CN104266610A - 校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置 - Google Patents

Abstract

一种校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的方法及装置，利用三维激光仪器本身结构特点，在激光扫描仪扫描范围的死角处安装校正装置；校正装置相对于仪器本身是固定的，激光器发射的光波经转动的镜面反射后，镜子的每个运动周期都会让激光扫描校正装置一次，通过分析获取激光扫描校正装置时的数据与其他数据的不同识别校正装置。本发明具有灵敏度高、成本低廉、使用方便、结构可靠等优点。

Description

校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置

技术领域

本发明涉及激光扫描仪检校和标定方法及装置，特别是针对仪器本身由于安装形成的系统角度偏差进行方向校正方法及装置，实现自动化、高精度地检测仪器安装角度偏移量，可用于对地面式三维激光扫描仪、移动式激光扫描设备进行内部结构安装偏移角度的量测和校正。

背景技术

由于扫描仪的各个部件加工精度以及安装偏差等各种原因，扫描仪的各个部件安装后的空间位置与设计上的位置存在差异¹，为了获得理想的扫描效果，需要测试每个部件的实际安装位置与设计位置的偏移量，并将测试所得的偏移量改正到扫描数据中，最后获取设计的理想扫描结果。

为了克服这一难题，当前采用一种在检校实验室布设各种标靶的方法(参见文献：

1余祖俊，杨娅楠，朱力强，三维激光扫描测量系统标定方法研究，电子测量与仪器学报，Vol.21No.6)，将激光器(1)发射的激光通过旋转棱镜(3)改变激光方向时通过扫描检校实验室的各种标靶，通过光电探测器(8)和内置的编码器等获取到这些标靶的空间位置信息，然后利用高精度的全站仪精确测量出各个标靶的空间信息，并测量出扫描仪的中心点的空间位置信息，最后通过空间坐标系的旋转平移变换，将检校实验室布设标靶的两套空间位置信息进行一一对应，通过平差的方式求解出扫描仪系统内部的角度系统误差，这样就实现了扫描仪角度系统偏差信息的获取。

该方法是通过测量外置标靶的方式进行计算，利用传统的测绘平差计算原理，通过多点平差计算，技术比较成熟，实现难度较低。但是，该方法存在以下缺点：

(1)需要构建一个高精度的实验室，并且需要将大量的标靶进行精确布设并且准确定位，否则可能导致布设的标靶无法识别出来。

(2)此种方法需要进行大量的测试和实验，检校工作量很大，效率低。且仪器的检校必须在高标准实验室内进行。

发明内容

本发明的目的就是要弥补上述激光扫描仪内部系统偏差检校测试方法的不足，提供一种校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置，该装置具有实现原理简单，操作方便，检校效率高等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置，包括激光器、光分束器旋转棱镜、反射镜、漫反射片、光电探测器、电外差解调器、外差信号驱动放大器。

激光器发射的激光经过光分束器分为探测光和参考光，因为探测光发射和接收都要经过望远镜的耦合损失和目标的反射损失，会有较大的衰减，因此，分出的探测光应大于参考光。

探测光进入旋转棱镜，并跟随旋转棱镜的转动改变光线传播方向，当光线的方向恰好经过反射镜抵达安装的漫反射片时，旋转棱镜接收到漫反射片返回的回波信息并反射到仪器内部，反射光经电外差解调器输出外差电信号，经过外差信号驱动放大器放大后，反射光与参考光在光合束器合束，由光电探测器探测相干光信号，并将其转化为电信号，经过电外差解调器解调出检校装置反射信号的波形。

为了能够从获取的扫描数据中获取漫反射片的反射信息，必须从设计安装上保证漫反射片反射回的信息具有独立特性。

确定旋转棱镜的安装位置和漫反射的镜的安装位置，确保只有光线经过安装漫反射的位置及其邻域时，激光传播路径最短。设置漫反射片的反射率及其领域材质的反射率具有明显差异，保证从其领域的数据中，准确失败出反射片中心点的反射信息。

通过获取漫反射片的信息，及其通过设计定位的信息进行比较，就可以反算出仪器内部角度偏差，进而从数据上进行纠正，确定扫描仪空间坐标系的零位方向。然后计算所有扫描数据。

所述的激光器为单频光纤激光器。

所述的旋转棱镜为金属棱镜及玻璃棱镜。

所述的光分束器和光合束器均为光纤结构。

所述的光环形器和望远镜组合实现了单望远镜同时收发光信号。

所述的光电探测器为PIN光电二极管。

所述的各光学器件均采用光纤接口，之间的光路均由单模光纤构成。

本发明的技术效果如下：

1、本发明装置实现了通过在扫描内部安装检校装置的方法，实现了扫描仪器自检校。替代了需要构建高精度检校实验室并且需要测量扫描大量标靶坐标进行参数检校。

2、本装置方法简单，结构可靠。

附图说明

图1是本发明校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置的结构示意图，

其中1为光纤激光器，2为光分束器，3为旋转棱镜，4为反射镜，5为漫反射片，6为外差信号驱动放大器，7为光合束器，8为光电探测器，9为电外差解调器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置的结构示意图。由图可见，本发明校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置，包括激光器1、光分束器2、旋转棱镜3、反射镜4、漫反射片5、放大器6、光合束器7、光电探测器8、电外差解调器9。其位置关系是：激光器1发射的激光经过光分束器2分为探测光和参考光，探测光进入旋转棱镜3；旋转棱镜3的转动改变探测光的方向，探测光抵达外界物体表面后产生漫反射，经过外差信号驱动放大器6放大后，漫反射光与参考光在光合束器7合束，由光电探测器8探测相干光信号，并将其转化为电信号，经过电外差解调器9解调出物体反射信号的波形。其中探测光经旋转棱镜3改变方向抵达反射镜4时，探测光经反射镜折射抵达漫反射片5，经漫反射片5反射的探测光经过解算后的数据具有独特的特征：

1、所有获取的数据中只有经过漫反射片及其周围领域的数据具有距离最近特征，其他物体距离激光器中心的距离与漫反射片的距离具有明显的差异；

2、漫反射片上反射的光波信号是具有距离最短条件中，信号最强的。

根据上述两项特征，可以通过软件自动的识别出漫反射片返回的光波信号，然后根据漫反射片的设计位置与安装位置间的差异计算出扫描仪内部的系统误差，进而确定扫描仪空间坐标系的零位方向。

所述的激光器为单频光纤激光器，激光波长为1550nm，线宽<8kHz，功率100mW连续输出。

所述的光移频器为声光移频器，光波长为1550nm，频移量为55MHz。

所述的光分束器和光合束器均为光纤结构，光分束器分光比99：1(探测光：参考光)，光合束器合束比99：1(探测光：参考光)。

所述的光环形器和望远镜组合实现了单望远镜同时收发光信号，发射和接收光轴零夹角，光环形器端口2的输出光纤端面位于望远镜的焦平面处，望远镜焦距100mm，口径30mm。

所述的光电探测器为PIN光电二极管，为具有前置放大功能的InGaAs G9806系列。

所述的各光学器件均采用光纤接口，之间的光路均由1550nm的单模光纤构成，光纤接口均为FC/APC。

经试用表明，本发明激光扫描仪空间坐标系零位方向确定方法及装置，可以替代现有需要在精密检校实验室测量大量标靶坐标点进行零位初始方向确定的缺点，实现了快速自动化确定扫描仪内部空间坐标系零位方向，并且具有速度快、方法简单、结构可靠、调节容易的优点。

Claims (7)

1.一种校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置，特征在于该装置包括激光器(1)、光分束器(2)、旋转棱镜(3)、反射镜(4)、漫反射片(5)、外差信号驱动放大器(6)、光合束器(7)、光电探测器(8)和电外差解调器(9)，其位置关系是：激光器(1)发射的激光经过光分束器(2)分为探测光和参考光，探测光到达旋转棱镜(3)镜面；旋转棱镜(3)将光线发生90°的折转，并随着旋转棱镜的运动形成一个扫描平面，旋转面的扫描线经过反射镜(4)时，光线经反射镜(4)折转抵达漫反射片(5)，然后旋转棱镜(3)将漫反射片(5)反射的回波信息反射到仪器内部，经过外差信号驱动放大器(6)放大后，反射光与参考光在光合束器(7)合束，由光电探测器(8)探测相干光信号，并将其转化为电信号，经过电外差解调器(9)解调出检校装置反射信号的波形。

2.根据权利要求1所述的校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置，其特征在于所述的激光器为单频光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置，其特征在于所述的旋转棱镜为金属棱镜及玻璃棱镜。

4.根据权利要求1所述的校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置，其特征在于所述的光分束器和光合束器均为光纤结构。

5.根据权利要求1所述的校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置，其特征在于所述的光环形器和望远镜组合实现了单望远镜同时收发光信号。

6.根据权利要求1所述的校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的装置，其特征在于所述的光电探测器为PIN光电二极管。

7.根据权利要求1所述的校正和标定三维激光扫描仪内部电机空间位置的方法及装置，其特征在于所述的各光学器件均采用光纤接口，之间的光路均由单模光纤连接。