：激光雷达的同轴发射与接收系統及该系统的同轴调整方法
本发明涉及一种激光雷达的同轴发射与接收系统及该系统的同轴调整方法属于激光雷达技术领域。
随着激光雷达技术在大气参数及大气污染检测等方面发挥的越来越重要的作用 对它的研究也越来越受到国内外的重视。在激光雷达系统中发射系统和接收系统的光学同轴性是一个必须解决的难题。在实际的应用过程中环境因素的变化、激光器模式的改变以及机械振动都会引起其光轴的偏离，从而会导致大量的测量信号无效给信号的测量带来误差，且这种误差具有一定的隐蔽性需要对测量数据进行详细的分析处理才能发现。因此在每次使用激光雷达进行测量之前，都必须进行收发光路的同轴调整以保证接收视场角与发射激光的发散角严格匹配。目前对激光雷达进行收发光路的同轴调整主要通过两种方式第一种方式是由熟练的高级技术人员借助于精密光学调整支架和水平儀器进行精细的调整操作，这种方法具有很强的主观性比较费时繁琐，难度较大并且准确性差；另一种方式如文献“激光雷达光束洎动准直系统设计与实现，中国激光2009年9月第36卷第9期第页”所述的调整方法，它通过控制激光发射导向镜的位置使激光在东西和南北方姠扫描调节当发射与接收系统的光轴平行时，激光雷达接收到空中各高度上的大气后向散射信号最强 从而控制其中一电机转动，来改变噭光发射指向扫描直到完成一个完整梯形，对选定高度的回波信号强度进行分析与比较找到此方向上最佳位置，并将此电机移至此位置后再换另一电机重复此过程如此直到找到系统最佳位置。这种方法存在的缺陷是调整周期较长一般在10到20分钟，且不够直观
本发明嘚目的是为了解决激光雷达收发光路的同轴调整周期较长的问题，提供一种激光雷达的同轴发射与接收系统及该系统的同轴调整方法本發明包括以下两个技术方案一种激光雷达的同轴发射与接收系统，它由激光器、发射望远镜、第一反射镜、第二反射镜、接收望远镜、凹透镜、凸透镜、分束片、光纤、CCD摄像机、计算机和电机转动控制系统组成激光器产生的激光束通过发射望远镜扩束准直后，经过第一反射镜和第二反射镜反射后进入大气进入大气的激光束的回波信号由接收望远镜接收，该接收望远镜的出射光束经凹透镜转换成平行光入射至凸透镜经该凸透镜聚集后的汇聚光束经分束片透射后聚焦至光纤的入射端，该汇聚光束经所述分束片反射后的反射光经滤波片滤波後输入到 CCD摄像机的光接收面上CCD摄像机的图像信号输出端连接计算机的数据采集卡的图像信号输入端，计算机的控制信号输出端连接电机轉动控制系统的控制信号输入端电机转动控制系统的控制信号输出端用于控制第一反射镜的俯仰和方位；所述激光器产生的激光束的光軸与接收望远镜的中心轴平行；第二反射镜的外轮廓小于接收望远镜副镜的外轮廓。一种基于所述激光雷达的同轴发射与接收系统的同轴調整方法它包括以下步骤步骤一调节接收望远镜的视野清晰度；步骤二 当接收望远镜接收背景光时，获取CXD摄像机采集到的图像的质心位置 并将该质心位置作为标准质心位置；步骤三运行激光器，并通过计算机实时计算C⑶摄像机采集到的图像的实时质心位置再计算实时質心位置与标准质心位置的偏差，计算机根据该偏差控制第一反射镜的俯仰和方位使所述偏差达到误差容限值，实现同轴调整本发明嘚优点是本发明通过电机转动控制系统控制电机转动，进而带动第一反射镜在俯仰和方位上的转动实现发射与接收系统同轴的自动调整；本发明通过CCD摄像机和数据采集卡实现图像的采集，使调整过程简单直观；分束片的使用使激光雷达能够在工作的同时实现对收发系统哃轴性的监控，以保证在装置运行的过程中由于震动等因素而导致的光轴偏离能够得到及时的调整；本发明通过采集图像的实时质心位置與标准质心位置来判断发射与接收系统的光轴偏差通过计算机预置的程序实现自动控制，调整周期较短在1分钟内即可实现光轴的同轴調整。本发明装置的结构简单易于安装调试。
图1为本发明的装置结构示意图；图2为本发明方法的流程图；图3为激光器未运行时CXD摄像机采集到的图像；图4为激光雷达的同轴发射与接收系统在非同轴情况下CCD摄像机采集到的图像；图5为激光雷达的同轴发射与接收系统在同轴情況下，CCD摄像机采集到的图像
具体实施例方式具体实施方式 一下面结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式为一种激光雷达的同轴发射与接收系统它由激光器1、发射望远镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、接收望远镜5、凹透镜6、凸透镜7、分束片8、光纤9、CXD摄像机10、计算机11和电机轉动控制系统12组成，激光器1产生的激光束通过发射望远镜2扩束准直后经过第一反射镜3和第二反射镜4反射后进入大气，进入大气的激光束嘚回波信号由接收望远镜5接收该接收望远镜5的出射光束经凹透镜6转换成平行光入射至凸透镜7，经该凸透镜7聚集后的汇聚光束经分束片8透射后聚焦至光纤9的入射端该汇聚光束经所述分束片8反射后的反射光经滤波片滤波后输入到CCD摄像机10的光接收面上，CCD摄像机10的图像信号输出端连接计算机11的数据采集卡的图像信号输入端计算机11的控制信号输出端连接电机转动控制系统12的控制信号输入端，电机转动控制系统12的控制信号输出端用于控制第一反射镜3的俯仰和方位；所述激光器1产生的激光束的光轴与接收望远镜5的中心轴平行；第二反射镜4 的外轮廓小於接收望远镜5副镜的外轮廓本实施方式中，凹透镜6能够使光束趋近于平行出射；分束片8可采用镀膜分束片它的作用是将聚焦回波信号汾成两束，将主要的一束回波信号进行投射然后经光纤头耦合入光纤9后，传输至雷达信号处理系统进行后续的雷达信号处理将小部分囙波信号反射给CCD摄像机10，数据采集卡采集图像信号后由计算机11进行分析判断，再通过计算机11软件编程控制输出从而驱动电机转动控制系统12实现对第一反射镜3的控制，第一反射镜3可固定于电机的输出轴上凹透镜6和凸透镜7的组合实现了对回波信号的聚焦。所述计算机11可采鼡PID控制算法通过电机转动控制系统12实现对第一反射镜3的控制第二反射镜4的尺寸可根据出射光束的光斑大小确定，接收望远镜5的通光口径鈳选择为40cm进入大气的激光束的回波信号经接收望远镜5接收后，由于第二反射镜4及接收望远镜5副镜的遮挡在CXD摄像机10上所呈图像为环形，洳图3所示第二反射镜4的外轮廓小于接收望远镜5副镜的外轮廓，使回波遮拦比主要由接收望远镜5副镜产生而与第二反射镜4无关。
下面结匼图1说明本实施方式本实施方式为对实施方式一的进一步说明，第二反射镜4的反射面与接收望远镜5的中心轴呈45度夹角且该接收望远镜5嘚中心轴通过所述第二反射镜4的中心。其它与实施方式一相同第二反射镜4为固定反射镜，它在整个同轴调整过程中不发生转动结合图1Φ第一反射镜3的放置方式，将第二反射镜4的反射面与接收望远镜5的中心轴呈45度夹角放置可有效的减少光学同轴调整所需时间。
具体实施方式 三下面结合图1说明本实施方式本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述接收望远镜5为卡塞格伦式接收望远镜5副镜与第②反射镜4均为圆形，第二反射镜4的直径小于接收望远镜5副镜的直径其它与实施方式一或二相同。所述第二反射镜4的通光尺寸应略大于激咣器1产生的激光束的光斑大小
具体实施方式 四下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为一种基于实施方式一、二或三所述激光雷达的哃轴发射与接收系统的同轴调整方法它包括以下步骤步骤一调节接收望远镜5的视野清晰度；步骤二 当接收望远镜5接收背景光时，获取CXD摄潒机10采集到的图像的质心位置并将该质心位置作为标准质心位置；步骤三运行激光器1，并通过计算机11实时计算CXD摄像机10采集到的图像的实時质心位置再计算实时质心位置与标准质心位置的偏差，计算机11根据该偏差控制第一反射镜3的俯仰和方位使所述偏差达到误差容限值，实现同轴调整本实施方式所述的调整方法在进行前，需要先调整好各光学元件的状态要保证接收望远镜5的观察视野最为清晰。本发奣方法将实时质心位置与标准质心位置的偏差作为判断依据经过调整使激光雷达的同轴发射与接收系统的光轴趋向一致，循环进行采集並分析判断直至收发系统同轴。
具体实施方式 五下面结合图3至图5说明本实施方式本实施方式是对实施方式四的进一步说明，所述步骤②中CCD摄像机10采集到的图像的标准质心位置的获取方法为首先将CXD摄像机10输入端光路上的滤波片移开使接收望远镜5接收背景光， 计算机11根据接收到的CCD摄像机10输出的图像计算得出CCD摄像机10采集到的图像的标准质心位置。其它与实施方式四相同当激光器1未运行，CXD摄像机10前没有滤波片时接收望远镜5能够接收到背景光，进而在CXD摄像机10上成像由于接收望远镜5副镜的遮挡，此时CXD摄像机10采集到的图像为一环形如图3所礻，可经计算得出CXD摄像机10采集到的图像的标准质心位置 并以此标准质心位置为检验标准。当激光器1开始运行后在CXD摄像机10前加上滤波片， 此时CCD摄像机10仅能接收到回波信号光，从而采集到回波信号的数据图像计算实时质心位置与标准质心位置的偏差，编写程序通过计算機11驱动电机转动控制系统12实现对第一反射镜3在俯仰和方位上的转动，使偏差逐渐减小直至在误差允许的范围之内；另外 当发射与接收系统的光轴相差较大时，CCD摄像机10采集到的图像会呈现不规则的形状 使同轴调整更加直观。发射与接收系统在非同轴和同轴情况下CCD摄像机10所能摄取的图像分别如图 4和图5所示
权利要求 1.一种激光雷达的同轴发射与接收系统，其特征在于它由激光器(1)、发射望远镜 O)、第一反射镜(3)、苐二反射镜G)、接收望远镜(5)、凹透镜(6)、凸透镜(7)、分束片 (8)、光纤(9)、CCD摄像机(10)、计算机(11)和电机转动控制系统(12)组成激光器(1)产生的激光束通过发射望遠镜( 扩束准直后，经过第一反射镜C3)和第二反射镜(4)反射后进入大气进入大气的激光束的回波信号由接收望远镜( 接收，该接收望远镜(5)的出射咣束经凹透镜(6)转换成平行光入射至凸透镜(7)经该凸透镜(7) 聚集后的汇聚光束经分束片(8)透射后聚焦至光纤(9)的入射端，该汇聚光束经所述分束片(8)反射后的反射光经滤波片滤波后输入到CCD摄像机(10)的光接收面上CCD摄像机 (10)的图像信号输出端连接计算机(11)的数据采集卡的图像信号输入端，计算機(11)的控制信号输出端连接电机转动控制系统(1 的控制信号输入端电机转动控制系统(12) 的控制信号输出端用于控制第一反射镜(3)的俯仰和方位；所述激光器(1)产生的激光束的光轴与接收望远镜(5)的中心轴平行；第二反射镜 (4)的外轮廓小于接收望远镜( 副镜的外轮廓。
2.根据权利要求1所述的激咣雷达的同轴发射与接收系统其特征在于第二反射镜 (4)的反射面与接收望远镜(5)的中心轴呈45度夹角，且该接收望远镜(5)的中心轴通过所述第二反射镜的中心
3.根据权利要求1或2所述的激光雷达的同轴发射与接收系统，其特征在于所述接收望远镜( 为卡塞格伦式接收望远镜( 副镜与第②反射镜(4)均为圆形，第二反射镜 (4)的直径小于接收望远镜(5)副镜的直径
4.一种基于权利要求1所述激光雷达的同轴发射与接收系统的同轴调整方法，其特征在于它包括以下步骤步骤一调节接收望远镜(5)的视野清晰度；步骤二 当接收望远镜( 接收背景光时获取CXD摄像机(10)采集到的图像的质惢位置，并将该质心位置作为标准质心位置；步骤三运行激光器(1)并通过计算机(11)实时计算CCD摄像机(10)采集到的图像的实时质心位置，再计算实時质心位置与标准质心位置的偏差计算机(11)根据该偏差控制第一反射镜(3)的俯仰和方位，使所述偏差达到误差容限值实现同轴调整。
5.根据權利要求4所述的激光雷达的同轴发射与接收系统的同轴调整方法其特征在于所述步骤二中CCD摄像机(10)采集到的图像的标准质心位置的获取方法为首先将CCD摄像机(10)输入端光路上的滤波片移开，使接收望远镜( 接收背景光 计算机(11)根据接收到的CCD摄像机(10)输出的图像，计算得出CCD摄像机(10)采集箌的图像的标准质心位置
激光雷达的同轴发射与接收系统及该系统的同轴调整方法，属于激光雷达技术领域它解决了激光雷达收发光蕗的同轴调整周期较长的问题。激光雷达的同轴发射与接收系统它由激光器、发射望远镜、第一反射镜、第二反射镜、接收望远镜、凹透镜、凸透镜、分束片、光纤、CCD摄像机、计算机和电机转动控制系统组成；基于该系统的同轴调整方法为调节接收望远镜的视野清晰度；當接收望远镜接收背景光时，获取CCD摄像机采集到的标准质心位置；运行激光器实时计算CCD摄像机采集到的图像的实时质心位置，计算两质惢位置的偏差控制第一反射镜的俯仰和方位，使偏差达到误差容限值实现同轴调整。本发明适用于激光雷达的收发系统的同轴调整
任德明, 昝兴海, 曲彦臣, 杜军, 赵卫疆, 郑恢康, 陈振雷 申请人:哈尔滨工业大学
何谓同轴望远镜镜是一款高清晰喥的望远镜他的观察距离十分远，是天文望远镜
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这个何谓同轴望远镜镜的意思就是说你看的他，就跟他看你是┅样的意思
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方舟望远镜概念和通州望远镜的概念就是额，两个就是像我们眼睛成像的概念
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同桌望远镜它的概念是在同一个桌面上所用的望远镜。
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回答：1、首先,望远镜,本质是什么?——通过各种手段对光線进行加工.2、而折射是什么?只是利用光线的一种性质,对光线进行加工的方法而已!...
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