CN108955563B - 用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置及测量方法，包括可调谐激光器、扫描定位系统、耦合调节系统、测量干涉系统、辅助干涉系统、数据采集系统等；可调谐激光器用于产生连续调频激光，扫描定位系统用于目标的定位与光束扫描；耦合调节系统用于调节返回光束的光强和耦合效率；测量干涉系统用于光点强度探测以及单点距离的高精度测量，产生测量拍频信号；辅助干涉系统产生辅助拍频信号，利用辅助拍频信号对测量拍频信号进行时钟采样；本发明的一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置及测量方法，无需合作目标，可以实现静态或者动态目标的二维形貌测量。本发明适合于无合作目标扫描成像、无人驾驶等高精度测量领域。

Description

用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置及测量方法

技术领域

本发明涉及精密计量技术，特别涉及一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置及表面形貌测量方法，可应用于静态、动态无合作目标的二维扫描测量领域。

背景技术

工作制造快速发展的今天，人们对可测量对象的速度、精度和表面质量的需求越来越高。新一代工业测量的需求朝着快速、高精度、漫反射表面对象测量发展。目前，针对漫反射目标测量的方法主要有立体视觉成像技术和脉冲式激光成像技术。其中，立体视觉成像技术成本低，技术成熟，可拓展性强，对近距离漫反射表面对象测量具有很好的成像效果。但是，该方法的成像效果依赖于照片的质量，对于白色发光表面和光滑表面，以及物体边缘，其成像质量较差。脉冲式激光成像技术，也称时间飞行法测量技术，常用于遥感监测、机载激光雷达、无人汽车等领域.时间飞行法测量技术测量原理简单，系统简便。但是，其测量的精度主要取决于计数电路的精度，故很难突破厘米级精度的限制。

目前，工业装配现场常常采用激光跟踪仪作为校准工具来保证装配的精度，虽然此测量手段有着极高的测量精度。然而，其需要合作靶镜，在测量过程中还要保证激光工作的连续性，在实现大型工件的测量过程中，十分耗费体力和时间，测量效率低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置及表面形貌测量方法，可以在无需靶镜引导的情况下，仅需一个人操作即可快速完成待测表面的二维形貌高精度测量。

本发明所采用的技术方案是：一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置，包括依次连接的可调谐激光器和光学放大器，所述光学放大器的输出经过第一分束器分为A路和B路，所述A路进入测量干涉系统，所述B路进入辅助干涉系统，所述测量干涉系统和所述辅助干涉系统的输出端共同连接至数据采集系统的输入端，所述数据采集系统的输出端连接至计算机；

所述可调谐激光器用于产生连续扫频激光；

所述测量干涉系统用于光点强度探测以及单点距离的高精度测量，产生测量拍频信号；所述测量干涉系统包括与所述第一分束器的输出端相连接的第二分束器，所述第二分束器的输出端分为C路和D路；所述C路上连接有光纤环形器，所述光纤环形器采用带有第一、第二、第三端口，用来将光循环地从第一端口传输到第二端口，从第二端口传输到第三端口的3端口光纤环形器，所述光纤环形器的第一端口与所述第二分束器相连接，第二端口与扫描定位系统相连接，第三端口连接至第一3dB光纤耦合器的输入端；所述D路上连接有光学衰减器，所述光学衰减器的输出端连接至所述第一3dB光纤耦合器的另一个输入端；所述第一3dB光纤耦合器的输出端连接有光电探测器，所述光电探测器的输出端连接至所述数据采集系统；

所述辅助干涉系统产生辅助拍频信号，利用辅助拍频信号对测量拍频信号进行时钟采样；

所述数据采集系统用于对所述测量干涉系统产生的测量拍频信号以及所述辅助干涉系统产生的辅助拍频信号进行同步采样。

进一步的，所述扫描定位系统用于目标的定位与光束扫描，所述扫描定位系统包括单频可见光激光器，所述单频可见光激光器的输出端和所述光纤环形器的第二端口共同连接至波分复用器的输入端，所述波分复用器的输出端连接有光纤输出镜头，所述光纤输出镜头的前端依次设置有变焦准直镜和扫描振镜，所述扫描振镜设置在被测表面的前方。

进一步的，本发明一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置还包括耦合调节系统，所述耦合调节系统用于调节所述扫描定位系统中返回光束的光强和耦合效率，所述耦合调节系统包括依次设置在所述变焦准直镜和所述扫描振镜之间的偏振分束器和半波片，所述偏振分束器与经过所述半波片的返回光束光路相对应，所述偏振分束器的一路分光光路后端依次设置有耦合透镜组、红外CCD相机，所述偏振分束器的另一路分光光路后端为所述变焦准直镜；

所述C路光束进入所述光纤环形器；经过光纤环形器第二端口出来后的光束与所述单频可见光激光器的光束进行合束，并依次通过所述波分复用器和光纤输出镜头到达空气光路；到达空气光路的光速被变焦准直镜整形后，依次经过偏振分束器、半波片、扫描振镜；所述扫描振镜调整光束扫描方向，达到被测表面；从被测表面沿原路反射回来的光束，再次经过半波片，经偏振分束器分束后的部分光束进入耦合透镜组后被红外CCD相机接收；经偏振分束器分束后的另外一部分光束则继续沿着变焦准直镜、光纤输出镜头、波分复用器，从光纤环形器的第二端口进入光纤环形器并从光纤环形器的第三端口出来；所述D路光速经过所述光学衰减器与从所述光纤环形器的第三端口出来的光束在第一3dB光纤耦合器处汇合，发生干涉，产生测量拍频信号，所述测量拍频信号被所述光电探测器接收。

其中，所述扫描振镜由扫描振镜自带的电源控制器单独控制，所述电源控制器对所述扫描振镜的控制包括对扫描角度和角分辨力进行控制，从而完成被测表面的单点扫描，所述扫描角度包括俯仰和偏摆。

进一步的，所述辅助干涉系统包含与所述第一分束器的输出端相连接的第三分束器，所述第三分束器的输出端分为E路和F路，所述E路上连接有单模光纤，所述单模光纤的输出端连接至第二3dB光纤耦合器的输入端；所述F路直接连接至所述第二3dB光纤耦合器的另一个输入端，所述第二3dB光纤耦合器的输出端连接有平衡光电探测器，所述平衡光电探测器的输出端连接至所述数据采集系统；

所述B路光束经过所述第三分束器分为E路和F路，E路光束进入所述单模光纤与F路光束在第二3dB光纤耦合器发生汇合，发生干涉，产生辅助拍频信号，所述辅助拍频信号被所述平衡光电探测器接收。

本发明所采用的另一技术方案是：一种基于上述用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置的表面形貌测量方法，采用上述一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置，具体包括以下步骤：

步骤一、搭建权利要求1-5任意一项所述的用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置，打开单频可见光激光器和红外CCD相机；

步骤二、调节扫描振镜的角度和角分辨力，根据单频可见光激光器的光束打在被测表面上的位置，来确定可调谐激光器的红外光束打在被测表面上的位置；并根据单频可见光激光器的光束打在被测表面上的光斑位置将可调谐激光器的红外光束引导至被测表面的待测点位置；

步骤三、调节变焦准直镜的焦距，并用红外CCD相机监测可调谐激光器的红外光束打在被测表面上的红外光斑的大小；调节变焦准直镜的焦距参数直至红外光斑最小；

步骤四、数据采集系统开始采集数据，并送入计算机解算出被测表面上的待测点的距离信息；

步骤五、判断被测表面待测点是否测量完，若已测量完，则进入步骤六；否则，进入下一点的测量，返回步骤二；

步骤六、按照测量的顺序，统计所有被测表面的待测点距离信息，形成点云；

步骤七、将点云数据投影到xoy平面；显示被测表面的二维表面形貌图。

其中，步骤四中，所述的解算出被测表面上的待测点的距离信息的具体方法为：所述辅助拍频信号的零均值点作为数据采集系统的采样时钟信号，用于对测量拍频信号进行信号重采样；得到的重采样信号送入计算机进行频谱分析，得到被测表面的待测点的距离信息。

本发明的有益效果是：

(1)相对于时间飞行法等形貌测量方法，本发明采用大带宽可调谐激光器，因此可以达到更高测量分辨力。

(2)相比于激光跟踪仪等高精度的测量手段，本发明采用扫描定位系统、耦合调节系统，可以提高耦合效率，因此可以实现无合作目标更高的测量效率。

附图说明

图1：本发明用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置结构示意图

图2：本发明用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置的表面形貌测量方法流程图。

附图标注：1-可调谐激光器，2-光学放大器，3-第一分束器，4-第二分束器，5-光纤环形器，6-单频可见光激光器，7-波分复用器，8-光纤输出镜头，9-变焦准直镜，10-偏振分束器，11-半波片，12-扫描振镜，13-被测表面，14-耦合透镜组，15-红外CCD相机，16-光学衰减器，17-第一3dB光纤耦合器，18-光电探测器，19-第三分束器，20-单模光纤，21-第二3dB光纤耦合器，22-平衡光电探测器，23-数据采集系统，24-计算机，25-测量干涉系统，26-辅助干涉系统，27-扫描定位系统，28-耦合调节系统。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1所示，一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置，包括：可调谐激光器1、光学放大器2、第一分束器3、扫描定位系统27、耦合调节系统28、测量干涉系统25、辅助干涉系统26、数据采集系统23和计算机24。所述可调谐激光器1和所述光学放大器2相连接，所述光学放大器2的输出经过第一分束器3分为A路和B路，所述A路进入测量干涉系统25，所述B路进入辅助干涉系统26，所述测量干涉系统25和所述辅助干涉系统26的输出端共同连接至数据采集系统23的输入端，所述数据采集系统23的输出端连接至计算机24。

所述可调谐激光器1用于产生连续扫频激光。

所述测量干涉系统25用于光点强度探测以及单点距离的高精度测量，产生测量拍频信号U1；所述测量干涉系统25包括与所述第一分束器3的输出端相连接的第二分束器4，所述第二分束器4的输出端分为C路和D路；所述C路上连接有光纤环形器5，所述光纤环形器5采用带有第一、第二、第三端口，用来将光循环地从第一端口传输到第二端口，从第二端口传输到第三端口的3端口光纤环形器，所述光纤环形器5的第一端口与所述第二分束器4相连接，第二端口与扫描定位系统27相连接，第三端口连接至第一3dB光纤耦合器17的输入端；所述D路上连接有光学衰减器16，所述光学衰减器16的输出端连接至所述第一3dB光纤耦合器17的另一个输入端；所述第一3dB光纤耦合器17的输出端连接有光电探测器18，所述光电探测器18的输出端连接至所述数据采集系统23。

所述扫描定位系统27用于目标的定位与光束扫描，所述扫描定位系统27包括单频可见光激光器6，所述单频可见光激光器6的输出端和所述光纤环形器5的第二端口共同连接至波分复用器7的输入端，所述波分复用器7的输出端连接有光纤输出镜头8，所述光纤输出镜头8的前端依次设置有变焦准直镜9和扫描振镜12，所述扫描振镜12设置在被测表面13的前方。

所述耦合调节系统28用于调节所述扫描定位系统27中返回光束的光强和耦合效率，所述耦合调节系统28包括依次设置在所述变焦准直镜9和所述扫描振镜12之间的偏振分束器10和半波片11，所述偏振分束器10与经过所述半波片11的返回光束光路相对应，所述偏振分束器10的一路分光光路后端依次设置有耦合透镜组14、红外CCD相机15，所述偏振分束器10的另一路分光光路后端为所述变焦准直镜9。

所述辅助干涉系统26产生辅助拍频信号U2，利用辅助拍频信号U2对测量拍频信号U1进行时钟采样；所述辅助干涉系统26包含与所述第一分束器3的输出端相连接的第三分束器19，所述第三分束器19的输出端分为E路和F路，所述E路上连接有单模光纤20，所述单模光纤20的输出端连接至第二3dB光纤耦合器21的输入端；所述F路直接连接至所述第二3dB光纤耦合器21的另一个输入端，所述第二3dB光纤耦合器21的输出端连接有平衡光电探测器22，所述平衡光电探测器22的输出端连接至所述数据采集系统23。

所述数据采集系统23用于对所述测量干涉系统25产生的测量拍频信号U1以及所述辅助干涉系统26产生的辅助拍频信号U2进行同步采样。

所述可调谐激光器1发射的连续扫频激光经过所述光学放大器2被所述第一分束器3分为A路光束和B路光束，所述第一分束器3分束的A路光束经过所述第二分束器4后分为C路光束和D路光束；

所述C路光束进入所述光纤环形器5；经过光纤环形器5第二端口出来后的光束与所述单频可见光激光器6的光束进行合束，并依次通过所述波分复用器7和光纤输出镜头8到达空气光路；到达空气光路的光速被变焦准直镜9整形后，依次经过偏振分束器10、半波片11、扫描振镜12；所述扫描振镜12调整光束扫描方向，达到被测表面13；其中，所述扫描振镜12由扫描振镜12自带的电源控制器单独控制，所述电源控制器对所述扫描振镜12的控制包括对扫描角度和角分辨力进行控制，从而完成被测表面13的单点扫描，所述扫描角度包括俯仰和偏摆；从被测表面13沿原路反射回来的光束，再次经过半波片11，经偏振分束器10分束后的部分光束进入耦合透镜组14后被红外CCD相机15接收；经偏振分束器10分束后的另外一部分光束则继续沿着变焦准直镜9、光纤输出镜头8、波分复用器7，从光纤环形器5的第二端口进入光纤环形器5并从光纤环形器5的第三端口出来；

所述D路光速经过所述光学衰减器16与从所述光纤环形器5的第三端口出来的光束在第一3dB光纤耦合器17处汇合，发生干涉，产生测量拍频信号U1，所述测量拍频信号U1被所述光电探测器18接收。

所述B路光束经过所述第三分束器19分为E路和F路，E路光束进入所述单模光纤20与F路光束在第二3dB光纤耦合器21发生汇合，发生干涉，产生辅助拍频信号U2，所述辅助拍频信号U2被所述平衡光电探测器22接收。

所述辅助拍频信号U2的零均值点作为数据采集系统23的采样时钟信号，用于对测量拍频信号U1进行信号重采样；得到的重采样信号送入计算机24进行频谱分析，得到被测表面13单点距离信息。

如图2所示，一种基于上述用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置的表面形貌测量方法，采用上述用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置，具体包括以下步骤：

步骤一、搭建上述用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置，打开单频可见光激光器6和红外CCD相机15；本实施例中，可调谐激光器1采用的是Newfocus公司的TLB6728，单频可见光激光器6型号为ADR-1805；红外CCD相机15采用的型号为ChameleonCMLB-13S2M，扫描振镜12采用的是Thorlabs公司的GVS012。

其中，本发明实施例对可调谐激光器1、单频可见光激光器6、红外CCD相机15、扫描振镜12等的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

步骤二、调节扫描振镜12的角度和角分辨力，根据单频可见光激光器6的光束打在被测表面13上的位置，来确定可调谐激光器1的红外光束打在被测表面13上的位置；并根据单频可见光激光器6的光束打在被测表面13上的光斑位置将可调谐激光器1的红外光束引导至被测表面13的待测点位置。

步骤三、调节变焦准直镜9的焦距，并用红外CCD相机15监测可调谐激光器1的红外光束打在被测表面13上的红外光斑的大小；调节变焦准直镜9的焦距参数直至红外光斑最小。

步骤四、数据采集系统23开始采集数据，并送入计算机24解算出被测表面13上的待测点的距离信息；其中，所述的解算出被测表面13上的待测点的距离信息的具体方法为：所述辅助拍频信号U2的零均值点作为数据采集系统23的采样时钟信号，用于对测量拍频信号U1进行信号重采样；得到的重采样信号送入计算机24进行频谱分析，得到被测表面13的待测点的距离信息。

步骤五、判断被测表面13待测点是否测量完，若已测量完，则进入步骤六；否则，进入下一点的测量，返回步骤二。

步骤六、按照测量的顺序，统计所有被测表面13的待测点距离信息，形成点云。

步骤七、将点云数据投影到xoy平面；显示被测表面13的二维表面形貌图。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置，其特征在于，包括依次连接的可调谐激光器和光学放大器，所述光学放大器的输出经过第一分束器分为A路和B路，所述A路进入测量干涉系统，所述B路进入辅助干涉系统，所述测量干涉系统和所述辅助干涉系统的输出端共同连接至数据采集系统的输入端，所述数据采集系统的输出端连接至计算机；

所述可调谐激光器用于产生连续扫频激光；

所述测量干涉系统用于光点强度探测以及单点距离的高精度测量，产生测量拍频信号；所述测量干涉系统包括与所述第一分束器的输出端相连接的第二分束器，所述第二分束器的输出端分为C路和D路；所述C路上连接有光纤环形器，所述光纤环形器采用带有第一、第二、第三端口，用来将光循环地从第一端口传输到第二端口，从第二端口传输到第三端口的3端口光纤环形器，所述光纤环形器的第一端口与所述第二分束器相连接，第二端口与扫描定位系统相连接，第三端口连接至第一3dB光纤耦合器的输入端；所述D路上连接有光学衰减器，所述光学衰减器的输出端连接至所述第一3dB光纤耦合器的另一个输入端；所述第一3dB光纤耦合器的输出端连接有光电探测器，所述光电探测器的输出端连接至所述数据采集系统；

其中，所述扫描定位系统用于目标的定位与光束扫描，所述扫描定位系统包括单频可见光激光器和耦合调节系统，所述单频可见光激光器的输出端和所述光纤环形器的第二端口共同连接至波分复用器的输入端，所述波分复用器的输出端连接有光纤输出镜头，所述光纤输出镜头的前端依次设置有变焦准直镜和扫描振镜，所述扫描振镜设置在被测表面的前方；所述耦合调节系统用于调节所述扫描定位系统中返回光束的光强和耦合效率，所述耦合调节系统包括依次设置在所述变焦准直镜和所述扫描振镜之间的偏振分束器和半波片，所述偏振分束器与经过所述半波片的返回光束光路相对应，所述偏振分束器的一路分光光路后端依次设置有耦合透镜组、红外CCD相机，所述偏振分束器的另一路分光光路后端为所述变焦准直镜；

其中，所述C路光束进入所述光纤环形器；经过光纤环形器第二端口出来后的光束与所述单频可见光激光器的光束进行合束，并依次通过所述波分复用器和光纤输出镜头到达空气光路；到达空气光路的光速被变焦准直镜整形后，依次经过偏振分束器、半波片、扫描振镜；所述扫描振镜调整光束扫描方向，达到被测表面；从被测表面沿原路反射回来的光束，再次经过半波片，经偏振分束器分束后的部分光束进入耦合透镜组后被红外CCD相机接收；经偏振分束器分束后的另外一部分光束则继续沿着变焦准直镜、光纤输出镜头、波分复用器，从光纤环形器的第二端口进入光纤环形器并从光纤环形器的第三端口出来；所述D路光速经过所述光学衰减器与从所述光纤环形器的第三端口出来的光束在第一3dB光纤耦合器处汇合，发生干涉，产生测量拍频信号，所述测量拍频信号被所述光电探测器接收；

所述辅助干涉系统产生辅助拍频信号，利用辅助拍频信号对测量拍频信号进行时钟采样；

所述数据采集系统用于对所述测量干涉系统产生的测量拍频信号以及所述辅助干涉系统产生的辅助拍频信号进行同步采样。

2.根据权利要求1所述的一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置，其特征在于，所述扫描振镜由扫描振镜自带的电源控制器单独控制，所述电源控制器对所述扫描振镜的控制包括对扫描角度和角分辨力进行控制，从而完成被测表面的单点扫描，所述扫描角度包括俯仰和偏摆。

3.根据权利要求1所述的一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置，其特征在于，所述辅助干涉系统包含与所述第一分束器的输出端相连接的第三分束器，所述第三分束器的输出端分为E路和F路，所述E路上连接有单模光纤，所述单模光纤的输出端连接至第二3dB光纤耦合器的输入端；所述F路直接连接至所述第二3dB光纤耦合器的另一个输入端，所述第二3dB光纤耦合器的输出端连接有平衡光电探测器，所述平衡光电探测器的输出端连接至所述数据采集系统；

所述B路光束经过所述第三分束器分为E路和F路，E路光束进入所述单模光纤与F路光束在第二3dB光纤耦合器发生汇合，发生干涉，产生辅助拍频信号，所述辅助拍频信号被所述平衡光电探测器接收。

4.一种基于上述权利要求1至3任一项所述的用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置的表面形貌测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任意一项所述的一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置，具体包括以下步骤：

步骤一、搭建权利要求1-3任意一项所述的用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置，打开单频可见光激光器和红外CCD相机；

步骤二、调节扫描振镜的角度和角分辨力，根据单频可见光激光器的光束打在被测表面上的位置，来确定可调谐激光器的红外光束打在被测表面上的位置；并根据单频可见光激光器的光束打在被测表面上的光斑位置将可调谐激光器的红外光束引导至被测表面的待测点位置；

步骤三、调节变焦准直镜的焦距，并用红外CCD相机监测可调谐激光器的红外光束打在被测表面上的红外光斑的大小；调节变焦准直镜的焦距参数直至红外光斑最小；

步骤四、数据采集系统开始采集数据，并送入计算机解算出被测表面上的待测点的距离信息；

步骤五、判断被测表面待测点是否测量完，若已测量完，则进入步骤六；否则，进入下一点的测量，返回步骤二；

步骤六、按照测量的顺序，统计所有被测表面的待测点距离信息，形成点云；

步骤七、将点云数据投影到xoy平面；显示被测表面的二维表面形貌图。

5.根据权利要求4所述的一种用于形貌扫描的组合式连续调频激光雷达装置的表面形貌测量方法，其特征在于，步骤四中，所述的解算出被测表面上的待测点的距离信息的具体方法为：所述辅助拍频信号的零均值点作为数据采集系统的采样时钟信号，用于对测量拍频信号进行信号重采样；得到的重采样信号送入计算机进行频谱分析，得到被测表面的待测点的距离信息。

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