CN104655048A - 一种高速激光三维扫描系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速激光三维扫描系统，包括激光器、激光准直单元、激光整形单元、激光转向单元、垂直扫描单元、水平扫描单元、回波接收会聚与滤波单元、n路阵列光电探测单元、n路信号同步处理与传输单元以及上位机数据存储与计算单元，所述激光器、激光准直单元、激光整形单元、激光转向单元、垂直扫描单元依次设置在水平扫描单元上，所述回波接收会聚与滤波单元、n路阵列光电探测单元、n路信号同步处理与传输单元、上位机数据存储与计算单元依次连接。与现有技术相比，本发明提高了激光扫描的效率，使激光三维扫描系统更适用于对操作时间有严格要求的实际工程应用，能起到降低成本和稳定性能的作用。

Description

一种高速激光三维扫描系统
技术领域
本发明涉及激光三维扫描技术领域，尤其是涉及一种高速激光三维扫描系统，利用光学的发射与接收优化提高扫描速度。
背景技术
激光三维扫描技术，通常采用单元光电感测器接收回波信号获取测距数据，并结合垂直与水平方向的二维扫描角度数据，重建被测目标的三维点云。目前最快的扫描仪的扫描一副360度的全景图像需要花费的时间最快能够达到1分钟内，但是这种时间下扫描采集到的图像的分辨率太低无法满足实际的测量测绘需求，为此外业操作人员会在此图像的基础上进一步选取感兴趣的区域进行精确的高分辨率采集。这种工作方式实际上已经延长了操作时间，降低了数据采集的效率。而在实际工程作业过程中，为保证生产进度，或者受实际作业条件的限制，无法在时间上保证三维激光扫描仪完成数据采集的任务。因此，提高三维激光扫描仪的数据采集工作效率与数据质量是将该产品应用于现场的关键。如中国专利CN102506711A公开一种线激光视觉三维旋转扫描方法，该方法采用用线激光扫描方式，提高扫描效率和实时性，但该方法较为复杂，对设备要求较高，从而提高了成本。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的实际工程应用中三维点云数据采集效率低的问题而提供一种有效提高激光三维扫描速度的高速激光三维扫描系统，实现全视场、高频激光三维数据采集。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高速激光三维扫描系统，包括激光器、激光准直单元、激光整形单元、激光转向单元、垂直扫描单元、水平扫描单元、回波接收会聚与滤波单元、n路阵列光电探测单元、n路信号同步处理与传输单元以及上位机数据存储与计算单元，所述激光器、激光准直单元、激光整形单元、激光转向单元、垂直扫描单元依次设置在水平扫描单元上，所述回波接收会聚与滤波单元、n路阵列光电探测单元、n路信号同步处理与传输单元、上位机数据存储与计算单元依次连接；
激光器发出的圆形高斯光经激光准直单元和激光整形单元后形成线状光，该线状光经由激光转向单元和垂直扫描单元射向目标，同时水平扫描单元水平旋转，回波接收会聚与滤波单元采集返回的回波信号并将其聚焦在n路阵列光电探测单元上，经由n路信号同步处理与传输单元将n路回波的独立时间信号进行处理并与二维角度信息打包传输到上位机数据存储与计算单元上，获取目标的三维点云数据。
所述激光整形单元包括柱面镜或透射光栅。
所述激光转向单元包括反射镜。
所述垂直扫描单元包括相连接的平面镜和旋转轴为水平方向的电机。
所述水平扫描单元为旋转轴为垂直方向的底座。
所述回波接收会聚与滤波单元包括依次设置的会聚透镜和滤波片。
所述n路阵列光电探测单元由n个光电探测器组成，该n路阵列光电探测单元的几何位置与水平扫描方向平行。
所述n路信号处理由n个独立的光电探测信号处理单元组成，各光电探测信号处理单元分别连接一个光电探测器。
与现有技术相比，本发明使用含n个光电探测器组成的光电探测阵列在激光器发出一个脉冲时，能够同时接收到n个回波信号，具有以下优点：
(1)在具有严格时间限制的工程应用条件下，该发明既能够保证高密度的点云数据，又能够在短时间内完成数据采集工作，从而使三维点云的采集做到高速高效，节约整体作业时间；
(2)如果要采集同样密度的三维点云数据，该发明可以使用更低重频的激光器，或者降低电机扫描的速度，从而达到产品开发成本的目的；
(3)该发明能够在相同技术参数下降低设备整体动平衡要求，从而降低机械设计的难度和成本，起到稳定性能的作用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明整形与准直单元的示意图；
图3为本发明回波接收会聚与滤波单元的示意图。
图中，1、激光器，2、激光准直单元，3、激光整形单元，4、激光转向单元，5、垂直扫描单元，6、水平扫描单元，7、回波接收会聚与滤波单元，8、n路阵列光电探测单元，9、n路信号同步处理与传输单元，10上位机数据存储与计算单元，7-1、会聚透镜，7-2、滤波片，箭头方向A表示垂直扫描单元5的电机的旋转方向，箭头方向B表示水平扫描单元6的旋转方向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-图3所示，本实施例提供一种高速激光三维扫描系统，包括激光器1、激光准直单元2、激光整形单元3、激光转向单元4、垂直扫描单元5、水平扫描单元6、回波接收会聚与滤波单元7、n路阵列光电探测单元8、n路信号同步处理与传输单元9以及上位机数据存储与计算单元10，激光器1、激光准直单元2、激光整形单元3、激光转向单元4、垂直扫描单元5依次设置在水平扫描单元6上，回波接收会聚与滤波单元7、n路阵列光电探测单元8、n路信号同步处理与传输单元9、上位机数据存储与计算单元10依次连接。
激光器1为一定重频的激光器，本实施例中，激光器1波长为905nm，能够发出100k～500kHz的重复频率，发射脉冲宽度为5ns的激光脉冲。激光整形单元3可以使柱面镜或者透射光栅，将圆形高斯光整形为线状激光。激光转向单元4包括反射镜。垂直扫描单元5包括相连接的平面镜和旋转轴为水平方向的电机。水平扫描单元6为旋转轴为垂直方向的底座，作为整个系统的底座机构，带动其上设置的所有单元水平旋转。回波接收会聚与滤波单元7由50mm接收孔径双胶合会聚透镜7-1以及905nm中心波长滤波片7-2构成，焦距为100mm。n路阵列光电探测单元8由n个光电探测器组成，该n路阵列光电探测单元8的几何位置与水平扫描方向平行。本实施例中，n路阵列光电探测单元8采用first sensor公司的8像元线阵APD，8AA0.4-9。n路信号处理9由n个独立的光电探测信号处理单元组成，各光电探测信号处理单元分别连接一个光电探测器。
上述高速激光三维扫描系统的工作原理为：
激光器1在上位机数据存储与计算单元10的控制下发出重频为200kHz脉宽为5ns的圆形高斯光，在通过激光准直单元2和激光整形单元3后获线状激光，该线状激光的发散角为0.3mrad×8mrad，经由激光转向单元4和垂直扫描单元5射向目标，同时水平扫描单元6水平旋转，经被测目标散射后回波信号由垂直扫描单元5上的反射镜反射到接收会聚与滤波单元7，回波接收会聚与滤波单元7采集返回的回波信号并将其聚焦在n路阵列光电探测单元8上，经由n路信号同步处理与传输单元9将n路回波的独立时间信号进行处理并与二维角度信息打包传输到上位机数据存储与计算单元10上，获取目标的三维点云数据。使用含n个光电探测器组成的光电探测阵列在激光器发出一个脉冲时，能够同时接收到n个回波信号，为获取相同扫描视场(垂直×水平)的点云数据，所需的水平扫描单元的扫描速度为单个探测器探测时的n倍，因此该高速激光三维扫描方法需要的扫描时间为单个探测器扫描时间的1/n，从而大大缩短了扫描时间，提高了扫描效率。
例如，使用200kHz进行扫描，如果需要获得边长3mm10m的正方形点间隔，那么使用传统的转镜型三维激光扫描仪与阵列探测转镜型三维激光扫描仪的扫描参数设置与扫描时间估计如表1所示。
表1传统转镜扫描与高速激光三维扫描参数对比表
从上表计算可知，采用8像元光电探测器的阵列探测三维激光扫描技术，能够是扫描时间缩短为传统单探测器的1/8，这样大大提高了数据采集效率。

Claims (8)

1.一种高速激光三维扫描系统，其特征在于，包括激光器(1)、激光准直单元(2)、激光整形单元(3)、激光转向单元(4)、垂直扫描单元(5)、水平扫描单元(6)、回波接收会聚与滤波单元(7)、n路阵列光电探测单元(8)、n路信号同步处理与传输单元(9)以及上位机数据存储与计算单元(10)，所述激光器(1)、激光准直单元(2)、激光整形单元(3)、激光转向单元(4)、垂直扫描单元(5)依次设置在水平扫描单元(6)上，所述回波接收会聚与滤波单元(7)、n路阵列光电探测单元(8)、n路信号同步处理与传输单元(9)、上位机数据存储与计算单元(10)依次连接；
激光器(1)发出的圆形高斯光经激光准直单元(2)和激光整形单元(3)后形成线状光，该线状光经由激光转向单元(4)和垂直扫描单元(5)射向目标，同时水平扫描单元(6)水平旋转，回波接收会聚与滤波单元(7)采集返回的回波信号并将其聚焦在n路阵列光电探测单元(8)上，经由n路信号同步处理与传输单元(9)将n路回波的独立时间信号进行处理并与二维角度信息打包传输到上位机数据存储与计算单元(10)上，获取目标的三维点云数据。
2.根据权利要求1所述的高速激光三维扫描系统，其特征在于，所述激光整形单元(3)包括柱面镜或透射光栅。
3.根据权利要求1所述的高速激光三维扫描系统，其特征在于，所述激光转向单元(4)包括反射镜。
4.根据权利要求1所述的高速激光三维扫描系统，其特征在于，所述垂直扫描单元(5)包括相连接的平面镜和旋转轴为水平方向的电机。
5.根据权利要求1所述的高速激光三维扫描系统，其特征在于，所述水平扫描单元(6)为旋转轴为垂直方向的底座。
6.根据权利要求1所述的高速激光三维扫描系统，其特征在于，所述回波接收会聚与滤波单元(7)包括依次设置的会聚透镜(7-1)和滤波片(7-2)。
7.根据权利要求1所述的高速激光三维扫描系统，其特征在于，所述n路阵列光电探测单元(8)由n个光电探测器组成，该n路阵列光电探测单元(8)的几何位置与水平扫描方向平行。
8.根据权利要求7所述的高速激光三维扫描系统，其特征在于，所述n路信号处理(9)由n个独立的光电探测信号处理单元组成，各光电探测信号处理单元分别连接一个光电探测器。
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