CN104020474B - 一种激光三维成像光学收发系统 - Google Patents

一种激光三维成像光学收发系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光三维成像的光学收发系统，该系统将圆形激光束整形成狭窄的带状，并采用高速旋转的编码盘将条形激光束分成若干段编码。投影镜头将经过编码的光束发射出去。接收端利用光纤传像束将这若干段中对应像点的目标反射光合并，并由面阵光电传感器来接收，从而实现每个传感器探测单元测量多个像点的高程数据。本专利方法新颖，能够实现大视场条件下的高效高速的三维测量。

Description

一种激光三维成像光学收发系统
技术领域
本发明属于激光三维成像技术领域，具体涉及一种基于激光编码复用技术实现推扫式三维测量的成像激光雷达。
背景技术
三维成像激光雷达技术适用于数字城市三维构建，自然灾害救援，数字地球等大范围区域高速成像的场合。三维成像激光雷达技术采用主动发射激光照射目标的方式，利用光电探测器接收目标反射的回波信号，提取包括高程信息在内的目标三维信息，并对目标进行三维图形的重建。是目前唯一能够同时直接获取目标三维图像的技术，具有很高的军事和民用应用价值。但是，传统的激光成像技术采用点扫描体制，通过二维扫描(行扫+帧扫)获取图像，致使其成像帧频较低，目前所报道的最高指标为20Hz，成像视场角一般小于1°；另外，由于扫描器的应用，不仅增大了系统的体积，还降低了系统的可靠性和工作稳定性。这些缺点限制了点扫描体制激光成像技术的应用。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种激光三维成像光学收发系统，基于激光编码复用技术实现推扫式三维测量，能够实现每个光电接收单元可以测量多个像点的距离信息。
技术方案：一种激光三维成像光学收发系统，所述三维成像光学收发系统包括发射光学部分和探测成像光学部分；其中：
所述发射光学部分包括脉冲激光器、扩束镜、柱面透镜、激光编码机构以及发射镜头；所述脉冲激光器用于产生激光脉冲，所述扩束镜、柱面透镜以及发射镜头同轴设置，所述激光编码机构设置在柱面透镜的焦平面上；
所述扩束镜用于对所述激光脉冲进行扩束后产生圆形光束；
所述柱面透镜用于对扩束镜产生的圆形光束进行会聚，并在柱面透镜的焦平面上形成条形激光束；
所述激光编码机构用于对所述条形激光束进行编码；
所述发射镜头用于将编码后的条形激光束投影到目标区域表面；
所述探测成像光学部分包括接收镜头、光纤传像束、耦合镜头以及面阵光电传感器；所述光纤传像束由若干根光纤构成，所有光纤入射端以一字型排开，每根光纤之间的距离固定设置，构成线阵光纤传感端面并与所述接收镜头同轴设置；所有光纤的输出端以矩阵方式排列构成输出面并与所述耦合镜头以及面阵光电传感器同轴设置；
所述接收镜头用于接收目标区域反射后的回波信号，并成像于所述光纤传像束的线阵光纤传感端面上；
所述光纤传像束用于将线阵光纤传感端面接收的各码段内相同序号的光通过光纤组合成一束光出射，实现光束的分组合并；
所述耦合镜头用于将光纤传像束的输出端面按照比例缩小并成像于所述面阵光电传感器的表面，实现光束的耦合；
所述面阵光电传感器用于接收激光回波信号并转换成电信号，实现回波信号的光电转换。
进一步的，所述脉冲激光器产生的激光脉冲的波长为532nm，脉冲宽度为1-20ns，工作频率为3-20KHz。
进一步的，所述系统还包括光电探测器，用来测定所述激光脉冲的产生时刻。
进一步的，所述光电探测器采用PIN光电二极管。
进一步的，所述扩束镜的扩束倍数为5-10倍。
进一步的，所述柱面透镜的焦距为150mm，并镀有532nm增透膜。
进一步的，所述激光编码机构为编码盘。
进一步的，所述耦合镜头由两焦距不同的平凸透镜同轴设置构成。
进一步的，所述面阵光电传感器由雪崩光电二极管构成。
有益效果：本系统实现线阵照明，使得该推扫方式的激光三维成像技术能够实现大视场高速高分辨率的三维成像。发射光学部分射出的条形激光束经过编码盘编码后投影到目标区域，目标区域的反射回波被探测成像光学部分接收；像点距离信息则根据回波信号的接收时刻与光电探测器测得到的发射激光脉冲时刻之间的时间差计算得到。通过对激光进行整形编码接收实现每个光电接收单元可以测量多个像点的距离信息，大大提高成像的效率；发射光学部分射出的条形激光束实现推扫式三维测量，大大提高成像的速率。
附图说明
图1是三维成像激光雷达光学收发系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1，一种激光三维成像光学收发系统包括发射光学部分和探测成像光学部分。其中，发射光学部分包括脉冲激光器1001、反射镜1002、扩束镜1003、光电探测器1004、第二反射镜1005、柱面透镜1006、激光编码机构1008以及发射镜头1009。脉冲激光器1002用于产生激光脉冲，这里采用半导体泵浦固体激光器，该激光器体积和功耗都较小且维护方便。脉冲激光器1002发出的激光脉冲的波长为532nm，脉冲宽度为1-20ns，工作频率为3-20KHz。扩束镜1003、柱面透镜1006以及发射镜头1009同轴设置，激光编码机构设置在柱面透镜1006的焦平面上。
发射出的激光脉冲经过反射镜1002进入扩束镜1003，扩束镜的目的是将直径只有0.6mm的激光光束扩束为直径为30mm的激光光束，从而方便利用柱面镜将其整形成为一长度为30mm的狭窄条形激光束。
扩束镜1003由一凹透镜和一凸透镜组成，凹透镜作为入射光学窗口，凸透镜作为出射光学窗口。本实施例中设有扩束倍数分别为5倍和10倍的两个扩束镜，两个扩束镜首尾相接设置。
直径为30mm的激光光束再经过柱面透镜1006在焦平面上形成一长度为30mm极其狭窄的条形激光束，该柱面镜为平凸透镜，焦距为150mm。
这里激光编码机构1008采用编码盘，在编码盘的径向方向上刻蚀有一些通孔，有通孔的区段被编为‘1’码，没有通孔的区段被编为‘0’码。
发射镜头1009将编码后的激光光束投影到远处的目标区域表面。这里采用的发射镜头为来自Schneider公司，焦距为210mm的投影镜头。
光电探测器1004通过第二反射镜1005探测到脉冲激光器1001发出激光束的时刻。
探测成像光学部分包括接收镜头1010、光纤传像束1011、耦合镜头1012以及面阵光电传感器1013。光纤传像束1011由若干根光纤构成，所有光纤入射端以一字型排开，每根光纤之间的距离固定设置，构成线阵光纤传感端面并与接收镜头1010同轴设置；所有光纤的输出端以矩阵方式排列构成输出面并与耦合镜头1012以及面阵光电传感器1013同轴设置。光纤传像束1011用于将线阵光纤传感端面接收的各码段内相同序号的光通过光纤组合成一束光出射，实现光束的分组合并。
接收镜头1010将目标区域反射波成像在光纤传像束1011的线阵端面，接收镜头和发射镜头型号和参数均相同。
耦合透镜组1012将光纤传像束的输出端面按照比例缩小成像于面阵光电传感器表面，其由两焦距不同平凸透镜组成，可实现固定倍数的图像缩小，这样可实现光束的良好耦合。
面阵光电传感器1013用于接收激光回波信号，并将其转换成电信号交由后续电路处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光三维成像光学收发系统，其特征在于：所述三维成像光学收发系统包括发射光学部分和探测成像光学部分，其中：
所述发射光学部分包括脉冲激光器(1001)、扩束镜(1003)、柱面透镜(1006)、激光编码机构(1008)以及发射镜头(1009)；所述脉冲激光器(1001)用于产生激光脉冲，所述扩束镜(1003)、柱面透镜(1006)以及发射镜头(1009)同轴设置，所述激光编码机构(1008)设置在柱面透镜(1006)的焦平面上；
所述扩束镜(1003)用于对所述激光脉冲进行扩束后产生圆形光束；
所述柱面透镜(1006)用于对扩束镜(1003)产生的圆形光束进行会聚，并在柱面透镜的焦平面上形成条形激光束；
所述激光编码机构(1008)用于对所述条形激光束进行编码；
所述发射镜头(1009)用于将编码后的条形激光束投影到目标区域表面；
所述探测成像光学部分包括接收镜头(1010)、光纤传像束(1011)、耦合镜头(1012)以及面阵光电传感器(1013)；所述光纤传像束(1011)由若干根光纤构成，所有光纤入射端以一字型排开，每根光纤之间的距离固定设置，构成线阵光纤传感端面并与所述接收镜头(1010)同轴设置；所有光纤的输出端以矩阵方式排列构成输出面并与所述耦合镜头(1012)以及面阵光电传感器(1013)同轴设置；
所述接收镜头(1010)用于接收目标区域反射后的回波信号，并成像于所述光纤传像束(1011)的线阵光纤传感端面上；
所述光纤传像束(1011)用于将线阵光纤传感端面接收的各码段内相同序号的光通过光纤组合成一束光出射，实现光束的分组合并；
所述耦合镜头(1012)用于将光纤传像束(1011)的输出端面按照比例缩小并成像于所述面阵光电传感器(1013)的表面，实现光束的耦合；
所述面阵光电传感器(1013)用于接收激光回波信号并转换成电信号，实现回波信号的光电转换。
2.根据权利要求1所述的一种激光三维成像光学收发系统，其特征在于：所述脉冲激光器(1001)产生的激光脉冲的波长为532nm，脉冲宽度为1-20ns，工作频率为3-20KHz。
3.根据权利要求1所述的一种激光三维成像光学收发系统，其特征在于：所述系统还包括光电探测器(1004)，用来测定所述激光脉冲的产生时刻。
4.根据权利要求3所述的一种激光三维成像光学收发系统，其特征在于：所述光电探测器(1004)采用PIN光电二极管。
5.根据权利要求1所述的一种激光三维成像光学收发系统，其特征在于：所述扩束镜(1003)的扩束倍数为5-10倍。
6.根据权利要求1所述的一种激光三维成像光学收发系统，其特征在于：所述柱面透镜(1006)的焦距为150mm，并镀有532nm增透膜。
7.根据权利要求1所述的一种激光三维成像光学收发系统，其特征在于：所述激光编码机构(1008)为编码盘。
8.根据权利要求1所述的一种激光三维成像光学收发系统，其特征在于：所述耦合镜头(1012)由两焦距不同的平凸透镜同轴设置构成。
9.根据权利要求1所述的一种激光三维成像光学收发系统，其特征在于：所述面阵光电传感器(1013)由雪崩光电二极管构成。
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