CN105372642B - 一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置 - Google Patents

一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置 Download PDF

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Abstract

一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置，包括高频信号发生器(1)、激光器(2)、基准距离板(3)、回波探测器(4)、整形模块(5)、鉴频器(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)和二维数据处理模块(11)。本发明将激光进行超高频率方波调制，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，该距离变化的速率会反映到激光回波的频率。参考扫描镜初始位置对应的内部距离参考点，通过对距离变化率进行积分可以获得目标表面到扫描装置的视线距离。本发明装置的测量重复频率仅由调制频率和鉴频器输出速率决定，不受模糊距离的限制，可将测量重复频率提升到GHz。

Description

一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置
技术领域
本发明涉及一种激光二维成像装置，能够较好克服相位测量方法的测尺限制和脉冲飞行测量的模糊距离限制，将测量重复频率提升到几百MHz。
背景技术
在激光雷达和激光二维扫描仪领域，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，为了克服距离模糊，通常采用多个测尺进行测量，其测量重复频率受最长测尺限制。以测量距离75m为例，最长测尺对应的调制频率要低于2MHz，这就限制了测量重复频率不能超过2MHz。脉冲飞行时间测距方法因为受激光脉冲飞行的往返时间限制，也同样存在距离模糊问题，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。
对于车载等地面移动平台而言，使用更高测量重复频率的扫描技术，将能够提升移动平台的运行速度，缩短测量时间。目前，市场上基于相位测量激光测距技术的激光二维扫描仪的测量频率不超过2MHz，而基于脉冲飞行时间测量的激光二维扫描仪的测量重复频率更低。因此，如何克服相位测量方法的测尺限制和脉冲飞行测量的模糊距离限制，提升测量重复频率将是未来移动平台测量更加关注的技术问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对目前移动平台使用的激光二维扫描仪扫描点密度低的问题，提供了一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置，该装置能够突破相位测量方法的测尺限制和脉冲飞行测量的模糊距离限制，将现阶段的测量重复频率提升到几百MHz，从而将测量效率提升百倍以上。
本发明的技术解决方案是：一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置，包括高频信号发生器、激光器、基准距离板、回波探测器、整形模块、鉴频器、扫描镜、角度编码器、编码计数电路、距离计算模块和二维数据处理模块，其中：
高频信号发生器：根据频率设置信号产生频率为f0的周期方波并送至激光器；
激光器：在高频信号发生器输出的周期方波控制下，产生同频率的激光周期方波并送至扫描镜；
基准距离板：位于与扫描镜的距离为d0的固定位置，作为距离起始参考点；
回波探测器：完成对被测目标激光回波的光电探测，将与激光回波同频率的周期脉冲电信号输出到整形模块；
整形模块：将周期脉冲电信号整形成周期方波电信号并送至鉴频器；
鉴频器：计算出周期方波电信号的频率f并送至距离计算模块；
扫描镜：进行圆周转动，在转动过程中，首先将输入的激光周期方波反射到基准距离板并获取基准距离板反射的回波，实现初始基准距离标校，然后将输入的激光周期方波反射到被测目标并获取被测目标的激光回波，将被测目标的激光回波送至回波探测器；
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，并将计数值输入到二维数据处理模块；
距离计算模块：根据周期方波电信号的频率计算出距离变化速率并送至二维数据处理模块；
二维数据处理模块：产生频率设置信号并送至高频信号发生器；同步接收距离变化速率和编码器计数值，根据编码器计数值计算出扫描镜的扫描角度，再根据d0和目标上的扫描点对应的距离变化速率计算出目标上扫描点的表面视线距离d，最后用目标扫描点的表面视线距离d和扫描镜的扫描角度转换出目标扫描点的直角坐标(x，y)，其中x＝d cosα，y＝d sinα，α为扫描镜转动的角度，t0为基准时刻，t1为当前时刻，c为光速。
所述的高频信号发生器为高频时钟发生器。所述的激光器为波长1550nm的半导体激光器。所述的基准距离板为反射板，与扫描镜的距离d0为20mm。所述的回波探测器为雪崩光电二极管光电探测器。所述的整形器为固定阈值甄别器。所述的鉴频器为定时器，在设定的时间t内完成方波计数，并将计数值n输出，n/t作为当前时刻的频率。所述的扫描镜为一维扫描镜，将激光沿垂直二维扫描装置运动方向扫描。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)本发明装置通过频率分析方法来计算距离变化率，再基于标准距离点来获得扫描路径上任意点的距离，测量频率仅由调制频率和鉴频器输出速率决定，不受测尺长度和模糊距离限制。信号源的输出频率可以达到GHz以上，距离测量频率甚至能够达到几百MHz，比现有的激光二维扫描仪测量频率提升百倍；
(2)本发明装置可以对数据输出率和测量精度进行配置，在需要高精度的应用场合，可以通过降低数据输出率来实现更高的测量精度，用户可以更加灵活地在数据输出率和测量精度之间取得平衡，更好满足用户使用要求；
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—高频信号发生器，2—激光器，3—基准距离板，4—回波探测器，5—整形模块，6—鉴频器，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—二维数据处理模块。
具体实施方式
如图1所示，为本发明基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置的结构示意图，由图可见，本发明装置包括高频信号发生器1、激光器2、基准距离板3、回波探测器4、整形模块5、鉴频器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和二维数据处理模块11，上述元部件的连接关系如下：
所述的二维数据处理模块11产生频率设置信号，输出到所述的高频信号发生器1，所述的高频信号发生器1根据设置频率产生同频率的周期方波，输入到所述的激光器2，所述的激光器2输出同频率的激光周期方波输入到所述的扫描镜7，所述的扫描镜7将激光周期方波反射输出。在扫描镜7的扫描过程中，首先经过所述的基准距离板3获取基准距离回波，实现初始距离标校，然后扫过被测目标获取被测目标的激光回波。激光回波经过所述扫描镜7反射输入到所述的回波探测器4，所述的回波探测器4完成光电探测后将与激光回波同频率的周期脉冲电信号输出到所述的整形器5，所述的整形器5将周期脉冲电信号整形成周期方波电信号，同时输出到所述的鉴频器6。鉴频器6计算出电信号的频率，将频率数据输出到所述的距离计算模块10，距离计算模块10根据频率计算出距离变化速率，将距离变化率输出到所述的二维数据处理模块11。所述的角度编码器8安装在所述扫描镜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二维数据处理模块11。所述的二维数据处理模块11同步接收距离变化速率和编码器计数，首先将距离变化速率和编码器计数进行同步，然后，根据编码器计数计算出扫描角度，再根据基准距离板的已知距离和目标扫描角度对应的距离变化速率计算出目标扫描点的表面视线距离，最后用表面视线距离和扫描角度转换出目标扫描点的二维直角坐标。
所述的高频信号发生器1为高频时钟发生器，输出方波时钟频率达到GHz。
所述的激光器2为波长1550nm，通信领域常用的具有高速调制带宽的半导体激光器，可以通过直接电调制驱动方式产生高频方波激光输出，输出激光功率为40mW。
所述的基准距离板3为扫描仪内部的反射板，在扫描起始位置反射激光信号，距离为20mm，反射率为10％。
所述的回波探测器4为雪崩光电二极管APD光电探测器，响应光谱范围1100nm～1700nm。
所述的整形模块5为固定阈值甄别器，通过固定电平比较电路，将激光回波的脉冲信号整形成TTL电平的方波信号。
所述的鉴频器6为高速定时器，在设定的时间t内完成方波计数，并将计数值n输出，n/t作为当前时刻的频率。
所述的扫描镜7为一维扫描镜，扫描频率200线/s，将激光沿垂直平台运动方向扫描。
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200MHz。
所述的距离计算模块10根据测量频率f计算距离变化率v，参考基准距离d0和基准时刻t0对距离变化率v进行积分，计算出目标表面扫描轨迹的视线距离d；
所述的二维数据处理模块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α，获得极坐标数据(α,d)，根据极坐标到直角坐标的变换公式，可以将角度α和距离数据d转换到直角坐标系：x＝d×cos(α)和y＝d×sin(α)，可以获得目标表面扫描路径上任意点的直角坐标(x，y)。
图2为本发明装置的测量原理示意图，图中：第一行为激光器2产生的周期方波激光信号，横坐标为时间，纵坐标为激光功率。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。第三行为回波探测器4接收的激光回波信号，由于扫描视线距离变化，激光回波信号的方波也相应产生压缩和拉伸的变化。第四行是鉴频器6将回波频率解算出后的结果，横坐标是与扫描位置对应的扫描时间，纵坐标是解算的频率，可以看出当距离变小时，频率提升，当距离变大时，频率降低，频率与目标表面距离的变化率成线性关系。第五行是将距离变化率曲线对基准距离板3的初始参考距离进行积分后获得目标表面视线距离，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二维直角坐标。
本发明采用光通信领域常用的高速激光二极管，采用电调制方式调制激光二极管输出的光强，将发射的激光调制成超高频率的方波，调制频率可以达到GHz。假设发射激光的调制频率为f0，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可以等效于目标在沿视线方向运动的速度。这种等效运动会导致激光的调制频率产生变化，该距离变化的速率v与激光回波的调制频率f成线性关系：v＝(f-f0)*c/2/f0，c为光速。
根据这一原理，可以通过对高频方波调制的激光回波进行频率分析来获得目标表面到扫描装置的视线距离变化速率。在扫描镜7的初始位置(扫描仪内部参考点)设定为基准时刻t0和基准距离d0，在每圈的扫描中，通过测量回波频率f的变化来测目标表面到扫描仪的视线距离变化速率v，当前时刻t1对应的目标表面视线距离d可根据以下关系获得：
本发明装置的工作过程如下：
①发明扫描装置的扫描镜7将激光对目标表面进行一维扫描，测量目标表面扫描轨迹上的点到扫描镜7中心的距离；
②启动本发明装置，当激光器2发射高重频方波强度调制的激光信号，所述的回波探测器4接收到回波信号并转换成电脉冲，所述的整形模块5将回波电脉冲信号通过比较器整形成方波，所述的鉴频6器通过内部计数方式测量方波的频率，所述的距离计算模块10根据频率f计算出距离变化速率v；
③所述的角度编码器8和编码计数电路9测量扫描镜7转动过程中编码器的累加计数，计算出扫描镜7转动的角度α，所述的二维数据处理模块11同步接收角度和距离变化速率，再参考基准距离d0和基准时刻t0，通过积分方式可以获得目标表面扫描路径上任意点的视线距离d。同步获得的角度α和距离d数据构成了目标表面二维空间的极坐标数据(α,d)，根据极坐标到直角坐标的变换公式，可以将角度α和视线距离d进行坐标变换：x＝d×cos(α)和y＝d×sin(α)，可以获得目标表面扫描路径上任意点的二维直角坐标(x，y)。
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 (9)

1.一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置，其特征在于：包括高频信号发生器(1)、激光器(2)、基准距离板(3)、回波探测器(4)、整形模块(5)、鉴频器(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)和二维数据处理模块(11)，其中：
高频信号发生器(1)：根据频率设置信号产生频率为f0的周期方波并送至激光器(2)；
激光器(2)：在高频信号发生器(1)输出的周期方波控制下，产生同频率的激光周期方波并送至扫描镜(7)；
基准距离板(3)：位于与扫描镜(7)的距离为d0的固定位置，作为距离起始参考点；
回波探测器(4)：完成对被测目标激光回波的光电探测，将与激光回波同频率的周期脉冲电信号输出到整形模块(5)；
整形模块(5)：将周期脉冲电信号整形成周期方波电信号并送至鉴频器(6)；
鉴频器(6)：计算出周期方波电信号的频率f并送至距离计算模块(10)；
扫描镜(7)：进行圆周转动，在转动过程中，首先将输入的激光周期方波反射到基准距离板(3)并获取基准距离板(3)反射的回波，实现初始基准距离标校，然后将输入的激光周期方波反射到被测目标并获取被测目标的激光回波，将被测目标的激光回波送至回波探测器(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，并将计数值输入到二维数据处理模块(11)；
距离计算模块(10)：根据周期方波电信号的频率计算出距离变化速率并送至二维数据处理模块(11)；
二维数据处理模块(11)：产生频率设置信号并送至高频信号发生器(1)；同步接收距离变化速率和编码计数电路(9)计数值，根据编码计数电路(9)计数值计算出扫描镜(7)的扫描角度，再根据d0和目标上的扫描点对应的距离变化速率计算出目标上扫描点的表面视线距离d，最后用目标扫描点的表面视线距离d和扫描镜(7)的扫描角度转换出目标扫描点的直角坐标(x，y)，其中x＝d cosα，y＝d sinα，α为扫描镜(7)转动的角度，t0为基准时刻，t1为当前时刻，c为光速。
2.根据权利要求1所述的一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置，其特征在于：所述的高频信号发生器(1)为高频时钟发生器。
3.根据权利要求1所述的一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置，其特征在于：所述的激光器(2)为波长1550nm的半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置，其特征在于：所述的基准距离板(3)为反射板，与扫描镜(7)的距离d0为20mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置，其特征在于：所述的回波探测器(4)为雪崩光电二极管光电探测器。
6.根据权利要求1所述的一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置，其特征在于：所述的整形模块(5)为固定阈值甄别器。
7.根据权利要求1所述的一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置，其特征在于：所述的鉴频器(6)为定时器，在设定的时间t内完成方波计数，并将计数值n输出，n/t作为当前时刻的频率。
8.根据权利要求1所述的一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置，其特征在于：所述的扫描镜(7)为一维扫描镜，将激光沿垂直二维扫描装置运动方向扫描。
9.根据权利要求1所述的一种基于调制频率测量的超高密度激光二维扫描装置，其特征在于：所述的角度编码器(8)为光电编码器。
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