应的区域的平均能量阈值t1和第二反射率对应的区域的平均能量阈值t2。
78.计算模块根据t0、t、t
c
、t1和t2，计算获得光束指向，包括：
79.当t0＝t＝t
c
时，激光雷达的发射光束在预设区域所对应的角度范围内；
80.当t2/t1<t/t0<1,t
c
＝t1时，激光雷达的发射光束在预设区域和预设区域上侧的方形齿标识交界所对应的角度范围内；
81.当t/t0＝t2/t1，t
c
＝t1时，激光雷达的发射光束在预设区域的上侧的方形齿标识所对应的角度范围内；
82.当t2/t1<t/t0<1,t2<t
c
<t1时，激光雷达的发射光束在预设区域和预设区域下侧的非预设区域交界所对应的角度范围内；
83.当t/t0＝t2/t1，t
c
＝t2时，激光雷达的发射光束在预设区域下侧的非预设区域所对应的角度范围内。
84.在一实施例中，激光束发射模块用于发射脉冲激光束。
85.本发明公开了一种激光雷达装置，包括上述的快速检测激光雷达发射光束指向的系统，即快速检测激光雷达发射光束指向的系统集成在激光雷达装置中。当然，本发明也可将能量获取模块、计算模块等模块设置成外接处理设备。
86.下面，结合具体实施方式，对本发明中的技术方案做进一步说明。
87.参照图1
‑
图2所示，激光雷达发射脉冲激光扫描到反射靶板上，垂直方向上，靶板中心预设角度
±
θ0范围内的区域为带方形齿状高反射材料，上下方向超出预设角度
±
θ0范围的区域为低反射材料。水平方向上，左侧为基准区域，中间为光束指向测试区域，右侧为方向标识区域，标识区域上有一方形齿标识。测试区域中心方向角为0
°
，标识区域方形齿标识的中心方向角为α1、在左侧基准区域上再取方向角
‑
α1，三个区域的尺寸由激光雷达扫描频率和软件读取回波能量的分辨率来确定，进而确定
±
α1的大小。分别读取发射的脉冲激光在0
°
和
±
α1方向上的回波能量，根据回波能量值确定激光雷达发射光束指向。
88.参照图2所示，反射靶材上可涂覆两种不同折射率的反射材料：高反射材料和低反射材料。高反射材料包含左侧基准区域全部，中心测试区域和右侧方向标识区域在预设角度
±
θ0范围内区域，以及方形齿标识。对于涂覆高反射材料的区域，激光雷达接收到的回波信号强，能量高。反射靶材的其它区域则涂覆低反射材料，此些区域的激光雷达接收到的回波信号弱，能量低。发射激光光束在0
°
和
±
α1方向上的点分别为a、b、c。
89.参见图3，本发明激光雷达发射光束指向检测详细原理：扫描激光束在正前方0
°
和
±
α1三个方向扫描到反射靶材上的三个测试点为a、b、c。a点的回波能量t0为基准能量，b点的回波能量t为测试能量。c点的回波能量t
c
为方向标识能量。涂覆高反射材料的区域的回
波能量值为第一能量阈值t1，涂覆低反射材料的区域回波能量值为第二能量阈值t2。第一能量阈值t1和第二能量阈值t2为大量测试激光雷达和选择的反射材料后得出的均值。
90.激光雷达的发射光束完全在预设区域内的最大角度为
±
θ0，激光雷达的发射光束向上/向下偏移至完全进入测试区域的非预设区域的最小角度为
±
θ1。
91.参照图3(a)所示，激光发射光束指向在预设角度
±
θ0范围内时，a、b、c三个点均在反射靶板预设区域上，且不考虑几个点到激光雷达的微小距离差值，三个点的回波能量测试能量t、基准能量t0和方向标识能量t
c
均等于t1，测试能量t和基准能量t0的比值t/t0＝1。
92.参照图3(b)所示，激光发射光束指向向上偏离预设角度θ0范围，在预设区域和预设区域上侧的方形齿标识交界所对应的角度范围内，a点的回波能量不变，仍为t0，b点的回波能量开始减小、c点的回波能量也不变。t2/t1<t/t0<1,t
c
＝t1。
93.参照图3(c)所示，激光发射光束指向继续向上偏移到预设区域的上侧的方形齿标识所对应的角度范围内，a点和c点的回波能量仍为t1，b点的回波能量等于t2，t/t0＝t2/t1，t
c
＝t1。
94.参照图3(d)所示，激光发射光束指向向下偏离预设角度θ0范围，在预设区域和预设区域下侧的非预设区域交界所对应的角度范围内，a点的回波能量不变，仍为t0，b点和c点的回波能量开始减小。t2/t1<t/t0<1,t2<t
c
<t1。
95.参照图3(e)所示，激光发射光束指向继续向下偏移到在预设区域下侧的非预设区域所对应的角度范围内，a点的回波能量仍为t1，b点和c点的回波能量等于t2，t/t0＝t2/t1，t
c
＝t2。
96.参见图4和表1，光束指向范围分布如下：
97.表1
98.t/t0t
c
指向区间t/t0＝t2/t1t
c
＝t1θ>θ1t2/t1<t/t0<1t
c
＝t1θ0<θ<θ1t/t0＝1t
c
＝t1‑
θ0<θ<θ0t2/t1<t/t0<1t2<t
c
<t1‑
θ1<θ<
‑
θ0t/t0＝t2/t1t
c
＝t2θ<
‑
θ199.参见图5，本发明激光雷达发射光束指向检测方法流程包括：激光雷达发射的脉冲激光经靶板反射后，激光雷达接收回波信号，读取所选测试点的回波能量，计算测试能量t，基准能量t0，判断光束指向的偏角大小，结合标识点能量t
c
判断光束指向方向，得出准确的光束指向。
100.参见图6，本发明提供的激光雷达系统包含激光脉冲发射模块，回波信号接收模块和发射光束指向处理模块。
101.激光脉冲发射模块用于驱动光源，发射激光脉冲信号。
102.回波信号接收模块用于将回波激光信号汇聚，并将光信号转换成电信号。
103.发射光束指向处理模块用于读取回波激光信号的脉冲宽度，比较测试能量t，基准能量t0和标识点能量t
c
，确定发射光束指向。
104.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实
施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
105.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
106.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
107.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
108.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。