CN109270551A - 一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统 - Google Patents

一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统 Download PDF

Info

Publication number
CN109270551A
CN109270551A CN201811302626.2A CN201811302626A CN109270551A CN 109270551 A CN109270551 A CN 109270551A CN 201811302626 A CN201811302626 A CN 201811302626A CN 109270551 A CN109270551 A CN 109270551A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
wave plate
polarization splitting
reflecting mirror
splitting prism
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811302626.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109270551B (zh
Inventor
朱勇建
唐楚柳
郭磊
鲁健恒
马俊飞
宋树祥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangxi Normal University
Original Assignee
Guangxi Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangxi Normal University filed Critical Guangxi Normal University
Priority to CN201811302626.2A priority Critical patent/CN109270551B/zh
Publication of CN109270551A publication Critical patent/CN109270551A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109270551B publication Critical patent/CN109270551B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公了一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统，包括计算机终端连接的发射端和接收端，其特征在于所述发射端包括顺序连接的单模激光器、液晶散光板、第一半波片、第一扩束单元、正交偏振结构光产生模块、第三反射镜、第二扩束单元、第一光楔、第二光楔和扫描控制器，扫描控制器与计算机终端连接；所述接收端包括顺序连接的望远单元、第二半波片和BS分光棱镜，还包括与BS分光棱镜第二连接端连接的第二PBS偏振分光棱镜和与BS分光棱镜第三连接端顺序连接的第三1/4波片、第三PBS偏振分光棱镜及第五反射镜。这种系统具有较高的成像精度、动态的探测范围、实时性强，能实现高精度、远距离、高分辨率的三维成像。

Description

一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统
技术领域
本发明是涉及无人机技术，具体是无人机的三维感知、测绘恢复实时场景的三维成像技术，尤其是一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统。
背景技术
激光雷达拥有极高的探测精度、快速实时的探测速度、较强的抗干扰能力等特点，受到了自动驾驶领域、测绘领域研究人员的关注。面阵三维成像激光雷达在实际应用方面比较多样化，在空间探索方面，Sandia国家实验室将无扫描成像面阵激光雷达应用于航天器的隔热层的损坏的快速检测；军事应用方面，主要应用有如飞行器的近地导航，目标去伪装侦别，三维目标锁定等，在民用领域，近年来，随着人工智能的崛起，无人驾驶技术的日渐成熟，激光雷达作为无人驾驶系统的眼睛之一，目前应用于无人驾驶车上的主要是线阵激光雷达，成像精度有待提高；在文化艺术领域，新型面阵扫描式激光远距离三维测量系统对于构建真三维和后期的电视节目制作极有帮助；在艺术品文物保护方面可以利用新型面阵扫描式激光远距离三维测量系统进行无接触测量并获得文物的外形精确尺寸。面阵三维成像技术在众多领域有着巨大的应用潜力和实用价值。
现有技术之一：参见“Chenfei Jin,Yuan Zhao,et al.,Scannerless gain-modulated three-dimensional laser imaging radar.Proceedings of SPIE,2011,8159:R1-R6”，哈尔滨工业大学研制了增益调制型的三维凝视成像激光雷达，采用了测距精度与探测距离无关的指数-恒定增益调制模型，对距离1km处的建筑物进行探测，测距精度为5m。这种基于增益调制的三维成像激光雷达，测距精度受激光脉冲和选通脉冲宽度的制约，其所用的ICCD成像过程需要引入中继光学系统、光纤耦合系统等，降低了系统能量使用效率，限制了横向分辨率。
现有技术之二：参见“张勇,曹喜滨,吴龙等,小面阵块扫描激光成像系统实验研究,中国激光,2013,40(8):1-7”清华大学郑睿童等研制了1×16的线阵APD探测器进行目标一维非扫描测距实验，设计了多通道的并行前置放大电路，利用脉冲时间飞行法对16m远处台阶进行一维距离成像，实验结果表明其距离分辨率达到了10cm左右。
现有技术之三：参见“http://www.hesaitech.com/”上海和赛科技，2017年4月正式发布面向自动驾驶的40线机械式激光雷达，探测距离(0.3m-200m)，测量精度±5cm(0.3m-0.5m),±2cm(0.5m-200m)，水平视场角360°，垂直视场角-16.7°-7°，测量频率720kHz，扫描频率10Hz、20Hz，基于飞行时间测量法(TOF)，测量精度相对于面型精细的测量需求来说是不够的。
现有技术之四：参见“http://www.robosense.cn/”深圳市速腾聚创，速腾聚创的32线HAD激光雷达，测量距离(0.2m-200m)，测量精度±2cm，水平视场角360°，垂直测角30°，每秒出点数64万个，基于飞行时间测量法(TOF)，测量精度相对于面型精细的测量需求是不满足的。
上述激光雷达制作成本高昂，通用性不强，在自动驾驶领域的激光雷达需要360度的全场测量，需要及其复杂的扫描机构，成本也很高，上述激光雷达均采用TOF时间飞行法，这种成像方式得出的点云数据所构成的三维信息只能得到物体的大致轮廓，精度仍然满足不了当前社会的需求，故一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统的研制，成为了人们的迫切需要。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统。这种系统具有较高的成像精度、动态的探测范围、实时性强，能实现高精度、远距离、高分辨率的三维成像。
实现本发明目的的技术方案是：
一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统，包括计算机终端连接的发射端和接收端，与现有技术不同在于，所述发射端包括顺序连接的单模激光器、液晶散光板、第一半波片、第一扩束单元、正交偏振结构光产生模块、第三反射镜、第二扩束单元、第一光楔、第二光楔和扫描控制器，扫描控制器与计算机终端连接；所述接收端包括顺序连接的望远单元、第二半波片和BS分光棱镜，还包括与BS分光棱镜第二连接端连接的第二PBS偏振分光棱镜和与BS分光棱镜第三连接端顺序连接的第三1/4波片、第三PBS偏振分光棱镜及第五反射镜，其中，第二PBS偏振分光棱镜的第二连接端外接第一CCD相机、第二PBS偏振分光棱镜的第三连接端顺序连接第四反射镜和第二CCD相机，第三PBS偏振分光棱镜的第二连接端外接第三CCD相机，第三PBS偏振分光棱镜的第三连接端连接的第五反射镜外接第四CCD相机,第一CCD相机、第二CCD相机、第三CCD相机和第四CCD相机均与计算机终端连接。
所述发射端中正交偏振结构光产生模块包括第一PBS偏振分光棱镜和与第一PBS偏振分光棱镜第二连接端顺序连接的第一1/4波片、第一反射镜及与第一PBS偏振分光棱镜第三连接端顺序连接的第二1/4波片、第二反射镜，其中，第一PBS偏振分光棱镜内部的镀膜与第一扩束单元出射的光线呈45°放置，第一1/4波片、第一反射镜与第一PBS偏振分光棱镜内部的镀膜反射光线垂直放置；第二1/4波片、第二反射镜与第一PBS偏振分光棱镜内部的镀膜透射光线垂直放置，正交偏振结构光产生模块产生的正交偏振结构光入射面与第三反射镜呈45度角，以保证第三反射镜出射光线垂直入射到第二扩束单元。
所述发射端中液晶散光板的入射面与单模激光器产生的激光呈90度角，所述液晶散光板光线的出射面平行于第一半波片的光线入射面。
所述发射端中第一扩束单元的光线入射面平行于第一半波片的光出射面，第一扩束单元的光线出射面与正交偏振结构光产生模块的光入射面平行，激光由第一扩束单元垂直入射至正交偏正结构光产生模块中。
所述发射端中第一光楔与第二光楔对立放置组成双光楔，第一光楔和第二光楔的光轴与第二扩束单元的光轴保持等高放置，与双光楔连接的扫描控制器用于控制雷达的扫描范围。
所述接收端中第二半波片的光线入射面平行于望远单元的光出射面，望远单元的出射光线与第二半波片的光线入射面垂直，第二半波片的光线出射面与BS分光棱镜的镀膜呈45度角。
所述接收端中BS分光棱镜的光线反射面与第三1/4波片的光线入射面呈45度角，BS分光棱镜的反射光垂直入射于第三1/4波片。
所述接收端中第二PBS偏振分光棱镜的设置状态与BS分光棱镜的设置状态一致，第二PBS偏振分光棱镜的透射光线垂直入射第一CCD相机，第二PBS偏振分光棱镜的光线透射面与第一CCD相机的光线入射面呈45度夹角，第二PBS偏振分光棱镜的光线反射面与第四反射镜平行，其中，第二PBS偏振分光棱镜的反射光线入射于与之呈45度角设置的第四反射镜，第四反射镜的反射光线垂直入射第二CCD相机，第四反射镜的光线反射面与第二CCD相机的光线入射面呈45度夹角。
所述接收端中第三PBS偏振分光棱镜的镀膜与第三1/4波片的出射面呈45度角，第三PBS偏振分光棱镜的镀膜与第三CCD相机的入射面呈45度角，第三PBS偏振分光棱镜的透射面与第五反射镜平行。
所述接收端中第五反射镜的反射光线垂直入射第四CCD相机，第五反射镜的光线反射面与第四CCD相机的光线入射面呈45度角。
本技术方案中，激光发射端由单模激光器发出的线偏振激光在经过散光、45°偏振态旋转之后，由第一扩束单元扩束，把激光送入第一PBS偏振分光棱镜，由第一1/4波片和第二1/4波片将激光的振动方向分别改变45°，再由第一反射镜和第二反射镜反射回第一PBS偏振分光棱镜合束，形成偏振方向正交的激光束，正交的激光束经第三反射镜反射射入第二扩束单元扩束，扩束后的正交的激光束，由第一光楔和第二光楔改变光线出射角度到达扫描的目的，扫描态的正交激光束投射到待测物体上，在接收端，从物体反射回来的正交偏振激光信号由望远单元接收，经由四步相移解包裹技术，还原物体的三维面型。
本技术方案中，激光发射端由单模激光器发出的线偏振激光，经过扩束放大后，在正交偏振模块产生正交偏振结构光，再由二次扩束，经由双光楔调整出射角度，目标调制后的正交偏振结构光发射回来，由激光接收端的光学器件对正交偏振光进行相位分解，CCD成像单元来进行捕捉，四个CCD捕获到四部分相移结构光，通过解激光器回波的信号，由四步相移算法对目标场景进行三维重建。
目标侧的距离可以测量激光发射端发射激光脉冲的时间和激光接收端之间的往返时间t获得，公式中，L为目标到激光雷达之间的距离，c为光在空气中的传播速度，接收端采用光学器件分解相位，四个CCD在同等时刻能够采集得到大面积的三维场景，四个CCD的成像大小均为MxM像素，根据光学器件推算便可获得采集三维场景点云的数量，单模激光器不断的发射激光，激光发射端受信号扫描控制器的驱动，在激光雷达的正前方发射360度的正交偏振结构光扫描，便可获取正前方的三维场景数据，可以通过旋转装置，使激光雷达旋转起来，就可以获取360度范围内的三维目标场景，单模激光器发出的线偏振激光脉冲频率可达几十kHz到100kHz，在短时间内便可对360度三维场景覆盖，激光发射端采用高速扫描机构配合面阵CCD的采样频率，即可在短时间内获得高帧的图像用于三维重建。
本技术方案中的单模激光器为红外光源，采用线偏振红外单模激光器，该波段的激光器能够在暗场条件下工作，采用单模激光器的峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率、占空比动态可调。
本技术方案中，PBS偏振分光镜采用宽带偏振分光镜，适用波长在900-1300nm之间，Tp率>90％,Rs率>99.5％,使用1/4波片，进行相位偏转，反射镜，波长在1000-14000nm之间，材料为K9玻璃，平行度<3’，平均反射率>99.5％。
本技术方案中采用液晶散光板来保证激光的均匀性，两组扩束单元的扩束镜，波长在900-1100nm之间，扩束比2x-6x，波前误差1/5λ，双光楔的光楔角4度，双光楔的扫描使得激光雷达的成像范围大大增加，通过调整光楔的角度，即可获取正前方场景的三维信息。
本技术方案中激光接收端，采用望远单元接收，接收端的第二半波片，第三1/4波片，第二PBS偏振分光棱镜和第三PBS偏振分光棱镜与发射端的第一PBS偏振分光棱镜一致，由望远单元接收受物体调制的偏振结构光，经由通过光学器件的解调获得相位差为π/2的四步相移条纹图。
上述的四个CCD采用四个红外相机，单个相机成像大小MxM像素，在高速采样速率的情况下，满足实时获取四步相移所需的信息。
这种系统具有较高的成像精度、动态的探测范围、实时性强，能实现高精度、远距离、高分辨率的三维成像。
附图说明
图1为实施例的结构示意图；
图2为实施例中双光楔的结构示意图；
图3为实施例中双光楔的扫描示意图；
图4为实施例中偏振分光棱镜PBS分束实现示意图。
图中，1.单模激光器2.液晶散光板3.第一半波片4.第一扩束单元5.正交偏振结构光产生模块6.第一PBS偏振分光棱镜7.第一1/4波片8.第一反射镜9.第二1/4波片反射镜10.第二反射镜11.第三反射镜12.第二扩束单元13.第一光楔14.第二光楔15.扫描控制器16.望远单元17.第二半波片18.BS分光棱镜19.第二PBS偏振分光棱镜20.第四反射镜21.第三1/4波片22.第三PBS偏振分光棱镜23第五反射镜24.第一CCD相机25.第二CCD相机26.第三CCD相机27.第四CCD相机。
具体实施措施
下面结合附图和实施例，对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统，包括计算机终端连接的发射端和接收端，所述发射端包括顺序连接的单模激光器1、液晶散光板2、第一半波片3、第一扩束单元4、正交偏振结构光产生模块5、第三反射镜11、第二扩束单元12、第一光楔13、第二光楔14和扫描控制器15，扫描控制器15与计算机终端连接；所述接收端包括顺序连接的望远单元16、第二半波片17和BS分光棱镜18，还包括与BS分光棱镜18第二连接端连接的第二PBS偏振分光棱镜19和与BS分光棱镜18第三连接端顺序连接的第三1/4波片21、第三PBS偏振分光棱镜22及第五反射镜23，其中，第二PBS偏振分光棱镜19的第二连接端外接第一CCD相机24、第二PBS偏振分光棱镜19的第三连接端顺序连接第四反射镜20和第二CCD相机25，第三PBS偏振分光棱镜22的第二连接端外接第三CCD相机26，第三PBS偏振分光棱镜22的第三连接端连接的第五反射镜23外接第四CCD相机27,第一CCD相机24、第二CCD相机25、第三CCD相机26和第四CCD相机27均与计算机终端连接。
所述发射端中正交偏振结构光产生模块5包括第一PBS偏振分光棱镜6和与第一PBS偏振分光棱镜6第二连接端顺序连接的第一1/4波片7、第一反射镜8及与第一PBS偏振分光棱镜6第三连接端顺序连接的第二1/4波片9、第二反射镜10，其中，第一PBS偏振分光棱镜6内部的镀膜与第一扩束单元4出射的光线呈45°放置，第一1/4波片7、第一反射镜8与第一PBS偏振分光棱镜6内部的镀膜反射光线垂直放置；第二1/4波片9、第二反射镜10与第一PBS偏振分光棱镜6内部的镀膜透射光线垂直放置，正交偏振结构光产生模块5产生的正交偏振结构光入射角与第三反射镜11呈45度角，以保证第三反射镜11出射光线垂直入射到第二扩束单元12。
所述发射端中液晶散光板2的入射面与单模激光器1产生的激光呈90度角，所述液晶散光板2光线的出射面平行于第一半波片3的光线入射面。
所述发射端中第一扩束单元4的光线入射面平行于第一半波片3的光出射面，第一扩束单元4的光线出射面与正交偏振结构光产生模块5的光入射面平行，激光由第一扩束单元4垂直入射至正交偏正结构光产生模块5中。
所述发射端中第一光楔13与第二光楔14对立放置组成双光楔，第一光楔13和第二光楔14的光轴与第二扩束单元12的光轴保持等高设置，如图2所示，与双光楔连接的扫描控制器15用于控制雷达的扫描范围。
所述接收端中第二半波片17的光线入射面平行于望远单元16的光出射面，望远单元16的出射光线与第二半波片17的光线入射面垂直，第二半波片17的光线出射面与BS分光棱镜18的镀膜呈45度角。
所述接收端中BS分光棱镜18的光线反射面与第三1/4波片21的光线入射面呈45度角，BS分光棱镜18的反射光垂直入射于第三1/4波片21。
所述接收端中第二PBS偏振分光棱镜19的设置状态与BS分光棱镜18的设置状态一致，第二PBS偏振分光棱镜19的透射光线垂直入射第一CCD相机24，第二PBS偏振分光棱镜19的光线透射面与第一CCD相机24的光线入射面呈45度夹角，第二PBS偏振分光棱镜19的光线反射面与第四反射镜20平行，其中，第二PBS偏振分光棱镜19的反射光线入射于与之呈45度角设置的第四反射镜20,第四反射镜20的反射光线垂直入射第二CCD相机25，第四反射镜20的光线反射面与第二CCD相机25的光线入射面呈45度夹角。
所述接收端中第三PBS偏振分光棱镜22的镀膜与第三1/4波片21的出射面呈45度角，第三PBS偏振分光棱镜22的镀膜与第三CCD相机26的入射面呈45度角，第三PBS偏振分光棱镜22的透射面与第五反射镜23平行。
所述接收端中第五反射镜23的反射光线垂直入射第四CCD相机27，第五反射镜23的光线反射面与第四CCD相机27的光线入射面呈45度角。
本例中，激光发射端由单模激光器1发出的线偏振激光在经过散光、45°偏振态旋转之后，由第一扩束单元4扩束，把激光送入第一PBS偏振分光棱镜6，由第一1/4波片7和第二1/4波片9将激光的振动方向分别改变45°，再由第一反射镜8和第二反射镜10反射回第一PBS偏振分光棱镜6合束，形成偏振方向正交的激光束，正交的激光束经第三反射镜11反射射入第二扩束单元12扩束，扩束后的正交的激光束，由第一光楔13和第二光楔14改变光线出射角度到达扫描的目的，扫描态的正交激光束投射到待测物体上，在接收端，从物体反射回来的正交偏振激光信号由望远单元16接收，经由四步相移解包裹技术，还原物体的三维面型。
本例中，激光发射端由单模激光器发出的线偏振激光，经过扩束放大后，在正交偏振模块产生正交偏振结构光，再由二次扩束，经由双光楔调整出射角度，目标调制后的正交偏振结构光发射回来，由激光接收端的光学器件对正交偏振光进行相位分解，CCD成像单元来进行捕捉，四个CCD捕获到四部分相移结构光，通过解激光器回波的信号，由四步相移算法对目标场景进行三维重建。
目标侧的距离可以测量激光发射端发射激光脉冲的时间和激光接收端之间的往返时间t获得，公式中，L为目标到激光雷达之间的距离，c为光在空气中的传播速度，接收端采用光学器件分解相位，四个CCD在同等时刻能够采集得到大面积的三维场景，四个CCD大小为MxM像素，根据光学器件推算便可获得采集三维场景点云的数量，单模激光器不断的发射激光，激光发射端受信号扫描控制器的驱动，在激光雷达的正前方发射360度的正交偏振结构光扫描，便可获取正前方的三维场景数据，可以通过旋转装置，使激光雷达旋转起来，就可以获取360度范围内的三维目标场景，单模激光器发出的线偏振激光脉冲频率可达几十kHz到100kHz，在短时间内便可对360度三维场景覆盖，激光发射端采用高速扫描机构配合面阵CCD的采样频率，即可在短时间内获得高帧的图像用于三维重建。
本例中的单模激光器1为红外光源，采用线偏振红外单模激光器，该波段的激光器能够在暗场条件下工作，采用单模激光器的峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率、占空比动态可调。
本例中，PBS偏振分光镜采用宽带偏振分光镜，适用波长在900-1300nm之间，Tp率>90％,Rs率>99.5％,使用1/4波片，进行相位偏转，反射镜，波长在1000-14000nm之间，材料为K9玻璃，平行度<3’，平均反射率>99.5％。
本例中采用液晶散光板来保证激光的均匀性，两组扩束单元的扩束镜，波长在900-1100nm之间，扩束比2x-6x，波前误差1/5λ，双光楔的光楔角4度，双光楔的扫描使得激光雷达的成像范围大大增加，通过调整光楔的角度，即可获取正前方场景的三维信息，双光楔扫描示意图如图3所示。
本例中激光接收端，采用望远单元16接收，接收端的第二半波片17，第三1/4波片21，第二PBS偏振分光棱镜19和第三PBS偏振分光棱镜22与发射端的第一PBS偏振分光棱镜6一致，由望远单元16接收受物体调制的偏振结构光，经由通过光学器件的解调获得相位差为π/2的四步相移条纹图。
本例中的四个CCD采用四个红外相机，单个相机成像大小MxM像素，在高速采样速率的情况下，满足实时获取四步相移所需的信息。
本例中的单模激光器1发射的偏振激光，在经过液晶散光板2之后，使得光斑的均匀性得到保证，偏振分光棱镜PBS，具有对光线分束和合束的功能(依靠百分之50的半反半透膜)，在分束和合束之后，就生成了具有两个偏振态的光束，这两个偏振态相互正交，PBS分束实现图4所示，合束为其逆状态，在P态偏振光出射面垂直放置第一反射镜8，S态偏振光出射面垂直放置第二反射镜10，两束反射光在PBS里合束便得到了具有两个偏振态的合束激光。
接收端光学原理如下：
接收端使用四幅条纹图还原物体的三维面型，理论公式可由琼斯矩阵推导得出，通过望远接收单元16后的两束正交偏振激光，其琼斯矩阵可以分别由公式(1)的BV和BH表示：
BV、BH为正交偏振光束的琼斯矩阵表达式，为两束激光的相位差，接收端的半波片快轴方向放置在与x轴成π/8的位置，经过半波片后，光束的琼斯矩阵为公式(2)：
通过BS分光棱镜后的反射琼斯矩阵和透射琼斯矩阵分别由公式(3)的GBR和GBT表示：
rs、ts为分光镜BS对s光的振幅反射系数和振幅透射系数，rp、tp为分光镜BS对p光的振幅反射系数和振幅透射系数，而PBS的反射和透射琼斯矩阵为公式(4)的GPBr和GPBt表示：
而1/4波片的快轴方向与x轴成45度，其琼斯矩阵为公式(5)：
由此得到光束通过半波片、BS和PBS，照射到第一CCD相机24上后，其组合琼斯矩阵为公式(6)：
并得到第一CCD相机24上的两束激光分别为公式(7)、公式(8)：
照射到第二CCD相机25-第四CCD相机27上依理可以推导，由此得到四个CCD相机上的光强分别为公式(9)-公式(12)
根据获得的四幅条纹图，通过四步相移法提取相位，并采用相位解包裹算法获得最终的连续相位，标定参数后可以获得目标成像面的空间信息。

Claims (10)

1.一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统，包括计算机终端连接的发射端和接收端，其特征在于，所述发射端包括顺序连接的单模激光器、液晶散光板、第一半波片、第一扩束单元、正交偏振结构光产生模块、第三反射镜、第二扩束单元、第一光楔、第二光楔和扫描控制器，扫描控制器与计算机终端连接；所述接收端包括顺序连接的望远单元、第二半波片和BS分光棱镜，还包括与BS分光棱镜第二连接端连接的第二PBS偏振分光棱镜和与BS分光棱镜第三连接端顺序连接的第三1/4波片、第三PBS偏振分光棱镜及第五反射镜，其中，第二PBS偏振分光棱镜的第二连接端外接第一CCD相机、第二PBS偏振分光棱镜的第三连接端顺序连接第四反射镜和第二CCD相机，第三PBS偏振分光棱镜的第二连接端外接第三CCD相机，第三PBS偏振分光棱镜的第三连接端连接的第五反射镜外接第四CCD相机，第一CCD相机、第二CCD相机、第三CCD相机和第四CCD相机均与计算机终端连接。
2.根据权利要求1所述的面阵扫描式激光远距离三维测量系统，其特征在于，所述发射端中正交偏振结构光产生模块包括第一PBS偏振分光棱镜和与第一PBS偏振分光棱镜第二连接端顺序连接的第一1/4波片、第一反射镜及与第一PBS偏振分光棱镜第三连接端顺序连接的第二1/4波片、第二反射镜，其中，第一PBS偏振分光棱镜内部的镀膜与第一扩束单元4出射的光线呈45°放置，第一1/4波片、第一反射镜与第一PBS偏振分光棱镜内部的镀膜反射光线垂直放置；第二1/4波片、第二反射镜与第一PBS偏振分光棱镜内部的镀膜透射光线垂直放置，正交偏振结构光产生模块产生的正交偏振结构光出射面与第三反射镜呈45度角，以保证第三反射镜出射光线垂直入射到第二扩束单元。
3.根据权利要求1所述的面阵扫描式激光远距离三维测量系统，其特征在于，所述发射端中液晶散光板的入射面与单模激光器产生的激光呈90度角，所述液晶散光板光线的出射面平行于第一半波片的光线入射面。
4.根据权利要求1所述的面阵扫描式激光远距离三维测量系统，其特征在于，所述发射端中第一扩束单元的光线入射面平行于第一半波片的光出射面，第一扩束单元的光线出射面与正交偏振结构光产生模块的光入射面平行，激光由第一扩束单元垂直入射至正交偏正结构光产生模块中。
5.根据权利要求1所述的面阵扫描式激光远距离三维测量系统，其特征在于，所述发射端中第一光楔与第二光楔对立放置组成双光楔，第一光楔和第二光楔的光轴与第二扩束单元的光轴保持等高放置。
6.根据权利要求1所述的面阵扫描式激光远距离三维测量系统，其特征在于，所述接收端中第二半波片的光线入射面平行于望远单元的光出射面，望远单元的出射光线与第二半波片的光线入射面垂直，第二半波片的光线出射面与BS分光棱镜的内部镀膜呈45度角。
7.根据权利要求1所述的面阵扫描式激光远距离三维测量系统，其特征在于，所述接收端中BS分光棱镜的光线反射面与第三1/4波片的光线入射面呈45度角，BS分光棱镜的反射光垂直入射于第三1/4波片。
8.根据权利要求1所述的面阵扫描式激光远距离三维测量系统，其特征在于，所述接收端中第二PBS偏振分光棱镜的设置状态与BS分光棱镜的设置状态一致，第二PBS偏振分光棱镜的透射光线垂直入射第一CCD相机，第二PBS偏振分光棱镜的光线透射面与第一CCD相机的光线入射面呈45度夹角，第二PBS偏振分光棱镜的光线反射面与第四反射镜平行，其中，第二PBS偏振分光棱镜的反射光线入射于与之呈45度角设置的第四反射镜，第四反射镜的反射光线垂直入射第二CCD相机，第四反射镜的光线反射面与第二CCD相机的光线入射面呈45度夹角。
9.根据权利要求1所述的面阵扫描式激光远距离三维测量系统，其特征在于，所述接收端中第三PBS偏振分光棱镜的内部镀膜与第三1/4波片的出射面呈45度角，第三PBS偏振分光棱镜的内部镀膜与第三CCD相机的入射面呈45度角，第三PBS偏振分光棱镜的透射面与第五反射镜平行。
10.根据权利要求1所述的面阵扫描式激光远距离三维测量系统，其特征在于，所述接收端中第五反射镜的反射光线垂直入射第四CCD相机，第五反射镜的光线反射面与第四CCD相机的光线入射面呈45度角。
CN201811302626.2A 2018-11-02 2018-11-02 一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统 Active CN109270551B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811302626.2A CN109270551B (zh) 2018-11-02 2018-11-02 一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811302626.2A CN109270551B (zh) 2018-11-02 2018-11-02 一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109270551A true CN109270551A (zh) 2019-01-25
CN109270551B CN109270551B (zh) 2023-09-08

Family

ID=65191278

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811302626.2A Active CN109270551B (zh) 2018-11-02 2018-11-02 一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109270551B (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110926367A (zh) * 2019-12-17 2020-03-27 重庆理工大学 长程光学表面面形检测装置及检测方法
CN111521994A (zh) * 2020-05-13 2020-08-11 广东博智林机器人有限公司 测量激光雷达的角分辨率、竖直视场角的方法及测试装置
WO2020177076A1 (zh) * 2019-03-05 2020-09-10 深圳市大疆创新科技有限公司 一种探测装置初始状态标定方法及装置
CN111880189A (zh) * 2020-08-12 2020-11-03 中国海洋大学 连续光距离选通激光雷达
CN111895934A (zh) * 2020-07-31 2020-11-06 北京理工大学 一种光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量方法及装置
CN113126107A (zh) * 2019-12-31 2021-07-16 北醒（北京）光子科技有限公司 一种扫描激光雷达
CN113534187A (zh) * 2021-07-16 2021-10-22 哈尔滨工业大学 基于盖革apd阵列激光雷达的数据处理系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100141957A1 (en) * 2008-08-15 2010-06-10 University Of Shanghai For Science And Technology Laser interferometer system for measuring roll angle
CN104296678A (zh) * 2014-09-29 2015-01-21 中国科学院光电研究院 基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪
CN107589428A (zh) * 2017-11-03 2018-01-16 长春理工大学 基于多面阵apd阵列的复合模式激光雷达成像系统
WO2018176321A1 (zh) * 2017-03-27 2018-10-04 苏州优函信息科技有限公司 基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达及探测方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100141957A1 (en) * 2008-08-15 2010-06-10 University Of Shanghai For Science And Technology Laser interferometer system for measuring roll angle
CN104296678A (zh) * 2014-09-29 2015-01-21 中国科学院光电研究院 基于低频差声光移频器移相的外差干涉仪
WO2018176321A1 (zh) * 2017-03-27 2018-10-04 苏州优函信息科技有限公司 基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达及探测方法
CN107589428A (zh) * 2017-11-03 2018-01-16 长春理工大学 基于多面阵apd阵列的复合模式激光雷达成像系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
席云洋: "线阵扫描相机及激光光源技术在TFDS上应用的探讨", 《上海铁道科技》 *
易可佳; 邓廷权; 蒙庆华; 张天序: "一种下一代激光雷达的设计与实现", 《半导体光电》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020177076A1 (zh) * 2019-03-05 2020-09-10 深圳市大疆创新科技有限公司 一种探测装置初始状态标定方法及装置
CN111902732A (zh) * 2019-03-05 2020-11-06 深圳市大疆创新科技有限公司 一种探测装置初始状态标定方法及装置
CN110926367A (zh) * 2019-12-17 2020-03-27 重庆理工大学 长程光学表面面形检测装置及检测方法
CN113126107A (zh) * 2019-12-31 2021-07-16 北醒（北京）光子科技有限公司 一种扫描激光雷达
CN111521994A (zh) * 2020-05-13 2020-08-11 广东博智林机器人有限公司 测量激光雷达的角分辨率、竖直视场角的方法及测试装置
CN111895934A (zh) * 2020-07-31 2020-11-06 北京理工大学 一种光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量方法及装置
CN111895934B (zh) * 2020-07-31 2021-07-16 北京理工大学 一种光学元件表面局部陡度面形误差干涉测量方法及装置
CN111880189A (zh) * 2020-08-12 2020-11-03 中国海洋大学 连续光距离选通激光雷达
CN111880189B (zh) * 2020-08-12 2022-07-15 中国海洋大学 连续光距离选通激光雷达
CN113534187A (zh) * 2021-07-16 2021-10-22 哈尔滨工业大学 基于盖革apd阵列激光雷达的数据处理系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN109270551B (zh) 2023-09-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109270551A (zh) 一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统
JP7402868B2 (ja) 走査ｌｉｄａｒにおけるデスキャン補正
Breugnot et al. Modeling and performances of a polarization active imager at λ= 806nm
EP0880676B1 (en) Apparatus and methods for surface contour measurement
CN101846745B (zh) 基于强关联量子成像原理的激光雷达
KR101922046B1 (ko) 편광 변조 포켈스 셀과 마이크로 편광자 카메라를 사용하는 고 해상도 및 거리정밀도를 갖는 3차원 플래시 라이다 시스템
JP6621580B2 (ja) レーザー計測システムおよび方法
CN108036737B (zh) 一种全场照明快照式检测反射面面形的装置及方法
CN104412125B (zh) 测量装置、系统和方法
CN108955563B (zh) 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
CN108957471A (zh) 基于调频连续波激光测距的三维测量系统
CN104483676A (zh) 一种3d/2d非扫描激光雷达复合成像装置
CN101876709A (zh) 条纹管激光雷达成像探测系统
CN105954734B (zh) 大口径激光雷达光轴监测装置
CN102253393A (zh) 一种多光谱条纹管激光雷达偏振成像装置
CN109991623A (zh) 一种分布式激光雷达
Curless Overview of active vision techniques
CN109991622A (zh) 一种激光雷达
CN103293524B (zh) 迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机
CN108931784A (zh) 基于激光频率扫描干涉测距的三维测量系统
CN104251995A (zh) 彩色激光三维扫描技术
CN111158061A (zh) 一种多维度信息探测装置及其测量方法
CN103308715A (zh) 基于双色激光扫描技术的低功耗粒子图像测速系统
CN209102016U (zh) 一种远距离结构光三维测量装置
CN209086436U (zh) 一种面阵扫描式激光远距离三维测量系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant