激光雷达发散角检测-激光雷达光束性能检测-激光雷达检测机构

激光雷达发散角检测

激光雷达（LiDAR）的发散角（通常指发射光束的发散角）是衡量其光束质量、测距能力和空间分辨率的关键参数之一。较小的发散角意味着光束更集中，能量密度更高，有助于实现更远的探测距离和更高的角度分辨率。检测激光雷达的发散角通常涉及光学测量技术，以下是常见的检测方法和流程：

一、主要检测方法

刀口法（Knife-Edge Method）

原理：利用一个锋利的边缘（如刀片）逐步遮挡激光束，同时测量透射功率的变化。通过分析功率随刀口位移的变化曲线（刀口曲线），可以积分得到光束的强度分布，进而计算光束宽度和发散角。

优点：设备相对简单，成本较低，适用于高功率激光。

缺点：测量速度慢，对刀口边缘要求高，易受机械振动影响。

狭缝扫描法（Slit Scan Method）

原理：使用一个窄缝代替刀口，让激光束通过狭缝后被探测器接收。狭缝在光束横截面上进行二维扫描，记录不同位置的透射光强，重构光束轮廓。

优点：比刀口法精度更高，能获得更完整的二维光强分布。

缺点：扫描时间较长，机械结构复杂。

CCD/CMOS相机法（Camera-Based Profiling）

原理：使用高动态范围的CCD或CMOS相机直接拍摄激光束的横截面光强分布。通过软件分析图像，计算光束宽度（如1/e²宽度、D4σ宽度等），并根据远场测量距离计算发散角。

优点：可实时、快速获取二维光强分布，直观，支持连续监测。

缺点：需注意激光功率密度，避免损坏相机传感器（常需使用衰减片或漫散射屏）；对弱光或特定波长（如近红外）可能需要专用相机。

光束质量分析仪（Beam Profiler）

原理：集成化的商用设备，通常基于相机法或扫描法，配备专业软件，可自动计算光束参数（包括发散角、M²因子、椭圆度等）。

优点：操作简便，精度高，功能全面。

缺点：成本较高。

二、典型检测流程（以CCD相机法为例）

1.0准备工作

环境：在暗室或遮光环境下进行，避免环境光干扰。

设备：激光雷达、CCD/CMOS相机（带合适滤光片和衰减片）、光学平台、精密位移台（可选）、数据采集系统。

安全：佩戴对应激光波长的防护眼镜，确保激光束路封闭，遵守激光安全操作规程。

1.1系统搭建

将激光雷达固定在光学平台上，确保稳定。

将CCD相机放置在距离激光雷达出射口足够远的位置（通常在远场，如数米至数十米），以确保测量的是发散后的光束。

调整相机位置，使激光束垂直入射到相机靶面中心。

根据激光功率，安装适当的中性密度（ND）滤光片或使用漫散射屏（如磨砂玻璃）间接成像，防止相机饱和或损坏。

1.2光束图像采集

启动激光雷达，发射激光。

通过采集软件获取激光束在相机上的光强分布图像。

确保图像不饱和，信噪比足够高。

1.3图像处理与分析

使用专业软件（如MATLAB、Python + OpenCV、或专用光束分析软件）处理图像。

提取光束的横截面强度分布。

计算光束宽度（如沿X、Y方向的1/e²直径或D4σ直径）。

记录相机到激光出射口的距离（L）。

1.4发散角计算

发散角（θ，通常以毫弧度mrad为单位）可通过以下公式估算： θ ≈ d / L 其中：

d 是远场测得的光束直径（如1/e²直径）。

L 是测量距离（从激光出射口到相机的距离）。

对于更精确的测量，需考虑光束的传播特性（如高斯光束），并可能需要在多个距离测量以拟合发散趋势。

1.5重复与验证

在不同距离重复测量，验证发散角的一致性。

对激光雷达的不同扫描角度或通道进行测量，评估其均匀性。

1.6报告生成

记录测量条件（波长、功率、距离、环境等）。

输出发散角结果（通常给出X、Y方向的发散角）。

附上光束轮廓图和分析数据。

三、注意事项

远场条件：确保测量距离满足远场条件（Fraunhofer衍射区），否则测量结果不准确。

波长匹配：相机和光学元件需对激光波长敏感且兼容。

功率控制：严格控制入射到相机的功率，防止损伤。

校准：定期对测量系统（如相机像素尺寸）进行校准。

标准遵循：参考相关国际标准（如ISO 11146）进行测量和计算，确保结果的可比性和权威性。

通过上述方法和流程，可以准确评估激光雷达的光束发散角，为其性能优化和应用提供重要依据。

激光雷达光束性能检测项目

激光雷达光束性能检测是确保激光雷达系统准确、可靠运行的关键环节，主要包括以下几个方面的内容：

探测距离与范围：检测激光雷达的最大探测距离以及在不同距离下的探测准确性，确保其能够在设计要求的范围内有效工作。

角分辨率：评估激光雷达在水平和垂直方向上的最小分辨角度，这对于构建高精度的三维点云图至关重要。

测距精度与稳定性：通过测量激光往返时间（ToF）计算目标距离的准确性，以及多次测量结果的一致性，确保数据的可靠性。

回波强度与信噪比：分析接收到的回波信号强度，以及信号与噪声的比例，评估激光雷达在不同环境条件下的目标识别能力。

波束指向性与扩散角：检查激光束的聚焦程度和发散情况，确保光束能够精确指向目标并减少不必要的环境干扰。

扫描模式与频率：对于机械旋转式激光雷达，检测扫描机构的稳定性和频率；对于固态激光雷达，则需评估电子扫描的灵活性和速度。

环境光抗干扰能力：在不同光照条件下测试激光雷达的表现，确保其能在强光或变化光照环境中正常工作。

深色物体检出率：评估激光雷达对低反射率（如黑色衣服或路面）物体的探测能力，这是城市和夜间驾驶场景中的重要考量。

温度与湿度影响：在标准或极端的温度和湿度条件下测试激光雷达性能，确保其在各种气候条件下的稳定性。

长期稳定性与寿命测试：长时间运行激光雷达，监测性能衰减情况，评估其工作寿命和可靠性。

激光性能参数定义

M2因子  

在激光科学中，参数M²也称为光束质量因子，表示光束到理想高斯光束的变化程度。它由光束的光束参数乘积(BPP)与相同波长的理想  

高斯光束的光束参数乘积(BPP)之比计算而得。它将激光束的发散度与能够达到的最小聚焦光斑大小联系起来。对于单模TEM00(高斯)  

激光束，M²为1。  

光束质量在很多应用中是重要的评价标准，在光纤通信中，为了与单模光纤耦合，需要M²因子接近1的光束。M²决定了已知直径的准  

直光束聚焦的紧密程度，焦点的直径跟随M²和辐照度的变化而变化，这在激光加工和激光焊接中是非常重要的，因为它决定了焊接位  

置的高能量密度。  

ISO标准规定了一种计算M²的方法，测量一组光束的直径，最大限度地减少误差来源。以下是主要步骤:  

-用无像差透镜聚焦。  

-使用ISO标准中详细的回归方程来拟合双曲线到X轴和Y轴的数据点，通过最小化测量误差来提高计算的准确性。  

-从拟合曲线中提取每个轴的θ、R、W0和M2的值。ISO标准还提出了一些关于直径测量的额外规则(特别是当使用ccd或cmos阵列传感器时):  

-用直径的三倍作为计算区域。  

-在进行测量之前一定要去除背景噪声。

激光性能检测范围

固体激光器（光纤激光器）

波长

输出功率

功率不稳定度

束散角

出口光束直径、束宽

光束质量因子

束腰直径、宽度

光束指向不稳定度

偏振度

阈值

电光转换效率

脉冲宽度（准连续型和脉冲型）

脉冲重复频率（准连续型和脉冲型）

输出能量（准连续型和脉冲型）

输出能量不稳定度（准连续型和脉冲型）

平均功率（准连续型和脉冲型） 

 半导体激光器

中心波长

峰值波长

谱宽度

输出光功率

平均功率（准连续型和脉冲型）

峰值功率（准连续型和脉冲型）

脉冲能量（准连续型和脉冲型）

工作电压

工作电流

阈值电流

斜率效率

脉冲宽度（准连续型和脉冲型）

脉冲重复频率（准连续型和脉冲型）

电光转换效率

温度-波长漂移系数

偏振度

光束宽度

光强分布

输出功率不稳定度

输出能量不稳定度（准连续型和脉冲型）

占空比

边模抑制比

截止频率 

工业激光器

输出功率

平均输出功率（准连续型和脉冲型）

输出功率不稳定度

光束质量因子

波长

半峰全宽

脉冲宽度（准连续型和脉冲型）

电光转换效率

光束直径

脉冲重复频率（准连续型和脉冲型）

单脉冲能量（准连续型和脉冲型）

脉冲宽度（准连续型和脉冲型）

脉冲重复频率（准连续型和脉冲型）

对光束束宽的定义方法

光斑尺寸：  

对光束束宽的定义有以下几种方法：  

1、1/n定义法  

在光强分布曲线上，相对光强为峰值光强的1/n处的两个点之间的距离定义为光束的束宽，一般n取值为e2或e，实际上是按照光强分布  

定义的。  

2、功率定义法  

在光强分布曲线上，占总功率能量的η处至峰值处距离定义为束宽w（z），常用的η有86.5%，63%。  

3、刀口法  

按能量来定义束宽，对应10%和90%能量截断点间的距离定义为束宽，可避免“1/n”方法用于计算无规则光束的困难，能用于计算  

无规则的和光束质量极差的光束的束宽。  

4、二阶矩定义法  

直角坐标系中，在z处x、y方向的束宽wx，wy按二阶矩方法定义为：束宽ω(z)随坐标z按双曲线  

规律向外扩展，z=0时，ω(0)为最小值，ω0称为束腰。  

瑞利长度：  

高斯光束的波阵面在束腰位置处为平面波，波阵面是由此开始传播的。波阵面从束腰位置向前传播，逐渐变成曲面，直到等相面曲率半  

径达到最小，此后变平。从束腰到达最小曲率半径位置两者之间的距离就称为瑞利范围，其大小由Z0来表示称为瑞利尺寸。在Z0≤Z  

范围内高斯光束可以近似认为是平行光束，光束的瑞利长度越大则准直性越好。  

发散角：  

一般用发散角描述激光的发散度，有多种方式去测量激光束的发散度，我们在这里描述两种激光束发散度的测量方法。  

方法1：  

使用一个已知焦距的透镜测量远场激光束发散度，显然完全发散θ=D/f，D是焦点位置的束腰半径，f是焦距。  

通过将CinCam分析仪放置在焦距处，并且直接在软件RayCi上输入焦距，就很容易实现光束发散度的测量。  

方法2：  

通过直接计算光束路径中的几个位置的光束尺寸进行测量，发散度由公式θ=2arctan[（D1-D2）/2L]算出，D1、D2是不同位置的光斑  

直径，L是两个被测光斑之间的距离。