[发明专利]一种激光雷达扫描振镜三维角度测量装置和方法

说明书

本发明公开了一种激光雷达扫描振镜三维角度测量装置和方法，属于角度测量领域。该装置包括激光器、准直透镜、分光棱镜、扫描振镜、聚焦透镜和激光光斑探测器；扫描振镜为特制的具有特殊结构的振镜，其前表面为镀膜反射镜，后表面镀有反射式衍射光栅；准直后的激光光束照射到扫描振镜后表面的反射式衍射光栅上，零级衍射光束和正一级衍射光束以不同的角度反射并透射过分光棱镜和聚焦透镜，平行的照射到两个激光光斑探测器上，计算两个激光光斑探测器上的零级衍射光斑和正一级衍射光斑的位移，即可得到扫描振镜在三个维度上的偏转角度。

技术领域

本发明涉及角度测量领域，具体涉及一种激光雷达扫描振镜三维角度测量装置和方法。

背景技术

激光雷达是一种集探测目标、远程测距、面阵成像等功能于一体的激光传感系统，其具有比较高的距离和角度测量分辨率，比较大的测量范围和工作距离，以及优异的抗干扰能力。近年来，激光雷达的应用场景逐渐从军事用途转向民用领域，在资源勘探，交通通讯，环境检测等方面发挥越来越重要的作用。激光雷达系统主要由激光发射系统、振镜扫描系统、激光接收系统和信号处理系统组成，其中振镜扫描系统是激光雷达系统的重要组成部分，其决定了激光雷达的探测范围和角位置测量精度。

传统的振镜扫描系统包括反射镜和扫描振镜，扫描振镜由扫描电机和伺服电路组成。扫描电机内部集成了电容式角位置传感器，控制程序会根据待扫描物体的空间位置，发送指令给伺服电路，控制和驱动扫描电机将发射井旋转到相应的角位置。如上所述，振镜扫描系统的角位置精度决定了激光雷达的角度测量分辨率，因此在激光雷达工作过程中精确测量扫描振镜的角位置是十分必要的。

一般的激光雷达是利用扫描电机内部集成的电容式角位置传感器，然而这种传感器只是测量扫描电机转轴的角位置，并不是直接测量反射镜的偏转角度，因此反射镜和扫描电机的安装误差以及转动过程中的迟滞现象都会导致偏振转角测量误差，另外扫描电机内部集成的电容式角位置传感器是一种接触式角度测量方式，会给测量系统带来额外的负载，影响测量精度。

发明内容

为了克服现有技术中由于激光雷达采用电容式角位移传感器等接触式测量方法，导致激光雷达的测量精度有限的问题，本发明提供了一种激光雷达扫描振镜三维角度测量装置和方法，采用特制的扫描振镜，其前表面为镀膜反射镜，用于对激光雷达的测量激光实现有效的偏转，其后表面为反射式衍射光栅。准直后的激光光束照射到扫描振镜后表面的反射式衍射光栅上，零级衍射光束和正一级衍射光束以不同的角度反射并透射光分光棱镜和聚焦透镜，平行的照射到两个激光光斑探测器上，计算两个激光光斑探测器上的零级衍射光斑和正一级衍射光斑的位移，即可得到扫描振镜在三个维度上的偏转角度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种激光雷达扫描振镜三维角度测量装置，所述测量装置集成安装在激光雷达内部，测量装置包括：激光器、准直透镜、分光棱镜、聚焦透镜、衍射光栅和激光光斑探测元件；

所述的衍射光栅位于激光雷达的扫描振镜的后表面上，从激光器发射的激光经准直透镜后入射至分光棱镜，通过分光棱镜反射至扫描振镜后表面的衍射光栅上，形成零级衍射光束和正一级衍射光束；所述的零级衍射光束和正一级衍射光束分别穿过分光棱镜，经聚焦透镜聚焦后入射至激光光斑探测元件上，由激光光斑探测元件接收到零级衍射光斑和正一级衍射光斑。

根据反射式衍射光栅的性质：当一束平行光照射到反射式衍射光栅时，由于光栅每个缝和各缝间的干涉，会形成明暗相间的条纹图样。反射式衍射光栅的衍射角θ，波长λ，光栅常数d遵循如下公式：d*sin(θ)＝k*λ，其中k＝0，±1，±2，…。当一束准直激光照射到扫描振镜的后表面时，不同级数的衍射光斑会以不同衍射角反射，利用聚焦透镜将零级衍射光斑(即k＝0)和正一级衍射光斑(即k＝+1)分别引导至两个PSD上。通过测量两个PSD上零级衍射光斑和正一级衍射光斑的相对于初始位置的位移，即可计算得到扫描振镜的角位置信息。

与现有的技术方案相比，本发明的有益效果：