机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法与流程

本发明涉及一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，属于雷达。

背景技术：

1、激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，近年来其在基础测绘、无人驾驶、数字城市等领域中发挥越来越重要的作用。激光雷达通过tof(飞行时间)等测距方法获取目标相对于激光雷达的距离和方位，实现对目标的三维坐标测量，再利用imu(惯性测量单元)和gnss(全球导航卫星系统)通过信息融合与坐标转换获取扫描目标的地理坐标。

2、机械扫描激光雷达通过扫描机构的旋转或摆动来改变发射光束的扫描角度，实现激光雷达所设计的探测视场。由于受到激光雷达系统内部组件的设计参数和安装关系等空间约束，激光雷达的最大探测视场角可能会小于激光雷达扫描电机的扫描角，所以在设计激光雷达时需要基于发射激光光斑的完整性，考虑激光雷达系统内部组件的设计参数和安装关系对于最大探测视场角的约束。

3、另一方面，接收光学系统的视场角也限制了激光雷达的最大探测距离和扫描电机的转速。探测目标越远，扫描机构转速越快，激光回波方向向量和激光发射方向向量之间的夹角(取锐角)就越大，若超出接收光学系统的视场角则接收光束无法被光敏面探测到，所以激光雷达的设计也需要考虑接收光学系统视场角的限制。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，解决了机械扫描激光雷达的结构设计与探测目标范围不相匹配的问题，对于简化激光雷达的设计流程，提高激光雷达的设计可靠性具有重要意义。

2、本发明的技术解决方案是：一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，包括：

3、建立激光雷达本体坐标系；

4、结合所述激光雷达本体坐标系，确定激光雷达内方位元素及其设计参数；

5、建立激光雷达系统中激光从发射到接收的传输链路模型；

6、遍历各扫描角度，根据激光雷达内方位元素计算发射光束光轴和扫描镜面边沿的最短距离；

7、根据所述发射光束光轴和扫描镜面边沿的最短距离确定发射光束被扫描镜面完整反射时的扫描角度范围；

8、在所述扫描角度范围内，计算发射光束光轴与扫描镜面的交点坐标和反射光束的方向向量；

9、计算所述反射光束的光轴和激光雷达光学窗口玻璃边沿的最短距离；

10、根据反射光束的光轴和激光雷达光学窗口玻璃边沿的最短距离确定激光从激光雷达光学窗口玻璃完整出射时的最大探测视场角；

11、在所述最大探测视场角内，遍历各探测距离和扫描电机转速，计算激光回波到达扫描镜面时扫描镜面的法向量；

12、根据激光雷达内方位元素及其设计参数计算激光回波方向向量与激光发射方向向量之间的夹角；

13、根据所述夹角与所述设计参数的关系得到不同扫描电机转速对应的最大探测距离模型。

14、进一步地，所述激光雷达内方位元素还包括激光发射原点坐标、激光发射方向向量、发射激光光束半径、扫描轴中心点坐标、扫描轴方向向量、扫描镜面初始法方向向量、扫描镜面边沿初始方向向量、光学窗口玻璃内表面法向量、坐标原点到光学窗口玻璃内表面的距离、光学窗口玻璃内表面边沿的方向向量、接收平面的法向量、接收光学系统视场角；根据所述夹角与接收光学系统视场角的关系得到不同扫描电机转速对应的最大探测距离模型。

15、进一步地，所述接收平面为与接收光学系统光轴垂直的虚拟或实际平面，接收平面的法向量与激光发射方向向量一致。

16、进一步地，若扫描镜面存在多条边沿可能裁切发射光束，则计算发射光束光轴和扫描镜面所有边沿的最短距离作为共同约束。

17、进一步地，所述确定发射光束被扫描镜面完整反射时的扫描角度范围要求保持发射光束光斑的完整性即要求在高斯半径内所有激光光斑都会被扫描镜面完全反射；若发射光束光轴和扫描镜面边沿的最短距离等于激光光束半径且发射光束处于扫描镜面内，则满足发射光束光斑的完整性要求。

18、进一步地，若激光雷达的光学窗口玻璃存在多条边沿可能裁切反射光束，则计算反射光束光轴和光学窗口玻璃所有边沿的最短距离作为共同约束。

19、进一步地，所述确定激光从激光雷达光学窗口玻璃完整出射时的最大探测视场角要求保持从光学窗口玻璃出射激光的光斑完整性即要求在高斯半径内激光光斑都会完全通过光学窗口玻璃；若反射光束光轴和激光雷达光学窗口玻璃边沿的最短距离等于激光光束半径且反射光束处于扫描镜面内，则满足从光学窗口玻璃出射激光的光斑完整性要求。

20、进一步地，所述最大探测视场角为反射光束光轴与光学窗口玻璃边沿相切时，其方向向量投影在某一特定平面内形成的夹角，该平面由激光雷达的实际结构确定。

21、进一步地，所述光学窗口玻璃的内外表面相互平行。

22、一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现所述机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法的步骤。

23、本发明与现有技术相比的优点在于：

24、(1)本发明基于机械扫描激光雷达设计模型参数建立激光光束传输链路模型和几何约束关系，可方便快速地获取机械扫描激光雷达的最大探测视场角和探测距离；

25、(2)本发明给出机械扫描激光雷达最大探测距离和扫描电机转速之间的关系，简化了机械扫描激光雷达的设计和优化过程；

26、(3)本发明解决了机械扫描激光雷达的结构设计与探测目标范围不相匹配的问题，提高了设计效率和可靠性。

技术特征：

1.一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，其特征在于，所述激光雷达内方位元素还包括激光发射原点坐标、激光发射方向向量、发射激光光束半径、扫描轴中心点坐标、扫描轴方向向量、扫描镜面初始法方向向量、扫描镜面边沿初始方向向量、光学窗口玻璃内表面法向量、坐标原点到光学窗口玻璃内表面的距离、光学窗口玻璃内表面边沿的方向向量、接收平面的法向量、接收光学系统视场角；根据所述夹角与接收光学系统视场角的关系得到不同扫描电机转速对应的最大探测距离模型。

3.根据权利要求2所述的一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，其特征在于，所述接收平面为与接收光学系统光轴垂直的虚拟或实际平面，接收平面的法向量与激光发射方向向量一致。

4.根据权利要求1所述的一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，其特征在于，若扫描镜面存在多条边沿可能裁切发射光束，则计算发射光束光轴和扫描镜面所有边沿的最短距离作为共同约束。

5.根据权利要求1所述的一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，其特征在于，所述确定发射光束被扫描镜面完整反射时的扫描角度范围要求保持发射光束光斑的完整性即要求在高斯半径内所有激光光斑都会被扫描镜面完全反射；若发射光束光轴和扫描镜面边沿的最短距离等于激光光束半径且发射光束处于扫描镜面内，则满足发射光束光斑的完整性要求。

6.根据权利要求1所述的一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，其特征在于，若激光雷达的光学窗口玻璃存在多条边沿可能裁切反射光束，则计算反射光束光轴和光学窗口玻璃所有边沿的最短距离作为共同约束。

7.根据权利要求1所述的一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，其特征在于，所述确定激光从激光雷达光学窗口玻璃完整出射时的最大探测视场角要求保持从光学窗口玻璃出射激光的光斑完整性即要求在高斯半径内激光光斑都会完全通过光学窗口玻璃；若反射光束光轴和激光雷达光学窗口玻璃边沿的最短距离等于激光光束半径且反射光束处于扫描镜面内，则满足从光学窗口玻璃出射激光的光斑完整性要求。

8.根据权利要求1所述的一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，其特征在于，所述最大探测视场角为反射光束光轴与光学窗口玻璃边沿相切时，其方向向量投影在某一特定平面内形成的夹角，该平面由激光雷达的实际结构确定。

9.根据权利要求1所述的一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，其特征在于，所述光学窗口玻璃的内外表面相互平行。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1～9任一所述方法的步骤。

技术总结一种机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，属于雷达技术领域，包括：确定必需内方位元素及其设计参数，建立机械扫描激光雷达激光光束传输链路模型；计算发射光束光轴和扫描镜面边沿、光学窗口玻璃边沿的最短距离，确定以发射激光光斑完整性和接收视场角约束的激光出射与回波边界模型；建立设计几何参数约束的激光雷达探测视场模型和扫描电机转速约束的探测距离模型。本发明的机械扫描激光雷达最大探测视场角和探测距离的确定方法，基于激光雷达设计模型参数建立激光光束传输链路模型和几何约束关系，从而确定激光雷达可以达到的最大探测视场角和探测距离，解决了机械扫描激光雷达的结构设计与探测目标范围不相匹配的问题。技术研发人员：林栩凌,彭博,吴金贵,吴铠岚,范宸瑞受保护的技术使用者：北京空间机电研究所技术研发日：技术公布日：2025/1/6