[發明專利]一種激光雷達掃描振鏡三維角度測量裝置和方法

在審

• 申請號: 202010716357.5
• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN111982028A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 黃騰超;王先帆;車雙良;舒曉武
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26;G01S17/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種激光雷達掃描振鏡三維角度測量裝置和方法，屬于角度測量領域。該裝置包括激光器、準直透鏡、分光棱鏡、掃描振鏡、聚焦透鏡和激光光斑探測器；掃描振鏡為特制的具有特殊結構的振鏡，其前表面為鍍膜反射鏡，后表面鍍有反射式衍射光柵；準直后的激光光束照射到掃描振鏡后表面的反射式衍射光柵上，零級衍射光束和正一級衍射光束以不同的角度反射并透射過分光棱鏡和聚焦透鏡，平行的照射到兩個激光光斑探測器上，計算兩個激光光斑探測器上的零級衍射光斑和正一級衍射光斑的位移，即可得到掃描振鏡在三個維度上的偏轉角度。

技術領域

本發明涉及角度測量領域，具體涉及一種激光雷達掃描振鏡三維角度測量裝置和方法。

背景技術

激光雷達是一種集探測目標、遠程測距、面陣成像等功能于一體的激光傳感系統，其具有比較高的距離和角度測量分辨率，比較大的測量范圍和工作距離，以及優異的抗干擾能力。近年來，激光雷達的應用場景逐漸從軍事用途轉向民用領域，在資源勘探，交通通訊，環境檢測等方面發揮越來越重要的作用。激光雷達系統主要由激光發射系統、振鏡掃描系統、激光接收系統和信號處理系統組成，其中振鏡掃描系統是激光雷達系統的重要組成部分，其決定了激光雷達的探測范圍和角位置測量精度。

傳統的振鏡掃描系統包括反射鏡和掃描振鏡，掃描振鏡由掃描電機和伺服電路組成。掃描電機內部集成了電容式角位置傳感器，控制程序會根據待掃描物體的空間位置，發送指令給伺服電路，控制和驅動掃描電機將發射井旋轉到相應的角位置。如上所述，振鏡掃描系統的角位置精度決定了激光雷達的角度測量分辨率，因此在激光雷達工作過程中精確測量掃描振鏡的角位置是十分必要的。

一般的激光雷達是利用掃描電機內部集成的電容式角位置傳感器，然而這種傳感器只是測量掃描電機轉軸的角位置，并不是直接測量反射鏡的偏轉角度，因此反射鏡和掃描電機的安裝誤差以及轉動過程中的遲滯現象都會導致偏振轉角測量誤差，另外掃描電機內部集成的電容式角位置傳感器是一種接觸式角度測量方式，會給測量系統帶來額外的負載，影響測量精度。

發明內容

為了克服現有技術中由于激光雷達采用電容式角位移傳感器等接觸式測量方法，導致激光雷達的測量精度有限的問題，本發明提供了一種激光雷達掃描振鏡三維角度測量裝置和方法，采用特制的掃描振鏡，其前表面為鍍膜反射鏡，用于對激光雷達的測量激光實現有效的偏轉，其后表面為反射式衍射光柵。準直后的激光光束照射到掃描振鏡后表面的反射式衍射光柵上，零級衍射光束和正一級衍射光束以不同的角度反射并透射光分光棱鏡和聚焦透鏡，平行的照射到兩個激光光斑探測器上，計算兩個激光光斑探測器上的零級衍射光斑和正一級衍射光斑的位移，即可得到掃描振鏡在三個維度上的偏轉角度。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種激光雷達掃描振鏡三維角度測量裝置，所述測量裝置集成安裝在激光雷達內部，測量裝置包括：激光器、準直透鏡、分光棱鏡、聚焦透鏡、衍射光柵和激光光斑探測元件；

所述的衍射光柵位于激光雷達的掃描振鏡的后表面上，從激光器發射的激光經準直透鏡后入射至分光棱鏡，通過分光棱鏡反射至掃描振鏡后表面的衍射光柵上，形成零級衍射光束和正一級衍射光束；所述的零級衍射光束和正一級衍射光束分別穿過分光棱鏡，經聚焦透鏡聚焦后入射至激光光斑探測元件上，由激光光斑探測元件接收到零級衍射光斑和正一級衍射光斑。

根據反射式衍射光柵的性質：當一束平行光照射到反射式衍射光柵時，由于光柵每個縫和各縫間的干涉，會形成明暗相間的條紋圖樣。反射式衍射光柵的衍射角θ，波長λ，光柵常數d遵循如下公式：d*sin(θ)＝k*λ，其中k＝0，±1，±2，…。當一束準直激光照射到掃描振鏡的后表面時，不同級數的衍射光斑會以不同衍射角反射，利用聚焦透鏡將零級衍射光斑(即k＝0)和正一級衍射光斑(即k＝+1)分別引導至兩個PSD上。通過測量兩個PSD上零級衍射光斑和正一級衍射光斑的相對于初始位置的位移，即可計算得到掃描振鏡的角位置信息。

與現有的技術方案相比，本發明的有益效果：