一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光三維成像的光學收發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將圓形激光束整形成狹窄的帶狀，并采用高速旋轉的編碼盤將條形激光束分成若干段編碼。投影鏡頭將經(jīng)過編碼的光束發(fā)射出去。接收端利用光纖傳像束將這若干段中對應像點的目標反射光合并，并由面陣光電傳感器來接收，從而實現(xiàn)每個傳感器探測單元測量多個像點的高程數(shù)據(jù)。本發(fā)明方法新穎，能夠實現(xiàn)大視場條件下的高效高速的三維測量。
【專利說明】一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光三維成像【技術領域】，具體涉及一種基于激光編碼復用技術實現(xiàn)推掃式三維測量的成像激光雷達。
【背景技術】
[0002]三維成像激光雷達技術適用于數(shù)字城市三維構建，自然災害救援，數(shù)字地球等大范圍區(qū)域高速成像的場合。三維成像激光雷達技術采用主動發(fā)射激光照射目標的方式，利用光電探測器接收目標反射的回波信號，提取包括高程信息在內的目標三維信息，并對目標進行三維圖形的重建。是目前唯一能夠同時直接獲取目標三維圖像的技術，具有很高的軍事和民用應用價值。但是，傳統(tǒng)的激光成像技術采用點掃描體制，通過二維掃描(行掃+幀掃)獲取圖像，致使其成像幀頻較低，目前所報道的最高指標為20Hz，成像視場角一般小于1° ;另外，由于掃描器的應用，不僅增大了系統(tǒng)的體積，還降低了系統(tǒng)的可靠性和工作穩(wěn)定性。這些缺點限制了點掃描體制激光成像技術的應用。
【發(fā)明內容】
[0003]發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有技術，提出一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)，基于激光編碼復用技術實現(xiàn)推掃式三維測量，能夠實現(xiàn)每個光電接收單元可以測量多個像點的距離信
肩、O
[0004]技術方案:一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)，所述三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)包括發(fā)射光學部分和探測成像光學部分；其中:
[0005]所述發(fā)射光學部分包括脈沖激光器、擴束鏡、柱面透鏡、激光編碼機構以及發(fā)射鏡頭；所述脈沖激光器用于產(chǎn)生激光脈沖，所述擴束鏡、柱面透鏡以及發(fā)射鏡頭同軸設置，所述激光編碼機構設置在柱面透鏡的焦平面上；
[0006]所述擴束鏡用于對所述激光脈沖進行擴束后產(chǎn)生圓形光束；
[0007]所述柱面透鏡用于對擴束鏡產(chǎn)生的圓形光束進行會聚，并在柱面透鏡的焦平面上形成條形激光束；
[0008]所述激光編碼機構用于對所述條形激光束進行編碼；
[0009]所述發(fā)射鏡頭用于將編碼后的條形激光束投影到目標區(qū)域表面；
[0010]所述探測成像光學部分包括接收鏡頭、光纖傳像束、耦合鏡頭以及面陣光電傳感器；所述光纖傳像束由若干根光纖構成，所有光纖入射端以一字型排開，每根光纖之間的距離固定設置，構成線陣光纖傳感端面并與所述接收鏡頭同軸設置；所有光纖的輸出端以矩陣方式排列構成輸出面并與所述耦合鏡頭以及面陣光電傳感器同軸設置；
[0011]所述接收鏡頭用于接收目標區(qū)域反射后的回波信號，并成像于所述光纖傳像束的線陣光纖傳感端面上；
[0012]所述光纖傳像束用于將線陣光纖傳感端面接收的各碼段內相同序號的光通過光纖組合成一束光出射，實現(xiàn)光束的分組合并；[0013]所述耦合鏡頭用于將光纖傳像束的輸出端面按照比例縮小并成像于所述面陣光電傳感器的表面，實現(xiàn)光束的稱合；
[0014]所述面陣光電傳感器用于接收激光回波信號并轉換成電信號，實現(xiàn)回波信號的光電轉換。
[0015]進一步的，所述脈沖激光器產(chǎn)生的激光脈沖的波長為532nm，脈沖寬度為l_20ns，工作頻率為3-20KHz。
[0016]進一步的，所述系統(tǒng)還包括光電探測器，用來測定所述激光脈沖的產(chǎn)生時刻。
[0017]進一步的，所述光電探測器采用PIN光電二極管。
[0018]進一步的，所述擴束鏡的擴束倍數(shù)為5-10倍。
[0019]進一步的，所述柱面透鏡的焦距為150mm，并鍍有532nm增透膜。
[0020]進一步的，所述激光編碼機構為編碼盤。
[0021]進一步的，所述耦合鏡頭由兩焦距不同的平凸透鏡同軸設置構成。
[0022]進一步的，所述面陣光電傳感器由雪崩光電二極管構成。
[0023]有益效果:本系統(tǒng)實現(xiàn)線陣照明，使得該推掃方式的激光三維成像技術能夠實現(xiàn)大視場高速高分辨率的三維成像。發(fā)射光學部分射出的條形激光束經(jīng)過編碼盤編碼后投影到目標區(qū)域，目標區(qū)域的反射回波被探測成像光學部分接收；像點距離信息則根據(jù)回波信號的接收時刻與光電探測器測得到的發(fā)射激光脈沖時刻之間的時間差計算得到。通過對激光進行整形編碼接收實現(xiàn)每個光電接收單元可以測量多個像點的距離信息，大大提高成像的效率；發(fā)射光學部分射出的條形激光束實現(xiàn)推掃式三維測量，大大提高成像的速率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是三維成像激光雷達光學收發(fā)系統(tǒng)的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0026]如圖1，一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)包括發(fā)射光學部分和探測成像光學部分。其中，發(fā)射光學部分包括脈沖激光器1001、反射鏡1002、擴束鏡1003、光電探測器1004、第二反射鏡1005、柱面透鏡1006、激光編碼機構1008以及發(fā)射鏡頭1009。脈沖激光器1002用于產(chǎn)生激光脈沖，這里采用半導體泵浦固體激光器，該激光器體積和功耗都較小且維護方便。脈沖激光器1002發(fā)出的激光脈沖的波長為532nm，脈沖寬度為l_20ns，工作頻率為
3-20KHZ。擴束鏡1003、柱面透鏡1006以及發(fā)射鏡頭1009同軸設置，激光編碼機構設置在柱面透鏡1006的焦平面上。
[0027]發(fā)射出的激光脈沖經(jīng)過反射鏡1002進入擴束鏡1003，擴束鏡的目的是將直徑只有0.6mm的激光光束擴束為直徑為30_的激光光束,從而方便利用柱面鏡將其整形成為一長度為30mm的狹窄條形激光束。
[0028]擴束鏡1003由一凹透鏡和一凸透鏡組成，凹透鏡作為入射光學窗口，凸透鏡作為出射光學窗口。本實施例中設有擴束倍數(shù)分別為5倍和10倍的兩個擴束鏡，兩個擴束鏡首尾相接設置。
[0029]直徑為30mm的激光光束再經(jīng)過柱面透鏡1006在焦平面上形成一長度為30mm極其狹窄的條形激光束，該柱面鏡為平凸透鏡，焦距為150mm。
[0030]這里激光編碼機構1008采用編碼盤，在編碼盤的徑向方向上刻蝕有一些通孔，有通孔的區(qū)段被編為‘I’碼，沒有通孔的區(qū)段被編為‘0’碼。
[0031]發(fā)射鏡頭1009將編碼后的激光光束投影到遠處的目標區(qū)域表面。這里采用的發(fā)射鏡頭為來自Schneider公司，焦距為210mm的投影鏡頭。
[0032]光電探測器1004通過第二反射鏡1005探測到脈沖激光器1001發(fā)出激光束的時刻。
[0033]探測成像光學部分包括接收鏡頭1010、光纖傳像束1011、耦合鏡頭1012以及面陣光電傳感器1013。光纖傳像束1011由若干根光纖構成,所有光纖入射端以一字型排開,每根光纖之間的距離固定設置，構成線陣光纖傳感端面并與接收鏡頭1010同軸設置；所有光纖的輸出端以矩陣方式排列構成輸出面并與I禹合鏡頭1012以及面陣光電傳感器1013同軸設置。光纖傳像束1011用于將線陣光纖傳感端面接收的各碼段內相同序號的光通過光纖組合成一束光出射，實現(xiàn)光束的分組合并。
[0034]接收鏡頭1010將目標區(qū)域反射波成像在光纖傳像束1011的線陣端面，接收鏡頭和發(fā)射鏡頭型號和參數(shù)均相同。
[0035]耦合透鏡組1012將光纖傳像束的輸出端面按照比例縮小成像于面陣光電傳感器表面，其由兩焦距不同平凸透鏡組成，可實現(xiàn)固定倍數(shù)的圖像縮小，這樣可實現(xiàn)光束的良好耦合。
[0036]面陣光電傳感器1013用于接收激光回波信號，并將其轉換成電信號交由后續(xù)電路處理。
[0037]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)包括發(fā)射光學部分和探測成像光學部分，其中: 所述發(fā)射光學部分包括脈沖激光器(1001)、擴束鏡(1003)、柱面透鏡(1006)、激光編碼機構(1008)以及發(fā)射鏡頭(1009);所述脈沖激光器(1001)用于產(chǎn)生激光脈沖，所述擴束鏡(1003)、柱面透鏡(1006)以及發(fā)射鏡頭(1009)同軸設置，所述激光編碼機構(1008)設置在柱面透鏡(1006)的焦平面上； 所述擴束鏡(1003)用于對所述激光脈沖進行擴束后產(chǎn)生圓形光束； 所述柱面透鏡(1006)用于對擴束鏡(1003)產(chǎn)生的圓形光束進行會聚，并在柱面透鏡的焦平面上形成條形激光束； 所述激光編碼機構(1008)用于對所述條形激光束進行編碼； 所述發(fā)射鏡頭(1009)用于將編碼后的條形激光束投影到目標區(qū)域表面； 所述探測成像光學部分包括接收鏡頭(1010)、光纖傳像束(1011)、耦合鏡頭(1012)以及面陣光電傳感器(1013);所述光纖傳像束(1011)由若干根光纖構成,所有光纖入射端以一字型排開，每根光纖之間的距離固定設置，構成線陣光纖傳感端面并與所述接收鏡頭(1010)同軸設置；所有光纖的輸出端以矩陣方式排列構成輸出面并與所述耦合鏡頭(1012)以及面陣光電傳感器(1013)同軸設置； 所述接收鏡頭(1010)用于接收目標區(qū)域反射后的回波信號，并成像于所述光纖傳像束(1011)的線陣光纖 傳感端面上； 所述光纖傳像束(1011)用于將線陣光纖傳感端面接收的各碼段內相同序號的光通過光纖組合成一束光出射，實現(xiàn)光束的分組合并； 所述耦合鏡頭(1012)用于將光纖傳像束(1011)的輸出端面按照比例縮小并成像于所述面陣光電傳感器(1013)的表面，實現(xiàn)光束的耦合； 所述面陣光電傳感器(1013)用于接收激光回波信號并轉換成電信號，實現(xiàn)回波信號的光電轉換。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述脈沖激光器(1002)產(chǎn)生的激光脈沖的波長為532nm，脈沖寬度為l_20ns，工作頻率為3_20KHz。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)還包括光電探測器(1004)，用來測定所述激光脈沖的產(chǎn)生時刻。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述光電探測器(1004)采用PIN光電二極管。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述擴束鏡(1003)的擴束倍數(shù)為5-10倍。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述柱面透鏡(1006)的焦距為150mm，并鍍有532nm增透膜。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述激光編碼機構(1008)為編碼盤。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述耦合鏡頭(1012)由兩焦距不同的平凸透鏡同軸設置構成。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種激光三維成像光學收發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述面陣光電傳 感器(1009)由雪崩光電二極管構成。
【文檔編號】G01S7/483GK104020474SQ201410189120
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月6日 優(yōu)先權日:2014年5月6日
【發(fā)明者】韓小純, 王元慶, 張冰清 申請人:南京大學