【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，屬于雷達。
技術介紹
1、激光雷達是以發射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統，近年來其在基礎測繪、無人駕駛、數字城市等領域中發揮越來越重要的作用。激光雷達通過tof(飛行時間)等測距方法獲取目標相對于激光雷達的距離和方位，實現對目標的三維坐標測量，再利用imu(慣性測量單元)和gnss(全球導航衛星系統)通過信息融合與坐標轉換獲取掃描目標的地理坐標。
2、機械掃描激光雷達通過掃描機構的旋轉或擺動來改變發射光束的掃描角度，實現激光雷達所設計的探測視場。由于受到激光雷達系統內部組件的設計參數和安裝關系等空間約束，激光雷達的最大探測視場角可能會小于激光雷達掃描電機的掃描角，所以在設計激光雷達時需要基于發射激光光斑的完整性，考慮激光雷達系統內部組件的設計參數和安裝關系對于最大探測視場角的約束。
3、另一方面，接收光學系統的視場角也限制了激光雷達的最大探測距離和掃描電機的轉速。探測目標越遠，掃描機構轉速越快，激光回波方向向量和激光發射方向向量之間的夾角(取銳角)就越大，若超出接收光學系統的視場角則接收光束無法被光敏面探測到，所以激光雷達的設計也需要考慮接收光學系統視場角的限制。
技術實現思路
1、本專利技術解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，解決了機械掃描激光雷達的結構設計與探測目標范圍不相匹配的問題，對于簡化激光雷達的設計流
2、本專利技術的技術解決方案是：一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，包括：
3、建立激光雷達本體坐標系；
4、結合所述激光雷達本體坐標系，確定激光雷達內方位元素及其設計參數；
5、建立激光雷達系統中激光從發射到接收的傳輸鏈路模型；
6、遍歷各掃描角度，根據激光雷達內方位元素計算發射光束光軸和掃描鏡面邊沿的最短距離；
7、根據所述發射光束光軸和掃描鏡面邊沿的最短距離確定發射光束被掃描鏡面完整反射時的掃描角度范圍；
8、在所述掃描角度范圍內，計算發射光束光軸與掃描鏡面的交點坐標和反射光束的方向向量；
9、計算所述反射光束的光軸和激光雷達光學窗口玻璃邊沿的最短距離；
10、根據反射光束的光軸和激光雷達光學窗口玻璃邊沿的最短距離確定激光從激光雷達光學窗口玻璃完整出射時的最大探測視場角；
11、在所述最大探測視場角內，遍歷各探測距離和掃描電機轉速，計算激光回波到達掃描鏡面時掃描鏡面的法向量；
12、根據激光雷達內方位元素及其設計參數計算激光回波方向向量與激光發射方向向量之間的夾角；
13、根據所述夾角與所述設計參數的關系得到不同掃描電機轉速對應的最大探測距離模型。
14、進一步地，所述激光雷達內方位元素還包括激光發射原點坐標、激光發射方向向量、發射激光光束半徑、掃描軸中心點坐標、掃描軸方向向量、掃描鏡面初始法方向向量、掃描鏡面邊沿初始方向向量、光學窗口玻璃內表面法向量、坐標原點到光學窗口玻璃內表面的距離、光學窗口玻璃內表面邊沿的方向向量、接收平面的法向量、接收光學系統視場角；根據所述夾角與接收光學系統視場角的關系得到不同掃描電機轉速對應的最大探測距離模型。
15、進一步地，所述接收平面為與接收光學系統光軸垂直的虛擬或實際平面，接收平面的法向量與激光發射方向向量一致。
16、進一步地，若掃描鏡面存在多條邊沿可能裁切發射光束，則計算發射光束光軸和掃描鏡面所有邊沿的最短距離作為共同約束。
17、進一步地，所述確定發射光束被掃描鏡面完整反射時的掃描角度范圍要求保持發射光束光斑的完整性即要求在高斯半徑內所有激光光斑都會被掃描鏡面完全反射；若發射光束光軸和掃描鏡面邊沿的最短距離等于激光光束半徑且發射光束處于掃描鏡面內，則滿足發射光束光斑的完整性要求。
18、進一步地，若激光雷達的光學窗口玻璃存在多條邊沿可能裁切反射光束，則計算反射光束光軸和光學窗口玻璃所有邊沿的最短距離作為共同約束。
19、進一步地，所述確定激光從激光雷達光學窗口玻璃完整出射時的最大探測視場角要求保持從光學窗口玻璃出射激光的光斑完整性即要求在高斯半徑內激光光斑都會完全通過光學窗口玻璃；若反射光束光軸和激光雷達光學窗口玻璃邊沿的最短距離等于激光光束半徑且反射光束處于掃描鏡面內，則滿足從光學窗口玻璃出射激光的光斑完整性要求。
20、進一步地，所述最大探測視場角為反射光束光軸與光學窗口玻璃邊沿相切時，其方向向量投影在某一特定平面內形成的夾角，該平面由激光雷達的實際結構確定。
21、進一步地，所述光學窗口玻璃的內外表面相互平行。
22、一種計算機程序產品，包括計算機程序/指令，該計算機程序/指令被處理器執行時實現所述機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法的步驟。
23、本專利技術與現有技術相比的優點在于：
24、(1)本專利技術基于機械掃描激光雷達設計模型參數建立激光光束傳輸鏈路模型和幾何約束關系，可方便快速地獲取機械掃描激光雷達的最大探測視場角和探測距離；
25、(2)本專利技術給出機械掃描激光雷達最大探測距離和掃描電機轉速之間的關系，簡化了機械掃描激光雷達的設計和優化過程；
26、(3)本專利技術解決了機械掃描激光雷達的結構設計與探測目標范圍不相匹配的問題，提高了設計效率和可靠性。
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1.一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，所述激光雷達內方位元素還包括激光發射原點坐標、激光發射方向向量、發射激光光束半徑、掃描軸中心點坐標、掃描軸方向向量、掃描鏡面初始法方向向量、掃描鏡面邊沿初始方向向量、光學窗口玻璃內表面法向量、坐標原點到光學窗口玻璃內表面的距離、光學窗口玻璃內表面邊沿的方向向量、接收平面的法向量、接收光學系統視場角；根據所述夾角與接收光學系統視場角的關系得到不同掃描電機轉速對應的最大探測距離模型。
3.根據權利要求2所述的一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，所述接收平面為與接收光學系統光軸垂直的虛擬或實際平面，接收平面的法向量與激光發射方向向量一致。
4.根據權利要求1所述的一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，若掃描鏡面存在多條邊沿可能裁切發射光束，則計算發射光束光軸和掃描鏡面所有邊沿的最短距離作為共同約束。
5.根據
6.根據權利要求1所述的一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，若激光雷達的光學窗口玻璃存在多條邊沿可能裁切反射光束，則計算反射光束光軸和光學窗口玻璃所有邊沿的最短距離作為共同約束。
7.根據權利要求1所述的一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，所述確定激光從激光雷達光學窗口玻璃完整出射時的最大探測視場角要求保持從光學窗口玻璃出射激光的光斑完整性即要求在高斯半徑內激光光斑都會完全通過光學窗口玻璃；若反射光束光軸和激光雷達光學窗口玻璃邊沿的最短距離等于激光光束半徑且反射光束處于掃描鏡面內，則滿足從光學窗口玻璃出射激光的光斑完整性要求。
8.根據權利要求1所述的一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，所述最大探測視場角為反射光束光軸與光學窗口玻璃邊沿相切時，其方向向量投影在某一特定平面內形成的夾角，該平面由激光雷達的實際結構確定。
9.根據權利要求1所述的一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，所述光學窗口玻璃的內外表面相互平行。
10.一種計算機程序產品，包括計算機程序/指令，其特征在于，該計算機程序/指令被處理器執行時實現權利要求1～9任一所述方法的步驟。
...【技術特征摘要】
1.一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，所述激光雷達內方位元素還包括激光發射原點坐標、激光發射方向向量、發射激光光束半徑、掃描軸中心點坐標、掃描軸方向向量、掃描鏡面初始法方向向量、掃描鏡面邊沿初始方向向量、光學窗口玻璃內表面法向量、坐標原點到光學窗口玻璃內表面的距離、光學窗口玻璃內表面邊沿的方向向量、接收平面的法向量、接收光學系統視場角；根據所述夾角與接收光學系統視場角的關系得到不同掃描電機轉速對應的最大探測距離模型。
3.根據權利要求2所述的一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，所述接收平面為與接收光學系統光軸垂直的虛擬或實際平面，接收平面的法向量與激光發射方向向量一致。
4.根據權利要求1所述的一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，若掃描鏡面存在多條邊沿可能裁切發射光束，則計算發射光束光軸和掃描鏡面所有邊沿的最短距離作為共同約束。
5.根據權利要求1所述的一種機械掃描激光雷達最大探測視場角和探測距離的確定方法，其特征在于，所述確定發射光束被掃描鏡面完整反射時的掃描角度范圍要求保持發射光束光斑的完整性即要求在高斯半徑內所有激光光斑都會被掃描鏡面完全反射；若發射光束光軸和掃描鏡面...
【專利技術屬性】
技術研發人員：林栩凌，彭博，吳金貴，吳鎧嵐，范宸瑞，
申請(專利權)人：北京空間機電研究所，
類型：發明
國別省市：
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