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光束性能檢測

激光雷達發(fā)散角檢測

激光雷達（LiDAR）的發(fā)散角（通常指發(fā)射光束的發(fā)散角）是衡量其光束質(zhì)量、測距能力和空間分辨率的關(guān)鍵參數(shù)之一。較小的發(fā)散角意味著光束更集中，能量密度更高，有助于實現(xiàn)更遠的探測距離和更高的角度分辨率。檢測激光雷達的發(fā)散角通常涉及光學(xué)測量技術(shù)，以下是常見的檢測方法和流程：

一、主要檢測方法

刀口法（Knife-Edge Method）

原理：利用一個鋒利的邊緣（如刀片）逐步遮擋激光束，同時測量透射功率的變化。通過分析功率隨刀口位移的變化曲線（刀口曲線），可以積分得到光束的強度分布，進而計算光束寬度和發(fā)散角。

優(yōu)點：設(shè)備相對簡單，成本較低，適用于高功率激光。

缺點：測量速度慢，對刀口邊緣要求高，易受機械振動影響。

狹縫掃描法（Slit Scan Method）

原理：使用一個窄縫代替刀口，讓激光束通過狹縫后被探測器接收。狹縫在光束橫截面上進行二維掃描，記錄不同位置的透射光強，重構(gòu)光束輪廓。

優(yōu)點：比刀口法精度更高，能獲得更完整的二維光強分布。

缺點：掃描時間較長，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

CCD/CMOS相機法（Camera-Based Profiling）

原理：使用高動態(tài)范圍的CCD或CMOS相機直接拍攝激光束的橫截面光強分布。通過軟件分析圖像，計算光束寬度（如1/e2寬度、D4σ寬度等），并根據(jù)遠場測量距離計算發(fā)散角。

優(yōu)點：可實時、快速獲取二維光強分布，直觀，支持連續(xù)監(jiān)測。

缺點：需注意激光功率密度，避免損壞相機傳感器（常需使用衰減片或漫散射屏）；對弱光或特定波長（如近紅外）可能需要專用相機。

光束質(zhì)量分析儀（Beam Profiler）

原理：集成化的商用設(shè)備，通?；谙鄼C法或掃描法，配備專業(yè)軟件，可自動計算光束參數(shù)（包括發(fā)散角、M2因子、橢圓度等）。

優(yōu)點：操作簡便，精度高，功能全面。

缺點：成本較高。

二、典型檢測流程（以CCD相機法為例）

1.0準備工作

環(huán)境：在暗室或遮光環(huán)境下進行，避免環(huán)境光干擾。

設(shè)備：激光雷達、CCD/CMOS相機（帶合適濾光片和衰減片）、光學(xué)平臺、精密位移臺（可選）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

安全：佩戴對應(yīng)激光波長的防護眼鏡，確保激光束路封閉，遵守激光安全操作規(guī)程。

1.1系統(tǒng)搭建

將激光雷達固定在光學(xué)平臺上，確保穩(wěn)定。

將CCD相機放置在距離激光雷達出射口足夠遠的位置（通常在遠場，如數(shù)米至數(shù)十米），以確保測量的是發(fā)散后的光束。

調(diào)整相機位置，使激光束垂直入射到相機靶面中心。

根據(jù)激光功率，安裝適當?shù)闹行悦芏龋∟D）濾光片或使用漫散射屏（如磨砂玻璃）間接成像，防止相機飽和或損壞。

1.2光束圖像采集

啟動激光雷達，發(fā)射激光。

通過采集軟件獲取激光束在相機上的光強分布圖像。

確保圖像不飽和，信噪比足夠高。

1.3圖像處理與分析

使用專業(yè)軟件（如MATLAB、Python + OpenCV、或?qū)Ｓ霉馐治鲕浖┨幚韴D像。

提取光束的橫截面強度分布。

計算光束寬度（如沿X、Y方向的1/e2直徑或D4σ直徑）。

記錄相機到激光出射口的距離（L）。

1.4發(fā)散角計算

發(fā)散角（θ，通常以毫弧度mrad為單位）可通過以下公式估算： θ ≈ d / L 其中：

d 是遠場測得的光束直徑（如1/e2直徑）。

L 是測量距離（從激光出射口到相機的距離）。

對于更精確的測量，需考慮光束的傳播特性（如高斯光束），并可能需要在多個距離測量以擬合發(fā)散趨勢。

1.5重復(fù)與驗證

在不同距離重復(fù)測量，驗證發(fā)散角的一致性。

對激光雷達的不同掃描角度或通道進行測量，評估其均勻性。

1.6報告生成

記錄測量條件（波長、功率、距離、環(huán)境等）。

輸出發(fā)散角結(jié)果（通常給出X、Y方向的發(fā)散角）。

附上光束輪廓圖和分析數(shù)據(jù)。

三、注意事項

遠場條件：確保測量距離滿足遠場條件（Fraunhofer衍射區(qū)），否則測量結(jié)果不準確。

波長匹配：相機和光學(xué)元件需對激光波長敏感且兼容。

功率控制：嚴格控制入射到相機的功率，防止損傷。

校準：定期對測量系統(tǒng)（如相機像素尺寸）進行校準。

標準遵循：參考相關(guān)國際標準（如ISO 11146）進行測量和計算，確保結(jié)果的可比性和權(quán)威性。

通過上述方法和流程，可以準確評估激光雷達的光束發(fā)散角，為其性能優(yōu)化和應(yīng)用提供重要依據(jù)。

激光雷達光束性能檢測項目

激光雷達光束性能檢測是確保激光雷達系統(tǒng)準確、可靠運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：

探測距離與范圍：檢測激光雷達的最大探測距離以及在不同距離下的探測準確性，確保其能夠在設(shè)計要求的范圍內(nèi)有效工作。

角分辨率：評估激光雷達在水平和垂直方向上的最小分辨角度，這對于構(gòu)建高精度的三維點云圖至關(guān)重要。

測距精度與穩(wěn)定性：通過測量激光往返時間（ToF）計算目標距離的準確性，以及多次測量結(jié)果的一致性，確保數(shù)據(jù)的可靠性。

回波強度與信噪比：分析接收到的回波信號強度，以及信號與噪聲的比例，評估激光雷達在不同環(huán)境條件下的目標識別能力。

波束指向性與擴散角：檢查激光束的聚焦程度和發(fā)散情況，確保光束能夠精確指向目標并減少不必要的環(huán)境干擾。

掃描模式與頻率：對于機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達，檢測掃描機構(gòu)的穩(wěn)定性和頻率；對于固態(tài)激光雷達，則需評估電子掃描的靈活性和速度。

環(huán)境光抗干擾能力：在不同光照條件下測試激光雷達的表現(xiàn)，確保其能在強光或變化光照環(huán)境中正常工作。

深色物體檢出率：評估激光雷達對低反射率（如黑色衣服或路面）物體的探測能力，這是城市和夜間駕駛場景中的重要考量。

溫度與濕度影響：在標準或極端的溫度和濕度條件下測試激光雷達性能，確保其在各種氣候條件下的穩(wěn)定性。

長期穩(wěn)定性與壽命測試：長時間運行激光雷達，監(jiān)測性能衰減情況，評估其工作壽命和可靠性。

激光性能參數(shù)定義

M2因子  

在激光科學(xué)中，參數(shù)M2也稱為光束質(zhì)量因子，表示光束到理想高斯光束的變化程度。它由光束的光束參數(shù)乘積(BPP)與相同波長的理想  

高斯光束的光束參數(shù)乘積(BPP)之比計算而得。它將激光束的發(fā)散度與能夠達到的最小聚焦光斑大小聯(lián)系起來。對于單模TEM00(高斯)  

激光束，M2為1。  

光束質(zhì)量在很多應(yīng)用中是重要的評價標準，在光纖通信中，為了與單模光纖耦合，需要M2因子接近1的光束。M2決定了已知直徑的準  

直光束聚焦的緊密程度，焦點的直徑跟隨M2和輻照度的變化而變化，這在激光加工和激光焊接中是非常重要的，因為它決定了焊接位  

置的高能量密度。  

ISO標準規(guī)定了一種計算M2的方法，測量一組光束的直徑，最大限度地減少誤差來源。以下是主要步驟:  

-用無像差透鏡聚焦。  

-使用ISO標準中詳細的回歸方程來擬合雙曲線到X軸和Y軸的數(shù)據(jù)點，通過最小化測量誤差來提高計算的準確性。  

-從擬合曲線中提取每個軸的θ、R、W0和M2的值。ISO標準還提出了一些關(guān)于直徑測量的額外規(guī)則(特別是當使用ccd或cmos陣列傳感器時):  

-用直徑的三倍作為計算區(qū)域。  

-在進行測量之前一定要去除背景噪聲。

激光性能檢測范圍

固體激光器（光纖激光器）

波長

輸出功率

功率不穩(wěn)定度

束散角

出口光束直徑、束寬

光束質(zhì)量因子

束腰直徑、寬度

光束指向不穩(wěn)定度

偏振度

閾值

電光轉(zhuǎn)換效率

脈沖寬度（準連續(xù)型和脈沖型）

脈沖重復(fù)頻率（準連續(xù)型和脈沖型）

輸出能量（準連續(xù)型和脈沖型）

輸出能量不穩(wěn)定度（準連續(xù)型和脈沖型）

平均功率（準連續(xù)型和脈沖型） 

 半導(dǎo)體激光器

中心波長

峰值波長

譜寬度

輸出光功率

平均功率（準連續(xù)型和脈沖型）

峰值功率（準連續(xù)型和脈沖型）

脈沖能量（準連續(xù)型和脈沖型）

工作電壓

工作電流

閾值電流

斜率效率

脈沖寬度（準連續(xù)型和脈沖型）

脈沖重復(fù)頻率（準連續(xù)型和脈沖型）

電光轉(zhuǎn)換效率

溫度-波長漂移系數(shù)

偏振度

光束寬度

光強分布

輸出功率不穩(wěn)定度

輸出能量不穩(wěn)定度（準連續(xù)型和脈沖型）

占空比

邊模抑制比

截止頻率 

工業(yè)激光器

輸出功率

平均輸出功率（準連續(xù)型和脈沖型）

輸出功率不穩(wěn)定度

光束質(zhì)量因子

波長

半峰全寬

脈沖寬度（準連續(xù)型和脈沖型）

電光轉(zhuǎn)換效率

光束直徑

脈沖重復(fù)頻率（準連續(xù)型和脈沖型）

單脈沖能量（準連續(xù)型和脈沖型）

脈沖寬度（準連續(xù)型和脈沖型）

脈沖重復(fù)頻率（準連續(xù)型和脈沖型）

對光束束寬的定義方法

光斑尺寸：  

對光束束寬的定義有以下幾種方法：  

1、1/n定義法  

在光強分布曲線上，相對光強為峰值光強的1/n處的兩個點之間的距離定義為光束的束寬，一般n取值為e2或e，實際上是按照光強分布  

定義的。  

2、功率定義法  

在光強分布曲線上，占總功率能量的η處至峰值處距離定義為束寬w（z），常用的η有86.5%，63%。  

3、刀口法  

按能量來定義束寬，對應(yīng)10%和90%能量截斷點間的距離定義為束寬，可避免“1/n”方法用于計算無規(guī)則光束的困難，能用于計算  

無規(guī)則的和光束質(zhì)量極差的光束的束寬。  

4、二階矩定義法  

直角坐標系中，在z處x、y方向的束寬wx，wy按二階矩方法定義為：束寬ω(z)隨坐標z按雙曲線  

規(guī)律向外擴展，z=0時，ω(0)為最小值，ω0稱為束腰。  

瑞利長度：  

高斯光束的波陣面在束腰位置處為平面波，波陣面是由此開始傳播的。波陣面從束腰位置向前傳播，逐漸變成曲面，直到等相面曲率半  

徑達到最小，此后變平。從束腰到達最小曲率半徑位置兩者之間的距離就稱為瑞利范圍，其大小由Z0來表示稱為瑞利尺寸。在Z0≤Z  

范圍內(nèi)高斯光束可以近似認為是平行光束，光束的瑞利長度越大則準直性越好。  

發(fā)散角：  

一般用發(fā)散角描述激光的發(fā)散度，有多種方式去測量激光束的發(fā)散度，我們在這里描述兩種激光束發(fā)散度的測量方法。  

方法1：  

使用一個已知焦距的透鏡測量遠場激光束發(fā)散度，顯然完全發(fā)散θ=D/f，D是焦點位置的束腰半徑，f是焦距。  

通過將CinCam分析儀放置在焦距處，并且直接在軟件RayCi上輸入焦距，就很容易實現(xiàn)光束發(fā)散度的測量。  

方法2：  

通過直接計算光束路徑中的幾個位置的光束尺寸進行測量，發(fā)散度由公式θ=2arctan[（D1-D2）/2L]算出，D1、D2是不同位置的光斑  

直徑，L是兩個被測光斑之間的距離。