激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试方法及系统与流程

1.本发明涉及光学领域，具体地，涉及一种三维图像模拟装置的调试方法，更为具体地，涉及一种激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试方法及系统。


背景技术：

2.激光雷达是以激光测距技术为基础，通过发射激光脉冲信号照射目标并由探测器接收来自目标不同有效光学截面的回波信号，根据激光信号到达各个目标点和返回的飞行时间形成角度-角度-距离图像进而构建出目标三维图像。随着激光雷达探测装置的快速发展，激光雷达凭借分辨率高、探测精度高、抗干扰性强等众多优点，逐渐成为国内外军事领域、民事领域的焦点。到目前为止，激光雷达已经在地理遥感、地质监测、无人驾驶、无人机、家用电气等国民经济各领域广泛应用。激光雷达的研发过程包括设计、开发、测试和验证，尤其是在生产初期要进行大量的试验测试。
3.为了在实验室内实现激光雷达回波信号的模拟，上海机电工程研究所提出了一种新型的激光雷达回波信号物理图像模拟方法(专利申请号：zl201310071451.x激光雷达回波信号物理图像模拟系统和方法)，北京理工大学提出了一种基于可编程全光延时阵列的回波信号模拟方法(y.gao,l.zhou,x.wang,h.yan,k.hao,s.yang,and z.li,"a programmable all-optical delay array for light detection and ranging scene generation,"ieee access 7,93489-93500(2019))。由于上述两种方法中图像复合模块中各个微透镜阵列实际加工位置与理论存在误差，导致光调制器件各成像区域与相对应的微透镜阵列不同轴，图像的空间复合精度低。该误差受加工精度限制不可避免，因此亟需提出一种高效的三维图像空间复合调试方法补偿图像复合误差，提高激光雷达回波信号的模拟质量，减小加工误差对系统成像质量的影响。
4.专利文献cn111551911a(申请号：cn202010452587.5)公开了一种基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法。所述基于空域加权的激光雷达回波信号处理方法包括以下步骤：s1：光源构成发射模组并发射探测光信号；s2：所述探测光信号经过准直镜后变成准直的平行光线；s3：所述平行光线经过光学分光器件发生偏转；s4：经过所述光学分光器件的平行光线进入光束偏转系统来控制出光的方向进行空间扫描。但该发明没有解决由于图像复合模块各个微透镜阵列实际加工位置与理论存在误差，导致光调制器件各成像区域与相对应的微透镜阵列不同轴，图像的空间复合精度会大大下降的问题


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试方法及系统。
6.根据本发明提供的一种激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试方法，包括：
7.步骤s1：将光调制器件进行区域分割并编号；
8.步骤s2：根据照明激光源的工作波段设置调试校准装置；
9.步骤s3：调试中心分割区域成像位置和相邻分割区域成像；
10.步骤s4：判断邻接的四块成像区域是否符合预设标准，如果符合预设标准不再重复调试，否则重复调试直至全部区域符合预设标准。
11.优选地，包括图像转换模块、图像复合模块；
12.所述的图像转换模块为经过区域分割的光调制器件，将入射的激光信号调制为图像序列；
13.所述的图像复合模块由微透镜阵列和复合透镜组成，微透镜阵列将各个光调制器件成像区域调制出的图像序列准直为平行光，若经过区域分割的光调制器件各成像区域与相对应的微透镜阵列同轴，复合透镜能够将所有准直后的图像序列物理辐射信号成像在同一像面上且重合。
14.优选地，在所述步骤s1中：
15.单个光调制器件像元数为h
×
w，分割为m
×
n个大小相同的分割区域，则各分割区域尺寸为
16.各分割区域包含成像区域与非成像区域，其中成像区域尺寸为p
×
q，m
×
n个成像区域位于m
×
n个分割区域中心位置；
17.对各成像区域进行编号，第m行、第n列的成像区域记为(m,n)，其中1≤m≤m，1≤n≤n。
18.优选地，在所述步骤s2中：
19.根据照明激光源的工作波段确定校准装置；将校准装置装配在三维调整底座上并调整使得校准装置的光轴与激光雷达回波模拟装置的光轴重合度达到预设值，校准装置探测器位置与回波模拟装置像面重合；校准装置连接图像显示和采集设备，图像显示和采集设备能够显示和记录各个靶标图像。
20.优选地，在所述步骤s3中：
21.中心分割区域成像位置调试：
22.中心分割区域(m/2,n/2)调试，使序列图像复合位置位于光轴上，成像在探测器中心位置，当m或n为奇数时，m/2或n/2加1/2取整；
23.相邻分割区域成像复合调试：
24.选取中心分割区域为基准，依次调试周围邻接的四块分割区域：(m/2-1,n/2)，(m/2,n/2-1)，(m/2,n/2 1)，(m/2 1,n/2)，使各区域序列图像复合位置位于光轴上；
25.在所述步骤s4中：
26.判断邻接的四块成像区域是否全部调试完毕，如调试完毕，将已调试完毕的子片(m/2-1,n/2)，(m/2,n/2-1)，(m/2,n/2 1)，(m/2 1,n/2)依次作为下一轮调节的基准区域扩充周围相邻的四块区域，已经调试完毕的区域不再重复调试，否则重复调试中心分割区域成像位置和相邻分割区域成像，直到全部区域调试完毕。
27.根据本发明提供的一种激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试系统，包括：
28.模块m1：将光调制器件进行区域分割并编号；
29.模块m2：根据照明激光源的工作波段设置调试校准装置；
30.模块m3：调试中心分割区域成像位置和相邻分割区域成像；
31.模块m4：判断邻接的四块成像区域是否符合预设标准，如果符合预设标准不再重复调试，否则重复调试直至全部区域符合预设标准。
32.优选地，包括图像转换模块、图像复合模块；
33.所述的图像转换模块为经过区域分割的光调制器件，将入射的激光信号调制为图像序列；
34.所述的图像复合模块由微透镜阵列和复合透镜组成，微透镜阵列将各个光调制器件成像区域调制出的图像序列准直为平行光，若经过区域分割的光调制器件各成像区域与相对应的微透镜阵列同轴，复合透镜能够将所有准直后的图像序列物理辐射信号成像在同一像面上且重合。
35.优选地，在所述模块m1中：
36.单个光调制器件像元数为h
×
w，分割为m
×
n个大小相同的分割区域，则各分割区域尺寸为
37.各分割区域包含成像区域与非成像区域，其中成像区域尺寸为p
×
q，m
×
n个成像区域位于m
×
n个分割区域中心位置；
38.对各成像区域进行编号，第m行、第n列的成像区域记为(m,n)，其中1≤m≤m，1≤n≤n。
39.优选地，在所述模块m2中：
40.根据照明激光源的工作波段确定校准装置；将校准装置装配在三维调整底座上并调整使得校准装置的光轴与激光雷达回波模拟装置的光轴重合度达到预设值，校准装置探测器位置与回波模拟装置像面重合；校准装置连接图像显示和采集设备，图像显示和采集设备能够显示和记录各个靶标图像。
41.优选地，在所述模块m3中：
42.中心分割区域成像位置调试：
43.中心分割区域(m/2,n/2)调试，使序列图像复合位置位于光轴上，成像在探测器中心位置，当m或n为奇数时，m/2或n/2加1/2取整；
44.相邻分割区域成像复合调试：
45.选取中心分割区域为基准，依次调试周围邻接的四块分割区域：(m/2-1,n/2)，(m/2,n/2-1)，(m/2,n/2 1)，(m/2 1,n/2)，使各区域序列图像复合位置位于光轴上；
46.在所述模块m4中：
47.判断邻接的四块成像区域是否全部调试完毕，如调试完毕，将已调试完毕的子片(m/2-1,n/2)，(m/2,n/2-1)，(m/2,n/2 1)，(m/2 1,n/2)依次作为下一轮调节的基准区域扩充周围相邻的四块区域，已经调试完毕的区域不再重复调试，否则重复调试中心分割区域成像位置和相邻分割区域成像，直到全部区域调试完毕。
48.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
49.1、本发明的一种激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试方法，通过对光调制器件各成像区域进行调整使各分割成像区域成像位置与相应的微透镜阵列同轴，进而使各图像序列在像面位置完全重合，提高图像序列的复合精度；
50.2、本发明解决了由于图像复合模块各个微透镜阵列实际加工位置与理论存在误
差，导致光调制器件各成像区域与相对应的微透镜阵列不同轴，图像的空间复合精度会大大下降的问题；
51.3、本发明通过精密调试各成像区域光轴补偿微透镜阵列加工误差，使各个切片图像序列在像面位置完全重合，提高切片图像序列的复合精度，进而提高了激光雷达回波信号的模拟质量，满足系统对成像质量的要求。
附图说明
52.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
53.图1为光调制器件区域分割与编号示意图；
54.图2为激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试原理图；
55.图3为驱动光调制器件的调试靶标图像；
56.图4为中心分割区域调节前成像示意图；
57.图5为中心分割区域调节后成像示意图；
58.图6为第一个相邻分割区域调试前成像示意图；
59.图7为第一个相邻分割区域调试后成像示意图；
60.图8为全部区域调试前光调制器件的驱动图像及成像示意图；
61.图9为全部区域调试后光调制器件的驱动图像及成像示意图。
具体实施方式
62.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
63.实施例1：
64.根据本发明提供的一种激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试方法，如图1-图9所示，包括：
65.步骤s1：将光调制器件进行区域分割并编号；
66.步骤s2：根据照明激光源的工作波段设置调试校准装置；
67.步骤s3：调试中心分割区域成像位置和相邻分割区域成像；
68.步骤s4：判断邻接的四块成像区域是否符合预设标准，如果符合预设标准不再重复调试，否则重复调试直至全部区域符合预设标准。
69.具体地，包括图像转换模块、图像复合模块；
70.所述的图像转换模块为经过区域分割的光调制器件，将入射的激光信号调制为图像序列；
71.所述的图像复合模块由微透镜阵列和复合透镜组成，微透镜阵列将各个光调制器件成像区域调制出的图像序列准直为平行光，若经过区域分割的光调制器件各成像区域与相对应的微透镜阵列同轴，复合透镜能够将所有准直后的图像序列物理辐射信号成像在同一像面上且重合。
72.具体地，在所述步骤s1中：
73.单个光调制器件像元数为h
×
w，分割为m
×
n个大小相同的分割区域，则各分割区域尺寸为
74.各分割区域包含成像区域与非成像区域，其中成像区域尺寸为p
×
q，m
×
n个成像区域位于m
×
n个分割区域中心位置；
75.对各成像区域进行编号，第m行、第n列的成像区域记为(m,n)，其中1≤m≤m，1≤n≤n。
76.具体地，在所述步骤s2中：
77.根据照明激光源的工作波段确定校准装置；将校准装置装配在三维调整底座上并调整使得校准装置的光轴与激光雷达回波模拟装置的光轴重合度达到预设值，校准装置探测器位置与回波模拟装置像面重合；校准装置连接图像显示和采集设备，图像显示和采集设备能够显示和记录各个靶标图像。
78.具体地，在所述步骤s3中：
79.中心分割区域成像位置调试：
80.中心分割区域(m/2,n/2)调试，使序列图像复合位置位于光轴上，成像在探测器中心位置，当m或n为奇数时，m/2或n/2加1/2取整；
81.相邻分割区域成像复合调试：
82.选取中心分割区域为基准，依次调试周围邻接的四块分割区域：(m/2-1,n/2)，(m/2,n/2-1)，(m/2,n/2 1)，(m/2 1,n/2)，使各区域序列图像复合位置位于光轴上；
83.在所述步骤s4中：
84.判断邻接的四块成像区域是否全部调试完毕，如调试完毕，将已调试完毕的子片(m/2-1,n/2)，(m/2,n/2-1)，(m/2,n/2 1)，(m/2 1,n/2)依次作为下一轮调节的基准区域扩充周围相邻的四块区域，已经调试完毕的区域不再重复调试，否则重复调试中心分割区域成像位置和相邻分割区域成像，直到全部区域调试完毕。
85.实施例2：
86.实施例2为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
87.本领域技术人员可以将本发明提供的一种激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试方法，理解为激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试系统的具体实施方式，即所述激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试系统可以通过执行所述激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试方法的步骤流程予以实现。
88.根据本发明提供的一种激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试系统，包括：
89.模块m1：将光调制器件进行区域分割并编号；
90.模块m2：根据照明激光源的工作波段设置调试校准装置；
91.模块m3：调试中心分割区域成像位置和相邻分割区域成像；
92.模块m4：判断邻接的四块成像区域是否符合预设标准，如果符合预设标准不再重复调试，否则重复调试直至全部区域符合预设标准。
93.具体地，包括图像转换模块、图像复合模块；
94.所述的图像转换模块为经过区域分割的光调制器件，将入射的激光信号调制为图
像序列；
95.所述的图像复合模块由微透镜阵列和复合透镜组成，微透镜阵列将各个光调制器件成像区域调制出的图像序列准直为平行光，若经过区域分割的光调制器件各成像区域与相对应的微透镜阵列同轴，复合透镜能够将所有准直后的图像序列物理辐射信号成像在同一像面上且重合。
96.具体地，在所述模块m1中：
97.单个光调制器件像元数为h
×
w，分割为m
×
n个大小相同的分割区域，则各分割区域尺寸为
98.各分割区域包含成像区域与非成像区域，其中成像区域尺寸为p
×
q，m
×
n个成像区域位于m
×
n个分割区域中心位置；
99.对各成像区域进行编号，第m行、第n列的成像区域记为(m,n)，其中1≤m≤m，1≤n≤n。
100.具体地，在所述模块m2中：
101.根据照明激光源的工作波段确定校准装置；将校准装置装配在三维调整底座上并调整使得校准装置的光轴与激光雷达回波模拟装置的光轴重合度达到预设值，校准装置探测器位置与回波模拟装置像面重合；校准装置连接图像显示和采集设备，图像显示和采集设备能够显示和记录各个靶标图像。
102.具体地，在所述模块m3中：
103.中心分割区域成像位置调试：
104.中心分割区域(m/2,n/2)调试，使序列图像复合位置位于光轴上，成像在探测器中心位置，当m或n为奇数时，m/2或n/2加1/2取整；
105.相邻分割区域成像复合调试：
106.选取中心分割区域为基准，依次调试周围邻接的四块分割区域：(m/2-1,n/2)，(m/2,n/2-1)，(m/2,n/2 1)，(m/2 1,n/2)，使各区域序列图像复合位置位于光轴上；
107.在所述模块m4中：
108.判断邻接的四块成像区域是否全部调试完毕，如调试完毕，将已调试完毕的子片(m/2-1,n/2)，(m/2,n/2-1)，(m/2,n/2 1)，(m/2 1,n/2)依次作为下一轮调节的基准区域扩充周围相邻的四块区域，已经调试完毕的区域不再重复调试，否则重复调试中心分割区域成像位置和相邻分割区域成像，直到全部区域调试完毕。
109.实施例3：
110.实施例3为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
111.本发明主要应用于激光雷达回波信号模拟系统。
112.本发明要解决的技术问题是提高切片图像序列的复合精度，即通过调试保证经过区域分割的光调制器件各成像区域与相应的微透镜阵列同轴，使各个切片图像序列在像面位置完全重合。为解决上述问题，本发明公开一种激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试方法。
113.本方法的具体步骤如下：
114.1.光调制器件区域分割与编号
115.单个光调制器件像元数为h
×
w，被均分为m
×
n个分割区域，则各分割区域尺寸为各分割区域包含成像区域与非成像区域，其中成像区域尺寸为p
×
q，m
×
n个成像区域理论上应位于m
×
n个分割区域中心位置。对各成像区域进行编号，第m行，第n列的成像区域记为(m,n)，其中1≤m≤m，1≤n≤n。
116.2.调试设备准备
117.根据照明激光源的工作波段确定校准装置为可见光或红外成像设备；优选的校准装置为可见光成像探测器或红外成像探测器；将校准装置装配在3维调整底座上并调整使得校准装置的光轴与激光雷达回波模拟装置的光轴基本重合，校准装置探测器位置与回波模拟装置像面重合；校准装置连接图像显示和采集设备，图像显示和采集设备可显示和记录各个靶标图像；优选的靶标图像为网格、十字线、条纹等；
118.3.中心分割区域成像位置调试
119.中心分割区域(m/2,n/2)(注：当m或n为奇数时，m/2或n/2向上取整)调试。目的是使序列图像复合位置位于光轴上，即成像在探测器中心位置。
120.4.相邻分割区域成像复合调试
121.选取中心分割区域为基准，依次调试周围邻接的四块分割区域：(m/2-1,n/2)，(m/2,n/2-1)，(m/2,n/2 1)，(m/2 1,n/2)。使各区域序列图像复合位置位于光轴上。
122.5.循环调试直到所有子区域调试完毕
123.判断邻接的四块成像区域是否全部调试完毕，是则将已调试完毕的子片(m/2-1,n/2)，(m/2,n/2-1)，(m/2,n/2 1)，(m/2 1,n/2)依次作为下一轮调节的基准区域扩充周围相邻的四块区域，已经调试完毕的区域不再重复调试，否则重复(4)、(5)。直到全部区域调试完毕。
124.一种激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试方法，其特征在于，该调试方法包括主要由仿真计算机、粗控延时器、激光器、耦合光纤、分束器、能量调制模块、精控延时模块、激光雷达目标点源生成计算机、图像转换模块、图像复合模块和光学投影模块。所述的图像转换模块为经过区域分割的光调制器件，用于将入射的激光信号调制为图像序列，所述的图像复合模块由微透镜阵列和复合透镜组成，微透镜阵列可以将各个光调制器件成像区域调制出的图像序列准直为平行光，若经过区域分割的光调制器件各成像区域均与相对应的微透镜阵列同轴，那么复合透镜可以将所有准直后的图像序列物理辐射信号成像在同一像面上且完全重合。
125.实施例4：
126.实施例4为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
127.一种激光雷达回波信号模拟装置图像复合调试方法，具体步骤如下：
128.1.光调制器件区域分割与编号。本实施例中单个光调制器件像元数为768
×
768，被均分为3
×
3个分割区域，则各分割区域尺寸为256
×
256。各分割区域包含成像区域与非成像区域，其中成像区域尺寸为64
×
64，3
×
3个成像区域理论上应位于3
×
3个分割区域中心位置。对各成像区域进行编号，第m行，第n列的成像区域记为(m,n)，其中1≤m≤3，1≤n≤3，如图1所示。
129.2.调试设备准备
130.根据照明激光源的工作波段确定校准装置为可见光或红外成像设备；优选的校准装置为可见光成像探测器或红外成像探测器；将校准装置装配在3维调整底座上并调整使得校准装置的光轴与激光雷达回波信号模拟装置的光轴基本重合，如图2所示；校准装置连接图像显示和采集设备，图像显示和采集设备可显示和记录各个靶标图像；优选的靶标图像为网格、十字线、条纹等，本实施例中选用十字线靶标图如图3所示；
131.3.中心分割区域成像位置调试
132.中心分割区域(2,2)调试。调整前中心分割区域靶标图像成像位置不在探测器中心，如图4通过调整光调制器件靶标图像的驱动位置，使其在探测器成像位置位于正中心，如图5所示，此时，图像序列复合位置位于光轴上。
133.4.相邻分割区域成像复合调试
134.选取中心分割区域为基准，依次调试周围邻接的四块分割区域(1,2)、(2,1)、(2,3)、(3,2)。通过依次调整上述各区域光调制器件靶标图像的驱动位置，使各区域靶标图像与中心分割区域靶标图像在探测器上的成像完全重合。其中，(1,2)区域调整前后图像如图6、图7所示。四块分割区域调整完成后相应的四块分割图像序列复合位置位于光轴上。
135.5.循环调试直到所有子区域调试完毕
136.判断邻接的四块成像区域是否全部调试完毕，是则将已调试完毕的子片(1，2)、(2，1)、(2，3)、(3，2)依次作为下一轮调节的基准区域扩充周围相邻的四块区域，已经调试完毕的区域不再重复调试，否则重复(4)、(5)。直到全部区域调试完毕。全部区域调试前后光调制器件的驱动图像及成像示意图如图8、图9所示。
137.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
138.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。