一種基于相干探測(cè)的遠(yuǎn)距離高重頻激光三維掃描裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種激光三維成像裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)不受測(cè)距模糊距離限制的遠(yuǎn)距離高 重頻激光三維成像。
【背景技術(shù)】
[0002] 在激光雷達(dá)和激光三維掃描儀領(lǐng)域，目前常用的激光測(cè)距方式主要有相位測(cè)量法 和基于飛行時(shí)間的脈沖直接測(cè)距法。
[0003] 相位測(cè)量主要是通過比對(duì)目標(biāo)回波和參考信號(hào)的相位差來實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，通常距 離范圍在loom。脈沖飛行時(shí)間測(cè)距方法采用峰值功率較高的激光窄脈沖，能夠?qū)崿F(xiàn)km以上 的測(cè)距和掃描，但是，因?yàn)槭芗す饷}沖飛行的往返時(shí)間限制，距離限制了測(cè)量的重頻。以測(cè) 量距離1500m為例，激光飛行時(shí)間需要10μs，這就限制了測(cè)量重復(fù)頻率不能超過100kHz。 雖然采用編碼、多波長(zhǎng)等技術(shù)可以提升模糊距離，從而達(dá)到提高測(cè)量重復(fù)頻率的效果，但是 測(cè)量頻率仍然受模糊距離的限制，且通常只能夠提升幾倍的頻率，難以實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量重 復(fù)頻率。另外，隨著激光重頻的提升，激光脈沖峰值功率會(huì)相應(yīng)降低，難以滿足遠(yuǎn)距離測(cè)量 要求。
[0004] 目前，市場(chǎng)上基于脈沖飛行時(shí)間激光測(cè)距技術(shù)的激光三維掃描儀測(cè)量范圍達(dá)到km 級(jí)的，測(cè)量重復(fù)頻率通常在100kHz，測(cè)量靈敏度和模糊距離限制了激光三維掃描儀對(duì)于遠(yuǎn) 距離目標(biāo)掃描的數(shù)據(jù)獲取率，對(duì)于掃描速度有要求的情況下，掃描的頻率會(huì)進(jìn)一步提高，目 標(biāo)的點(diǎn)分辨率會(huì)進(jìn)一步降低。因此，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高重頻激光三維掃描，需要一種能同時(shí) 提升探測(cè)靈敏度和克服模糊距離限制的測(cè)距技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對(duì)目前遠(yuǎn)距離激光三維掃描儀測(cè)量重頻低的問題， 提供了一種基于相干探測(cè)的遠(yuǎn)距離高重頻激光三維掃描裝置，該裝置能夠同時(shí)具有高靈敏 度和高測(cè)量重頻特性，可以實(shí)現(xiàn)不受模糊距離限制的遠(yuǎn)距離高重頻激光三維成像。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于相干探測(cè)的遠(yuǎn)距離高重頻激光三維掃描裝 置，包括調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器、窄線寬激光器、聲光調(diào)制器、光混頻器、平衡探測(cè)器、低通濾波器、 掃描鏡、角度編碼器、編碼計(jì)數(shù)電路、距離計(jì)算模塊和三維數(shù)據(jù)處理模塊，其中：
[0007]調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器：根據(jù)線性頻率設(shè)置信號(hào)產(chǎn)生頻率為f的線性調(diào)頻信號(hào)并送至聲 光調(diào)制器；
[0008] 窄線寬激光器：輸出單頻窄線寬連續(xù)激光并送至聲光調(diào)制器；
[0009] 聲光調(diào)制器：利用線性調(diào)頻信號(hào)將單頻窄線寬連續(xù)激光調(diào)制成為頻率線性調(diào)制的 連續(xù)激光，所述的頻率線性調(diào)制的連續(xù)激光一部分作為參考光輸入到光混頻器，另一部分 作為信號(hào)光輸入到掃描鏡；
[0010] 光混頻器：完成信號(hào)光回波和參考光的相干，形成相干光信號(hào)并送至平衡探測(cè) 器；
[0011] 平衡探測(cè)器：將所述的相干光信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻的電信號(hào)并送至低通濾波器；
[0012] 低通濾波器：對(duì)所述的電信號(hào)進(jìn)行低通濾波，消除信號(hào)光回波和參考光的和頻，保 留信號(hào)光回波和參考光的差頻后作為回波干涉信號(hào)送至距離計(jì)算模塊；
[0013] 掃描鏡：置于轉(zhuǎn)臺(tái)之上，在轉(zhuǎn)臺(tái)的帶動(dòng)下進(jìn)行圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)自身進(jìn)行豎直方向 的掃描，將輸入的信號(hào)光反射到目標(biāo)上，同時(shí)將目標(biāo)反射的信號(hào)光回波反射輸入到光混頻 器；
[0014] 角度編碼器：安裝在掃描鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，將掃描鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)角度形成編碼脈沖并輸 入到編碼計(jì)數(shù)電路；
[0015] 編碼計(jì)數(shù)電路：對(duì)輸入的編碼脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值輸入到三維數(shù)據(jù)處理模 塊；
[0016] 距離計(jì)算模塊：在掃描鏡每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的過程中，對(duì)第一個(gè)有回波的掃描目標(biāo)點(diǎn)， 通過公式dl= (fsl7k/c+d0)/2計(jì)算得到第一個(gè)有回波的掃描目標(biāo)點(diǎn)的距離，通過公式
Η十算得到目標(biāo)表面掃描路徑上后續(xù)掃描 目標(biāo)點(diǎn)的距離，將d作為目標(biāo)表面掃描軌跡的視線距離送至三維數(shù)據(jù)處理模塊，其中k為聲 光調(diào)制器的調(diào)制速率，c為光速，d0為參考光從到聲光調(diào)制器產(chǎn)生到傳輸至光混頻器的光 傳輸距離，fV為后續(xù)掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信號(hào)光回波的頻率，tl為確定出第一個(gè)有回波的掃描目 標(biāo)點(diǎn)的時(shí)刻，t2為確定出后續(xù)掃描點(diǎn)的時(shí)刻；
[0017] 三維數(shù)據(jù)處理模塊：產(chǎn)生線性頻率設(shè)置信號(hào)并送至調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器；同步接收視 線距離和編碼器計(jì)數(shù)值，根據(jù)編碼器計(jì)數(shù)值計(jì)算出掃描鏡的掃描角度，最后用視線距離和 掃描角度轉(zhuǎn)換出目標(biāo)上掃描點(diǎn)的三維直角坐標(biāo)（X，y，Z)，其中X=dcosβcosa、y=d cosβsina、z=dsinβ，α為掃描鏡在豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，β為轉(zhuǎn)臺(tái)在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng) 的角度。
[0018] 所述的窄線寬激光器為波長(zhǎng)1550nm的單頻窄線寬激光器。所述的聲光調(diào)制器為 光纖耦合聲光調(diào)制器。所述的光混頻器為2X2的單模光纖耦合器。所述的平衡探測(cè)器為 雪崩光電二極管平衡探測(cè)器。所述的角度編碼器為光電編碼器。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0020] (1)本發(fā)明裝置采用光學(xué)相干頻率測(cè)量方法，通過對(duì)干涉信號(hào)頻率的分析能夠?qū)?時(shí)獲取目標(biāo)距離的變化，克服了脈沖飛行測(cè)量方法中對(duì)于激光脈沖往返的等待時(shí)間，從而 有效提升了模糊距離。采用聲光調(diào)制技術(shù)對(duì)激光發(fā)射頻率進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制頻率通常可以達(dá) 到幾百M(fèi)Hz，即光學(xué)干涉后的信號(hào)頻率達(dá)到幾百M(fèi)Hz，信號(hào)頻率分析結(jié)果的輸出速率可以達(dá) 到幾十MHz，即測(cè)點(diǎn)頻率可以達(dá)到幾十MHz，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的遠(yuǎn)距離脈沖飛行時(shí)間激光三維掃 描儀；
[0021] (2)本發(fā)明裝置將掃描周期和線性頻率調(diào)制帶寬進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過提升線性頻率 調(diào)制的帶寬，可以保持單位掃描角度內(nèi)線性頻率的變化率不變，在不增加激光功率和發(fā)射 頻率的情況下，可以在不同的掃描速度下實(shí)現(xiàn)相同的測(cè)點(diǎn)密度，不需要通過降低掃描速度 (犧牲測(cè)量時(shí)間）來提升點(diǎn)密度；
[0022] (3)本發(fā)明裝置采用連續(xù)調(diào)制相干探測(cè)，利用參考光對(duì)回波進(jìn)行放大，可以達(dá)到探 測(cè)器的散粒噪聲限，信號(hào)探測(cè)靈敏度可以達(dá)到10WW，遠(yuǎn)高于常規(guī)雪崩光電二極管10 %探 測(cè)靈敏度，百mW的光功率即可實(shí)現(xiàn)km距離的測(cè)量，滿足遠(yuǎn)距離高重頻激光三維成像要求。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明裝置的探測(cè)原理示意圖。
[0025] 圖中：1一調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器，2-窄線寬激光器，3-聲光調(diào)制器，4一光混頻器，5- 平衡探測(cè)器，6-低通濾波器，7-掃描鏡，8-角度編碼器，9一編碼計(jì)數(shù)電路，10-距離計(jì)算 模塊，11 一三維數(shù)據(jù)處理模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 如圖1所示，是本發(fā)明基于相干探測(cè)的遠(yuǎn)距離高重頻激光三維掃描裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖，由圖可見，本發(fā)明裝置主要包括調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器1、窄線寬激光器2、聲光調(diào)制器3、光 混頻器4、平衡探測(cè)器5、低通濾波器6、掃描鏡7、角度編碼器8、編碼計(jì)數(shù)電路9、距離計(jì)算 模塊10和三維數(shù)據(jù)處理模塊11，上述元部件的連接關(guān)系如下：
[0027] 三維數(shù)據(jù)處理模塊11產(chǎn)生線性頻率設(shè)置信號(hào)，輸出到所述的調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器1， 所述的調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器1根據(jù)設(shè)置頻率產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)，輸入到所述的聲光調(diào)制器3。 所述的窄線寬激光器2輸出單頻窄線寬連續(xù)激光，經(jīng)過所述的聲光調(diào)制器3后變成頻率線 性調(diào)制的連續(xù)激光，一部分作為參考光輸入到所述的光混頻器4, 一部分作為信號(hào)光輸入 到所述的掃描鏡7,所述的掃描鏡7將信號(hào)光反射輸出。信號(hào)光在目標(biāo)上的回波經(jīng)過所述 的掃描鏡7反射輸入到所述的光混頻器4,所述的光混頻器4完成回波信號(hào)光和參考光的 相干。所述的平衡探測(cè)器5將相干光信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻的電信號(hào)，經(jīng)所述的低通濾波器6消 除和頻，保留包含初始距離和距離變化速率信息的信號(hào)光和參考光的差頻。所述的距離計(jì) 算模塊10接收差頻信號(hào)，對(duì)每個(gè)掃描周期內(nèi)第一個(gè)有回波的掃描目標(biāo)點(diǎn)，通過比較回波干 涉信號(hào)的調(diào)制相位與原始調(diào)制信號(hào)的相位來獲得該點(diǎn)絕對(duì)距離，參考該點(diǎn)絕對(duì)距離對(duì)后面 掃描點(diǎn)的距離變化速率進(jìn)行積分，計(jì)算出目標(biāo)表面掃描軌跡的視線距離，將視線距離輸出 到所述的三維數(shù)據(jù)處理模塊11。所述的角度編碼器8安裝在掃描鏡7的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，將轉(zhuǎn) 動(dòng)產(chǎn)生的編碼脈沖輸入到所述的編碼計(jì)數(shù)電路9,所述的編碼計(jì)數(shù)電路9對(duì)編碼脈沖進(jìn)行 計(jì)數(shù)后將計(jì)數(shù)值輸入到所述的三維數(shù)據(jù)處理模塊11。三維數(shù)據(jù)處理模塊11同步接收視 線距離和編碼器計(jì)數(shù)，根據(jù)編碼器計(jì)數(shù)計(jì)算出掃描鏡7的俯仰掃描角度α和水平掃描角 度β，根據(jù)極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)變換公式，將角度α、β和視線距離d進(jìn)行坐標(biāo)變換：χ= dXcos(β)Xcos(a)、y=dXcos(β)Xsin(α)和z=dXsin(β)，可以獲得目標(biāo)表面 掃描路徑上任意點(diǎn)的三維直角坐標(biāo)X，y，ζ。
[0028] 所述的調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器1為調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器，輸出線性頻率調(diào)制信號(hào)，帶寬達(dá)到 百M(fèi)Hz。
[0029] 所述的窄線寬激光器2為波長(zhǎng)1550nm的單頻窄線寬光纖激光器，激光線寬10kHz， 輸出激光功率為l〇〇mW。
[0030] 所述的聲光調(diào)制器3為光纖耦合聲光調(diào)制器，頻率調(diào)制速率達(dá)到百M(fèi)Hz，透過率為 70%〇
[0031] 所述的光混頻器4為2X2的單模光纖耦合器，比例為99:1，實(shí)現(xiàn)信號(hào)光和參考光 的光學(xué)相干。
[0032] 所述的平衡探測(cè)器5為雪崩光電二極管（APD)平衡探測(cè)器，探測(cè)帶寬達(dá)到300MHz， 具有較高的探測(cè)靈敏度，能夠同時(shí)將兩路相位相反的光混頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過內(nèi) 部的平衡電路抵消直流本底，提高差分信號(hào)輸出的信噪比。
[0033] 所述的低通濾波器6為無源濾波器，濾除高頻信號(hào)，截止頻率為200MHz。
[0034] 所述的掃描鏡7為一維掃描鏡，掃描頻率達(dá)到30線/s，將激光