CN105425245A - 一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置，包括调频信号发生器(1)、窄线宽激光器(2)、声光调制器(3)、光混频器(4)、平衡探测器(5)、低通滤波器(6)、扫描镜(7)、角度编码器(8)、编码计数电路(9)、距离计算模块(10)和三维数据处理模块(11)。本发明通过对激光频率进行线性调制，接收的激光回波与参考光相干并经光电转换后获得回波光与参考光的差频信号，在每圈的扫描中，对第一个有回波的扫描目标点可以通过差频来计算该点绝对距离，参考该绝对距离对后面扫描点的距离变化速率进行积分，可计算出目标表面扫描轨迹的视线距离及坐标。本发明采用频率测量准确解算出目标的距离变化，测量重复频率不受模糊距离限制。

Description

一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置

技术领域

本发明涉及一种激光三维成像装置，能够实现不受测距模糊距离限制的远距离高重频激光三维成像。

背景技术

在激光雷达和激光三维扫描仪领域，目前常用的激光测距方式主要有相位测量法和基于飞行时间的脉冲直接测距法。

相位测量主要是通过比对目标回波和参考信号的相位差来实现距离测量，通常距离范围在100m。脉冲飞行时间测距方法采用峰值功率较高的激光窄脉冲，能够实现km以上的测距和扫描，但是，因为受激光脉冲飞行的往返时间限制，距离限制了测量的重频。以测量距离1500m为例，激光飞行时间需要10μs，这就限制了测量重复频率不能超过100kHz。虽然采用编码、多波长等技术可以提升模糊距离，从而达到提高测量重复频率的效果，但是测量频率仍然受模糊距离的限制，且通常只能够提升几倍的频率，难以实现更高的测量重复频率。另外，随着激光重频的提升，激光脉冲峰值功率会相应降低，难以满足远距离测量要求。

目前，市场上基于脉冲飞行时间激光测距技术的激光三维扫描仪测量范围达到km级的，测量重复频率通常在100kHz，测量灵敏度和模糊距离限制了激光三维扫描仪对于远距离目标扫描的数据获取率，对于扫描速度有要求的情况下，扫描的频率会进一步提高，目标的点分辨率会进一步降低。因此，为了实现远距离高重频激光三维扫描，需要一种能同时提升探测灵敏度和克服模糊距离限制的测距技术。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对目前远距离激光三维扫描仪测量重频低的问题，提供了一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置，该装置能够同时具有高灵敏度和高测量重频特性，可以实现不受模糊距离限制的远距离高重频激光三维成像。

本发明的技术解决方案是：一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置，包括调频信号发生器、窄线宽激光器、声光调制器、光混频器、平衡探测器、低通滤波器、扫描镜、角度编码器、编码计数电路、距离计算模块和三维数据处理模块，其中：

调频信号发生器：根据线性频率设置信号产生频率为f的线性调频信号并送至声光调制器；

窄线宽激光器：输出单频窄线宽连续激光并送至声光调制器；

声光调制器：利用线性调频信号将单频窄线宽连续激光调制成为频率线性调制的连续激光，所述的频率线性调制的连续激光一部分作为参考光输入到光混频器，另一部分作为信号光输入到扫描镜；

光混频器：完成信号光回波和参考光的相干，形成相干光信号并送至平衡探测器；

平衡探测器：将所述的相干光信号转换为同频的电信号并送至低通滤波器；

低通滤波器：对所述的电信号进行低通滤波，消除信号光回波和参考光的和频，保留信号光回波和参考光的差频f_s-r后作为回波干涉信号送至距离计算模块；

扫描镜：置于转台之上，在转台的带动下进行圆周转动，同时自身进行竖直方向的扫描，将输入的信号光反射到目标上，同时将目标反射的信号光回波反射输入到光混频器；

角度编码器：安装在扫描镜的转动轴上，将扫描镜的转动角度形成编码脉冲并输入到编码计数电路；

编码计数电路：对输入的编码脉冲进行计数，并将计数值输入到三维数据处理模块；

距离计算模块：在扫描镜每转动一圈的过程中，对第一个有回波的扫描目标点，通过公式d1＝(f_s-r/k/c+d0)/2计算得到第一个有回波的扫描目标点的距离，通过公式 $d=d1+{\∫}_{t1}^{t2}vdt=d1+{\∫}_{t1}^{t2}\[(fv-f)*c/2/f\]dt$ 计算得到目标表面扫描路径上后续扫描目标点的距离，将d作为目标表面扫描轨迹的视线距离送至三维数据处理模块，其中k为声光调制器的调制速率，c为光速，d0为参考光从到声光调制器产生到传输至光混频器的光传输距离，fv为后续扫描点对应的信号光回波的频率，t1为确定出第一个有回波的扫描目标点的时刻，t2为确定出后续扫描点的时刻；

三维数据处理模块：产生线性频率设置信号并送至调频信号发生器；同步接收视线距离和编码器计数值，根据编码器计数值计算出扫描镜的扫描角度，最后用视线距离和扫描角度转换出目标上扫描点的三维直角坐标(x，y，z)，其中x＝dcosβcosα、y＝dcosβsinα、z＝dsinβ，α为扫描镜在竖直方向转动的角度，β为转台在水平方向转动的角度。

所述的窄线宽激光器为波长1550nm的单频窄线宽激光器。所述的声光调制器为光纤耦合声光调制器。所述的光混频器为2×2的单模光纤耦合器。所述的平衡探测器为雪崩光电二极管平衡探测器。所述的角度编码器为光电编码器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明装置采用光学相干频率测量方法，通过对干涉信号频率的分析能够实时获取目标距离的变化，克服了脉冲飞行测量方法中对于激光脉冲往返的等待时间，从而有效提升了模糊距离。采用声光调制技术对激光发射频率进行调制，调制频率通常可以达到几百MHz，即光学干涉后的信号频率达到几百MHz，信号频率分析结果的输出速率可以达到几十MHz，即测点频率可以达到几十MHz，远高于现有的远距离脉冲飞行时间激光三维扫描仪；

(2)本发明装置将扫描周期和线性频率调制带宽进行关联，通过提升线性频率调制的带宽，可以保持单位扫描角度内线性频率的变化率不变，在不增加激光功率和发射频率的情况下，可以在不同的扫描速度下实现相同的测点密度，不需要通过降低扫描速度(牺牲测量时间)来提升点密度；

(3)本发明装置采用连续调制相干探测，利用参考光对回波进行放大，可以达到探测器的散粒噪声限，信号探测灵敏度可以达到10^-10W，远高于常规雪崩光电二极管10^-8W探测灵敏度，百mW的光功率即可实现km距离的测量，满足远距离高重频激光三维成像要求。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的探测原理示意图。

图中：1—调频信号发生器，2—窄线宽激光器，3—声光调制器，4—光混频器，5—平衡探测器，6—低通滤波器，7—扫描镜，8—角度编码器，9—编码计数电路，10—距离计算模块，11—三维数据处理模块。

具体实施方式

如图1所示，是本发明基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置的结构示意图，由图可见，本发明装置主要包括调频信号发生器1、窄线宽激光器2、声光调制器3、光混频器4、平衡探测器5、低通滤波器6、扫描镜7、角度编码器8、编码计数电路9、距离计算模块10和三维数据处理模块11，上述元部件的连接关系如下：

三维数据处理模块11产生线性频率设置信号，输出到所述的调频信号发生器1，所述的调频信号发生器1根据设置频率产生线性调频信号，输入到所述的声光调制器3。所述的窄线宽激光器2输出单频窄线宽连续激光，经过所述的声光调制器3后变成频率线性调制的连续激光，一部分作为参考光输入到所述的光混频器4，一部分作为信号光输入到所述的扫描镜7，所述的扫描镜7将信号光反射输出。信号光在目标上的回波经过所述的扫描镜7反射输入到所述的光混频器4，所述的光混频器4完成回波信号光和参考光的相干。所述的平衡探测器5将相干光信号转换为同频的电信号，经所述的低通滤波器6消除和频，保留包含初始距离和距离变化速率信息的信号光和参考光的差频。所述的距离计算模块10接收差频信号，对每个扫描周期内第一个有回波的扫描目标点，通过比较回波干涉信号的调制相位与原始调制信号的相位来获得该点绝对距离，参考该点绝对距离对后面扫描点的距离变化速率进行积分，计算出目标表面扫描轨迹的视线距离，将视线距离输出到所述的三维数据处理模块11。所述的角度编码器8安装在扫描镜7的转动轴上，将转动产生的编码脉冲输入到所述的编码计数电路9，所述的编码计数电路9对编码脉冲进行计数后将计数值输入到所述的三维数据处理模块11。三维数据处理模块11同步接收视线距离和编码器计数，根据编码器计数计算出扫描镜7的俯仰扫描角度α和水平扫描角度β，根据极坐标到直角坐标变换公式，将角度α、β和视线距离d进行坐标变换：x＝d×cos(β)×cos(α)、y＝d×cos(β)×sin(α)和z＝d×sin(β)，可以获得目标表面扫描路径上任意点的三维直角坐标x，y，z。

所述的调频信号发生器1为调频信号发生器，输出线性频率调制信号，带宽达到百MHz。

所述的窄线宽激光器2为波长1550nm的单频窄线宽光纤激光器，激光线宽10kHz，输出激光功率为100mW。

所述的声光调制器3为光纤耦合声光调制器，频率调制速率达到百MHz，透过率为70％。

所述的光混频器4为2×2的单模光纤耦合器，比例为99:1，实现信号光和参考光的光学相干。

所述的平衡探测器5为雪崩光电二极管(APD)平衡探测器，探测带宽达到300MHz，具有较高的探测灵敏度，能够同时将两路相位相反的光混频信号转换为电信号，并通过内部的平衡电路抵消直流本底，提高差分信号输出的信噪比。

所述的低通滤波器6为无源滤波器，滤除高频信号，截止频率为200MHz。

所述的扫描镜7为一维扫描镜，扫描频率达到30线/s，将激光沿垂直运动方向扫描。装置底部有转台可以使整个装置进行水平扫描，激光测量距离实现对目标的第三维测量。

所述的角度编码器8为光电编码器，角度分辨率2角秒。

所述的编码计数电路9为差分计数电路，通过上升沿和下降沿实现编码计数，最大计数率100MHz。

所述的距离计算模块10通过计算第一个扫描点回波干涉信号与原始调制信号的差频来获得该点的绝对距离，通过计算后续扫描点回波干涉信号与原始调制信号的差频来获得后续扫描点的距离变化速率，参考该点绝对距离对后面扫描点的距离变化速率进行积分，计算出目标表面扫描轨迹的视线距离。

所述的三维数据处理模块11同步采集编码器计数和距离数据，根据编码器分辨率计算出角度，将角度和距离数据转换到直角坐标系后，获得目标表面扫描轨迹的三维直角坐标。

如图2所示，本发明装置中，发射的激光为单频窄线宽连续激光，在一个机械扫描周期内通过声光调制器3对发射激光的频率f进行线性调制：f＝k*(t-t0)+f0，t0为初始时刻，f0为初始激光频率，k为调制速率。发射的激光分为信号光和参考光，参考光经过内部折转光路到达光混频器4，内部折转光路的长度为d0，信号光发射出去。接收的激光回波达到光混频器4与参考光干涉并经过光电转换后，输出信号的频率包括两个信号的差频f_s-r。当目标距离不变时，两个信号的差频f_s-r与目标距离d有如下关系：f_s-r＝k*c*(2*d-d0)，c为光速，可以通过测量回波光与参考光干涉信号的差频率f_s-r来计算出目标距离d。

在对目标进行扫描的过程中，目标表面到扫描装置的视线距离会产生连续变化，该距离变化的速率v会投影成目标相对激光视线的速度，该速度会引入多普勒频移Δf＝fv-f，f是发射激光的频率，fv是回波激光的频率，多普勒频移和目标运动速度的关系式为：Δf＝2*v*f/c。激光回波在与参考光干涉并经过光电转换后，该频率fv会传递到电信号上。测量电信号输出频率fv，就可以计算出目标距离变化率v＝(fv-f)*c/2/f。根据这一原理，可以通过对激光回波干涉信号fv和原始调制信号的频率f比较来获得目标表面到扫描仪的视线距离变化速率v。

在每圈的扫描中，对第一个有回波的扫描目标点(距离d1，时刻t1)，可以通过探测器输出信号的频率f_s-r来计算出目标距离d1＝(f_s-r/k/c+d0)/2，参考该点绝对距离d1对后面扫描点的距离变化速率v进行积分，可以计算出任意时刻t2时目标表面扫描轨迹的视线距离d。关系如下：

$d=d1+{\∫}_{t1}^{t2}vdt=d1+{\∫}_{t1}^{t2}\[(fv-f)*c/2/f\]dt$

图2中，第一行为窄线宽激光器2产生的连续激光信号经过线性频率调制的声光调制器3后，输出的激光频率在一个扫描周期内被线性调制，横坐标为时间，纵坐标为激光频率。第二行为激光扫描路径上目标表面的视线距离，横坐标为扫描位置，纵坐标为视线距离。第三行为光混频器4接收的激光回波信号的频率，初始的回波信号由于距离原因存在时间延迟，后续的回波由于扫描视线距离变化，激光回波信号的频率也相应增加和减小。第四行是平衡探测器5将光混频器4输出的光信号转换为电信号，经过低通滤波器6滤除和频后的差频信号，横坐标是与扫描位置对应的扫描时间，纵坐标是回波信号与参考信号的差频，可以看出当距离不变时，差频与距离有关，当距离变化时，差频与目标表面距离的变化率成线性关系。第五行是根据初始的差频计算出初始距离，后续的差频计算出距离变化率，在进行积分后获得后续目标表面视线距离，可以还原出原始目标扫描路径的视线距离，再和扫描角度同步进行坐标变换，可以测量出目标表面扫描路径上任意点的三维直角坐标。

本装置的工作过程是：

①将本发明装置安装在地面固定三脚架上，所述的扫描镜7将激光进行竖直一维扫描，装置底部有转台可以使整个装置进行水平扫描，激光测量距离实现对目标的第三维测量；

②启动本发明装置，在所述扫描镜7进行一个扫描周期内，所述的窄线宽激光器2发射连续激光信号，经所述的声光调制器3变成线性频率调制的连续激光信号，所述的光混频器4完成回波信号和参考信号的相干，所述的平衡探测器5完成光电转换，所述的距离计算模块10根据频率差计算出距离；

③所述的角度编码器8和编码计数电路9测量扫描镜7转动过程中的累加计数，计算出扫描镜7转动的角度。所述的三维数据处理模块11同步接收角度α、β和距离d，将角度α、β和视线距离d进行坐标变换：x＝d×cos(β)×cos(α)、y＝d×cos(β)×sin(α)和z＝d×sin(β)，可以获得目标表面扫描路径上任意点的三维直角坐标(x，y，z)。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置，其特征在于：包括调频信号发生器(1)、窄线宽激光器(2)、声光调制器(3)、光混频器(4)、平衡探测器(5)、低通滤波器(6)、扫描镜(7)、角度编码器(8)、编码计数电路(9)、距离计算模块(10)和三维数据处理模块(11)，其中：

调频信号发生器(1)：根据线性频率设置信号产生频率为f的线性调频信号并送至声光调制器(3)；

窄线宽激光器(2)：输出单频窄线宽连续激光并送至声光调制器(3)；

声光调制器(3)：利用线性调频信号将单频窄线宽连续激光调制成为频率线性调制的连续激光，所述的频率线性调制的连续激光一部分作为参考光输入到光混频器(4)，另一部分作为信号光输入到扫描镜(7)；

光混频器(4)：完成信号光回波和参考光的相干，形成相干光信号并送至平衡探测器(5)；

平衡探测器(5)：将所述的相干光信号转换为同频的电信号并送至低通滤波器(6)；

低通滤波器(6)：对所述的电信号进行低通滤波，消除信号光回波和参考光的和频，保留信号光回波和参考光的差频f_s-r后作为回波干涉信号送至距离计算模块(10)；

扫描镜(7)：置于转台之上，在转台的带动下进行圆周转动，同时自身进行竖直方向的扫描，将输入的信号光反射到目标上，同时将目标反射的信号光回波反射输入到光混频器(4)；

角度编码器(8)：安装在扫描镜(7)的转动轴上，将扫描镜(7)的转动角度形成编码脉冲并输入到编码计数电路(9)；

编码计数电路(9)：对输入的编码脉冲进行计数，并将计数值输入到三维数据处理模块(11)；

距离计算模块(10)：在扫描镜(7)每转动一圈的过程中，对第一个有回波的扫描目标点，通过公式d1＝(f_s-r/k/c+d0)/2计算得到第一个有回波的扫描目标点的距离，通过公式 $d=d1+{\∫}_{t1}^{t2}vdt=d1+{\∫}_{t1}^{t2}\[(fv-f)*c/2/f\]dt$ 计算得到目标表面扫描路径上后续扫描目标点的距离，将d作为目标表面扫描轨迹的视线距离送至三维数据处理模块(11)，其中k为声光调制器(3)的调制速率，c为光速，d0为参考光从到声光调制器(3)产生到传输至光混频器(4)的光传输距离，fv为后续扫描点对应的信号光回波的频率，t1为确定出第一个有回波的扫描目标点的时刻，t2为确定出后续扫描点的时刻；

三维数据处理模块(11)：产生线性频率设置信号并送至调频信号发生器(1)；同步接收视线距离和编码器计数值，根据编码器计数值计算出扫描镜(7)的扫描角度，最后用视线距离和扫描角度转换出目标上扫描点的三维直角坐标(x，y，z)，其中x＝dcosβcosα、y＝dcosβsinα、z＝dsinβ，α为扫描镜(7)在竖直方向转动的角度，β为转台在水平方向转动的角度。

2.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置，其特征在于：所述的窄线宽激光器(2)为波长1550nm的单频窄线宽激光器。

3.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置，其特征在于：所述的声光调制器(3)为光纤耦合声光调制器。

4.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置，其特征在于：所述的光混频器(4)为2×2的单模光纤耦合器。

5.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置，其特征在于：所述的平衡探测器(5)为雪崩光电二极管平衡探测器。

6.根据权利要求1所述的一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置，其特征在于：所述的角度编码器(8)为光电编码器。