激光雷达系统仿真方法与流程

本发明属于激光雷达光学仿真技术领域，特别是一种激光雷达系统仿真方法。

背景技术：

大气激光雷达是当今大气和气象观测的一个重要工具，它可以直接获取竖直分布的高时空分布的气象参数，大气激光雷达在气象部门的应用也已经开始起步，但目前还存在着一些问题。一、目前国内激光雷达的生产厂家和型号繁多，设计各不相同，缺少规范性及评判的统一标准；二、激光雷达是一种较为复杂的仪器，内部含有大量精密的光电器件，在设计调试以及运行维护过程中需要具有专业背景知识的人员；三、如何激光雷达测量数据准确性的判断也是个难题，一般采用对比试验的方法，但这样会增加实验成本和复杂性，而且也会有较大的主观因素影响。因此从激光雷达系统参数设计和调试规范、降低运维成本、数据质量控制等需求角度出发，亟待建立一套集激光雷达系统参数定标、关键模块仿真、故障模拟、关键模块测试等功能的平台环境为激光雷达系统提供更有效技术支持。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种激光雷达系统仿真方法，为激光雷达系统调试和日常维护提供理论依据和解决方案，同时也可针对激光雷达设计进行参数优化，并规范激光雷达业务系统参数指标，实现不同激光雷达系统的测试、标定及调校。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种激光雷达系统仿真方法包括以下步骤：

第一步骤中，通过高斯光束和/或平顶光束通过zemax中的序列模式和非序列模式得到激光雷达系统光学参数，

第二步骤中，基于所述激光雷达系统光学参数进行光线追迹以分别得到发射系统和接收系统的光学特性，基于各自光学特性建构发射系统仿真模块和接收系统仿真模块，所述发射系统仿真模块包括激光器仿真模块、扩束器仿真模块和反射镜组仿真模块，所述接收系统仿真模块包括望远镜接收仿真模块、偏振特性仿真模块和光纤耦合仿真模块；

第三步骤中，修改各仿真模块的倾斜量，偏心量和仿真模块间距参数，重新进行光线追迹以得到失调后的光学系统特性，基于失调后的光学系统特性得到各仿真模块允许的最大误差。

所述的方法中，第一步骤中，激光雷达系统光学参数包括光学效率、退偏比和/或耦合效率。

所述的方法中，第一步骤中，高斯光束和/或平顶光束的初始输入参数为激光波长、激光光斑直径、激光发散角、扩束倍率、透镜透过率、反射镜反射率，温度和/或压强。

所述的方法中，第二步骤中，光学特性包括点列图、光学效率和发散角。

所述的方法中，第二步骤中，基于各自光学特性运用界面设计和光学设计建构发射系统仿真模块和接收系统仿真模块。

所述的方法中，第二步骤中，望远镜接收仿真模块包括牛顿接收望远镜仿真模块和卡式接收望远镜仿真模块，牛顿接收望远镜仿真模块和卡式接收望远镜仿真模块均分别包括主镜和次镜。

所述的方法中，第二步骤中，用于输送聚焦的接收望远镜所接受的光的光纤耦合仿真模块包括耦合镜，光阑和探测器，初始参数包括耦合镜的口径，焦距和增透膜，光阑的口径和倾角，光纤的数值孔径，纤经和材料，选择部分初始参数作为变量仿真得到各参数下的耦合效率。

所述的方法中，第二步骤中，偏振特性仿真模块包括偏振片，偏振片分为偏振分光片、1/2波片和1/4波片，通过光线追迹仿真得到偏振传输效率。

所述的方法中，第二步骤中，所述发射系统仿真模块中，激光器及其准直扩束部分作为光源，经准直扩束，利用牛顿接收望远镜或卡式接收望远镜接收后向散射信号，通过光纤传递光学信号，通过探测器探测光学信号的能量得到系统光学参数，基于系统光学参数优化扩束器主镜前表面半径、扩束器主镜后表面半径、扩束器次镜前表面半径、扩束器次镜后表面半径、牛顿接收望远镜主镜半径、牛顿接收望远镜次镜半径、卡式接收望远镜主镜和/或卡式接收望远镜次镜。

所述的方法中，第三步骤中，最大误差包括相邻模块的安装误差。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明能够对不同类型和不同部件的激光雷达进行高精度仿真，测试结果客观准确且成本低，为激光雷达系统调试和日常维护提供理论依据和解决方案，同时也可针对激光雷达设计进行参数优化，并规范激光雷达业务系统参数指标，实现不同激光雷达系统的测试、标定及调校。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的激光雷达系统仿真方法的步骤示意图；

图2是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的激光雷达光机系统的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的激光雷达系统仿真模块示意图；

图4是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的发射和接收系统原理总体流程图；

图5是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的发射系统流程图；

图6是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的发射系统主要元件参数图；

图7是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的接收望远镜仿真流程图；

图8是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的光纤耦合仿真流程图；

图9是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的偏振特性仿真流程图；

图10是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的发射系统仿真调整图；

图11是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的发射系统失调分析图；

图12是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的牛顿接收望远镜仿真调整图；

图13是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的牛顿望远镜失调仿真分析图；

图14是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的卡式接收望远镜仿真调整图；

图15是根据本发明一个实施例的实施激光雷达系统仿真方法的卡式接收望远镜失调分析图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图15更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的铁路机车轴承及齿轮故障诊断方法的步骤示意图，如图1所示，一种激光雷达系统仿真方法包括以下步骤：

第一步骤s1中，通过高斯光束和/或平顶光束通过zemax中的序列模式和非序列模式得到激光雷达系统光学参数，

第二步骤s2中，基于所述激光雷达系统光学参数进行光线追迹以分别得到发射系统和接收系统的光学特性，基于各自光学特性建构发射系统仿真模块和接收系统仿真模块，所述发射系统仿真模块包括激光器仿真模块、扩束器仿真模块和反射镜组仿真模块，所述接收系统仿真模块包括望远镜接收仿真模块、偏振特性仿真模块和光纤耦合仿真模块；

第三步骤s3中，修改各仿真模块的倾斜量，偏心量和仿真模块间距参数，重新进行光线追迹以得到失调后的光学系统特性，基于失调后的光学系统特性得到各仿真模块允许的最大误差。

在一个实施方式中，第一步骤s1中，激光雷达系统光学参数包括光学效率、退偏比和/或耦合效率。

在一个实施方式中，第一步骤s1中，高斯光束和/或平顶光束的初始输入参数为激光波长、激光光斑直径、激光发散角、扩束倍率、透镜透过率、反射镜反射率，温度和/或压强。

在一个实施方式中，第二步骤s2中，光学特性包括点列图、光学效率和发散角。

在一个实施方式中，第二步骤s2中，基于各自光学特性运用界面设计和光学设计建构发射系统仿真模块和接收系统仿真模块。

在一个实施方式中，第二步骤s2中，望远镜接收仿真模块包括牛顿接收望远镜仿真模块和卡式接收望远镜仿真模块，牛顿接收望远镜仿真模块和卡式接收望远镜仿真模块均分别包括主镜和次镜。

在一个实施方式中，第二步骤s2中，用于输送聚焦的接收望远镜所接受的光的光纤耦合仿真模块包括耦合镜，光阑和探测器，初始参数包括耦合镜的口径，焦距和增透膜，光阑的口径和倾角，光纤的数值孔径，纤经和材料，选择部分初始参数作为变量仿真得到各参数下的耦合效率。

在一个实施方式中，第二步骤s2中，偏振特性仿真模块包括偏振片，偏振片分为偏振分光片、1/2波片和1/4波片，通过光线追迹仿真得到偏振传输效率。

在一个实施方式中，第二步骤s2中，所述发射系统仿真模块中，激光器及其准直扩束部分作为光源，经准直扩束，利用牛顿接收望远镜或卡式接收望远镜接收后向散射信号，通过光纤传递光学信号，通过探测器探测光学信号的能量得到系统光学参数，基于系统光学参数优化扩束器主镜前表面半径、扩束器主镜后表面半径、扩束器次镜前表面半径、扩束器次镜后表面半径、牛顿接收望远镜主镜半径、牛顿接收望远镜次镜半径、卡式接收望远镜主镜和/或卡式接收望远镜次镜。

在一个实施方式中，第三步骤s3中，最大误差包括相邻模块的安装误差。为了进一步理解本发明，在一个实施方式中，如图2所示，大气激光雷达系统的基本原理为激光器发出的激光经过发射系统中的准直镜和扩束镜得到准直光束射入大气，也可以不经过准直和扩束直接射入大气，经过大气散射，接收望远镜会接收到后向散射信号，经过光纤或者自由空间传递光信号。经过计算机处理光信号就会得到大气信息。

如图3所示，大气激光雷达系统仿真分为四个模块，分别为发射系统仿真、接收系统仿真、机械结构仿真和环境特性仿真。其中接收系统仿真分为望远镜接收仿真、偏振特性仿真和光纤耦合仿真。

如图4所示，大气激光雷达光机系统仿真首先利用光学设计软件根据雷达系统初始参数建立发射系统和接收系统的模型序列模型和非序列模型，加入机械结构、环境参量和偏振元件，从激光的出射开始仿真，选择激光能量分布类型高斯光束/平顶光束，经过发射系统和接收系统的传输，得到激光雷达系统光学参数，例如光学效率、退偏比、耦合效率等等。还可修改各元件偏心和倾斜参数，仿真得到失调后的激光雷达系统光学参数，这样就可以更方便快捷的得到激光雷达在各种情况下的光学特性。

接下来将对各系统模块进行详细说明，如图5-6所示，首先是发射系统模块，发射系统模块包括激光器、扩束器、反射镜组等结构，我们先用光学设计软件对发射系统构建模型，同时加入机械结构、环境参量和探测器，使仿真结果更真实准确。我们初始输入参数为激光波长，激光光斑直径，激光发散角，扩束倍率，透镜透过率，反射镜反射率，温度和压强。参数的调用过程为，首先我们把构建的模型用编程语言编写成相对应的文件，并把元件参数设置为变量，编写优化函数，再创建一个界面，也用编程语言进行编译成对应界面文件与模型文件通讯，再由模型文件与光学设计软件通讯，这样就可以很方便修改发射系统的各元件参数，也可以为非光学人员提供很方便的服务，我们通过编译文件把参数传递给光学设计软件，然后通过光学设计软件帮助我们优化系统，利用光线追迹的方法得到发射系统的光学特性，点列图，光学效率和发散角。我们可以修改各元件参数后，进行失调分析，模拟元件生产及装调误差对系统造成的影响，因为光学仪器是很精密的仪器，很小的误差都会带来很严重的影响，所以如果用该发明的仿真方法，可以为激光雷达的设计、安装与维修提供很方便的服务。

然后对接收系统模块进行说明，接收系统模块又分为望远镜接收仿真模块、偏振特性仿真模块和光纤耦合仿真模块。如图7所示，先对接收望远镜仿真模块说明，接收望远镜分为牛顿接收望远镜和卡式接收望远镜，都是由主镜和次镜组成，因此先对两种望远镜建立模型序列模型和非序列模型，并加入机械结构、环境参量，偏振器件和探测器，我们的初始参数为激光类型，望远镜口径，接收视场角，焦距，波长，温度和压强，和发射系统仿真一样，首先我们把构建的模型用编程语言编写成相对应的文件，并把元件参数设置为变量，编写优化函数，再创建一个界面，也用编程语言进行编译成对应界面文件与模型文件通讯，再由模型文件与光学设计软件通讯，这样就实现了对激光雷达接收望远镜系统的可优化仿真，通过光学设计软件光线追迹可以得到激光雷达接收望远镜系统的光学特性点列图，弥散斑直径，光学效率。同样，我们可以修改各元件参数进行失调仿真，模拟元件生产及装调误差对系统造成的影响。

继续对光纤耦合仿真进行说明，如图8所示，通过接收望远镜接受的光经过聚焦，利用光纤进行光的传输，因此需要加入耦合镜，光阑和探测器，首先对耦合镜，光阑，机械结构进行建模，初始参数为耦合镜的口径，焦距和增透膜，光阑的口径和倾角，光纤的数值孔径，纤经和材料，通过编程语言对模型编辑成文件，同时把光阑的尺寸和倾角设置成变量，耦合镜的口径、焦距和增透膜设置成变量，光纤的数值孔径，纤经和材料设置成变量，同样构建一个界面，用编程语言编辑成相应文件与模型文件通讯，然后模型文件与光学设计软件进行通讯，仿真得到耦合效率，也可以修改以上变量，得到各参数下的耦合效率，选择合理的参数进行激光雷达的搭建。

最后对偏振特性进行说明，如图9所示，光信号经过各偏振元件的传输，可以得到激光雷达光学系统的偏振特性，主要是对偏振片进行仿真，同时加入光阑、机械结构、环境参量。首先是对以上元件进行建模，偏振片分为偏振分光片、1/2波片和1/4波片。也可加入干涉片和二向色片进行分光，也要对发射系统和接收望远镜系统的光学器件进行设置偏振，通过光学设计软件光线追迹仿真，可以得到偏振传输效率。

经过以上仿真，从激光发射到光纤传输，完成了激光雷达光机系统的仿真，我们该方法可以很快速、精准的完成整个仿真过程，为我国的激光雷达系统提供更有效技术支持。

在一个实施方式中，一种基于光学设计的激光雷达光机系统仿真方法包括，

第一步，建立激光雷达系统各元件模型。

第二步，根据第一步建立的模型，整合各元件，搭建完整的激光雷达光机系统模型。

第三步，输入激光雷达参数，修改第二步搭建的激光雷达光机系统模型。

第四步，借助光学设计软件进行光线追迹，得到激光雷达光机系统光学特性。

第五步，以上四步属于理想的光学系统仿真，实际激光雷达各元件生产和安装过程中会引入误差，所以要进行失调分析，接下来可以修改元件的倾斜，偏心和元件间距参数，重新进行光线追迹，得到失调后的光学系统特性，这样就可以协助设计者进行激光雷达系统的设计，安装及维修。也可以得出各元件在不影响系统接收信号的情况下允许的最大误差。

在一个实施方式中，基于光学设计激光雷达光机系统仿真方法运用编程语言、界面设计软件和光学设计软件完成各种激光雷达光机结构的仿真，并获得各种真实环境和系统失调的影响。

在一个实施方式中，基于光学设计的激光雷达光机系统仿真方法总体上分为三个层次：功能层、组件和平台层及模块层。

1功能层：实现各种激光雷达光学仿真和图形结果显示。该部分主要是依据编程语言、可视化gui界面实现，完成交互式软件界面的设计编写，最终达到引导用户操作整个系统以及直观显示其他子模块的仿真计算结果的目的。

2组件和平台层：主要为前端和后端提供数据传输的组件，同时为功能层提供在编程语言中需要进行计算整合的关联组件。根据不同的需求，比如发射系统、望远镜接收系统等提供仿真子平台，通过编程语言从模块层传入各种预设模块数据，结合平台和组件层的激光雷达系统数据完成运算整合，再为功能层提供需要的数据。

3模块层：模块层为软件系统设计的最底层，主要内容为各种预设的激光雷达系统光学器件模块，包括理想系统、发射和接收系统仿真基础封装模块。

在一个实施方式中，该方法对激光雷达的发射系统，接收系统接收望远镜系统、光纤耦合、偏振仿真，并且加入环境参量温度和压强、机械结构，能够简单、精确得到各种激光雷达光机结构光信号信息，同时还可以仿真各元件发生偏心或倾斜时，激光雷达系统的光信息，可以辅助激光雷达系统的搭建和维修。

在一个实施方式中，该方法利用光学设计仿真，具体包括以下步骤：

步骤1利用光学设计软件对激光雷达中的各个光学部件包括激光器、扩束器、反射镜、牛顿接收望远镜和卡式接收望远镜等设置相应参数例：激光器光束发散角，光束类型等，建立模型，优化系统，通过光线追迹得到各子系统的光学特性光学效率，系统发散角等。

步骤2利用光学设计软件对各子系统进行整合，同时加入耦合镜和光纤，构建完整的激光雷达光学系统模型，通过光线追迹得到激光雷达光学系统的光学特性光学效率，耦合效率等。并分析各光学元件的生产及安装误差对光学特性的影响；

步骤3如果进行偏振特性仿真，在步骤2的基础上加入偏振分光片、1/2波片等偏振器件，并且设置各元件偏振属性，完善激光雷达光学系统模型，得到步骤2的光学特性基础上还可以得到偏振传输效率。

其中，步骤1利用序列模式光学设计软件对激光雷达中的各个光学部件包括激光器、扩束器、反射镜、牛顿接收望远镜和卡式接收望远镜等设置相应参数例：，建立模型。建模并优化其光学特性；

步骤2利用序列模式对整体光学系统建模，并分析各光学元件的生产及安装误差对光学特性的影响；

步骤3利用序列模式加入偏振分光片、1/2波片等偏振器件，仿真得到光学系统的偏振传输效率。

步骤4利用非序列模式对整体光学系统建模，同时加入耦合镜和光纤，仿真得到光学系统的光学效率、耦合效率等光学参数。

在一个实施方式中，所述激光雷达光学系统包括激光器及其准直扩束部分、牛顿接收望远镜部分和卡式接收望远镜部分，偏振部分和光纤耦合部分。其中激光器及其准直扩束部分作为光源，经准直扩束后，得到准直性良好、出射位置合理的光束；利用牛顿接收望远镜或卡式接收望远镜接收后向散射信号，通过光纤传递光学信号，通过探测器探测光学信号的能量得到系统的光学效率、光纤耦合效率等光学参数；通过光学设计软件的点列图得到弥散斑直径、系统发散角等光学参数。

在一个实施方式中，所述步骤1中，需要优化的参数包括扩束器主镜前表面半径、扩束器主镜后表面半径、扩束器次镜前表面半径、扩束器次镜后表面半径、牛顿接收望远镜主镜半径、牛顿接收望远镜次镜半径、卡式接收望远镜主镜、卡式接收望远镜次镜。

在一个实施方式中，如图10-15所示，考虑的误差包括各个元件的倾斜和偏心误差，主要关注元件的安装误差，通过公差分析帮助了解激光雷达光学系统的光学特性。

在一个实施方式中，通过对激光雷达光机系统仿真，对激光能量的发射、传输与接收问题仿真，为得到良好光学系统的光学参数和更精确的大气参数提供保障。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。