CN112462386A - 一种组合式的连续调频激光雷达的二维形貌扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式的连续调频激光雷达的二维形貌扫描装置，包括可调谐激光器、扫描定位系统、组合式干涉仪系统、波长校准光路、时钟干涉仪系统和数据采集系统；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；组合式干涉仪系统用于光点强度探测以及单点距离的高精度测量；波长校准光路用于光源扫频非线性的监测；时钟干涉仪系统用于测量信号的时钟采样；数据采集系统结合目标x‑y位置信息和距离信息来完成目标形貌的二维相貌拟合。本发明的二维形貌扫描装置，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，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

一种组合式的连续调频激光雷达的二维形貌扫描装置

技术领域

本发明属于精密计量领域，特别涉及一种组合式的连续调频激光雷达的二维形貌扫描装置，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

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种组合式的连续调频激光雷达的二维形貌扫描装置，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。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种组合式的连续调频激光雷达的二维形貌扫描装置，包括扫描定位系统、组合式干涉仪系统、波长校准光路、时钟干涉仪系统和数据采集及处理系统；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光源和用于调整扫描方向的电流扫描振镜；所述组合式干涉仪系统产生拍频信号U1，用于光点强度探测以及单点距离的高精度测量；所述波长校准光路产生信号U2，根据信号特性追踪光源的波长变化,用于光源扫频非线性的监测；所述时钟干涉仪系统产生拍频信号U3，用于测量信号的时钟采样；所述数据采集及处理系统包括计算机，用于结合目标的x-y位置信息和距离信息来完成目标形貌的二维相貌拟合。

进一步讲，本发明所述的二维形貌扫描装置，其中：

所述扫描定位系统包括可调谐激光器，所述可调谐激光器用于产生连续扫频激光；发射的调频激光经过光学放大器EDFA被第一分束器分为A,B两部分；A部光束经过第二分束器后，其部分光C进入光纤环形器；出来后与单频可见光激光器的光束进行合束，依次通过波分复用器、第一光纤输出镜到达空气光路，然后被第一聚焦透镜整形后，经过电流扫描振镜调整扫描方向，达到目标表面；其中，电流扫描振镜经过计算机控制，由驱动器对扫描角度和角分辨力进行控制，从而完成目标的单点扫描。

所述的组合式干涉仪系统包括第二分束器、光纤环形器、第三分束器、第一3dB耦合器、第一光电探测器、第二光纤输出镜、第二聚焦透镜和红外相机；从第一分束器出来的A光束经过第二分束器分为两束C和D，其中C经过光纤环形器后进入扫描定位系统，然后经过目标表面沿原路反射回来，再次经过环形器和第三分束器分为E和F两部分；而D光束经过光学衰减器与E光束在第一3dB耦合器处汇合，发生干涉，产生拍频信号U1，该拍频信号U1被第一光电探测器接收；F部分的光束经过第二光纤输出镜、第二聚焦透镜后，被红外相机接收。

所述的波长校准光路包含分子气体吸收腔和第二光电探测器；从第一分束器分束的部分光B经过第四分束器再次分束为G和H；G光束进入分子气体吸收腔后，送入光电探测器，产生信号U2，根据信号特性，以追踪可调谐激光器的波长变化。

所述的时钟干涉仪系统，包含第五分束器、单模光纤、第二3dB耦合器、平衡光电探测器；从第四分束器分出来的另外一部分光束H经过第五分束器分为两路，一路进入单模光纤与另外一路光束在第二3dB耦合器发生汇合，发生干涉，产生拍频信号U3，被平衡探测器接收。

所述的时钟干涉仪系统的干涉拍频信号U3，其零均值点作为采集卡的采样时钟，用于对组合式干涉仪系统产生的拍频信号U1进行重采样；得到的重采样信号经过色散补偿、频谱分析、送入计算机计算得到目标表面的单点距离信息；与此同时，根据电流扫描振镜的扫描方向记录每个测量点的坐标；所述的电流扫描振镜记录完一个待测点坐标，立刻送往计算机与频谱分析的距离信息进行匹配；完成这一过程之后，就开始下一点的扫描；最后根据记录的位置点和距离信息，绘制出目标表面的二维形貌。

与现有技术相比，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，本发明装置可以达到更高测量分辨率和测量精度；

(2)相比于激光跟踪仪等高精度的测量手段，本发明装置测量效率高，并还可以实现无合作目标的形貌测量。

(3)使用本发明的二维形貌扫描装置无需合作目标，可以实现静态或者动态目标的二维形貌测量，适合于无合作目标扫描成像、无人驾驶等高精度测量领域。

附图说明

图1为本发明组合式的连续调频激光雷达的二维形貌扫描装置示意图；

图2为本发明的二维形貌扫描装置形貌测量流程图；

图中：

1-可调谐激光器 2-光纤放大器(EDFA) 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-第一光纤输出镜 9-第一聚焦透镜

10-电流扫描振镜 11-目标表面 12-第三分束器

13-第一3dB耦合器 14-第一光电探测器 15-第二光纤输出镜

16-第二聚焦透镜 17-红外相机 18-光学衰减器

19-第四分束器 20-分子气体吸收腔 21-第二光电探测器

22-第五分束器 23-单模光纤 24-第二3dB耦合器

25-平衡探测器 27-采集卡 31-驱动器

32-计算机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，本发明一种组合式的连续调频激光雷达的二维形貌扫描装置，包括四大组成系统：扫描定位系统，用于目标的定位与光束扫描；组合式干涉仪系统，用于光点强度探测以及单点距离的高精度测量；波长校准光路，用于光源扫频非线性的监测；时钟干涉仪系统，用于测量信号的时钟采样。

所述的扫描定位系统包括用于产生连续扫频激光的可调谐激光器1，该可调谐激光器1发射的调频激光经过光学放大器EDFA2被第一分束器3分为A,B两部分；A部光束经过第二分束器4后，其部分光C进人光纤环形器5；出来后与单频可见光激光器6的光束进行合束，通过波分复用器7、第一光纤输出镜8到达空气光路，然后被第一聚焦透镜9整形后，经过电流扫描振镜10调整扫描方向，达到目标表面11。其中，电流扫描振镜10经过计算机32控制，由驱动器31对扫描角度(包括俯仰、偏摆)和角分辨力进行控制，从而完成目标的单点扫描。

所述的组合式干涉仪系统包括第二分束器4、光纤环形器5、第三分束器12、第一3dB耦合器13、第一光电探测器14、第二光纤输出镜15、第二聚焦透镜16、红外相机17；从第一分束器3出来的A光束经过第二分束器4分为两束C和D，其中C经过光纤环形器5后进入扫描定位系统，然后经过目标表面11沿原路反射回来，再次经过环形器5和第三分束器12分为E和F两部分；而D光束经过光学衰减器18与E光束在第一3dB耦合器13处汇合，发生干涉，产生拍频信号U1，该拍频信号U1被第一光电探测器14接收；F部分的光束经过第二光纤输出镜15、第二聚焦透镜16后，被红外相机17接收。

所述的波长校准光路包含分子气体吸收腔20和第二光电探测器21。从第一分束器3分束的部分光B经过第四分束器19再次分束为G和H；G光束进入分子气体吸收腔后，送入光电探测器，产生信号U2，根据信号特性，以追踪可调谐激光器1的波长变化。

所述的时钟干涉仪系统，包含第五分束器22、单模光纤23、第二3dB耦合器24、平衡光电探测器25；从第四分束器19分出来的另外一部分光束H经过第五分束器22分为两路，一路进入单模光纤23与另外一路光束在第二3dB耦合器24发生汇合，发生干涉，产生拍频信号U3，被平衡探测器25接收。

所述的时钟干涉仪系统的干涉拍频信号U3，其零均值点作为采集卡27的采样时钟26，用于对组合式测量系统产生的拍频信号U1进行重采样28；得到的重采样信号经过色散补偿29、频谱分析30、送入计算机32计算得到目标表面11的单点距离信息；与此同时，根据电流扫描振镜10的扫描方向记录每个测量点的坐标。

所述的扫描定位系统的电流扫描振镜10记录完一个待测点坐标，立刻送往计算机32,完成与频谱分析(30)完的距离信息进行匹配；完成这一过程之后，就开始下一点的扫描；最后根据记录的位置点和距离信息，绘制出目标表面11的二维形貌。

如图2所示，使用本发明所述的二维形貌扫描装置，基本过程是：系统初始化，设置可调谐激光器1的扫频参数，电流扫描振镜10的扫描参数；打开组合式干涉仪的第一光电探测器14和时钟干涉仪的平衡探测器25，记录拍频；与此同时，打开波长校准光路的第二光电探测器21，准备对光源(可调谐激光器1)的波长进行监测；打开单频可见光激光器6和红外相机17，记录每个光点的光强值，对校正后的重采样信号进行修正；时钟干涉仪对组合干涉仪的拍频重采样；对重采样进行色散误差校正；对校正后的重采样信号进行频谱分析，获得距离信息，并结合扫描位置信息拟合待测目标二维形貌。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，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，而不是限制性的，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的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种组合式的连续调频激光雷达的二维形貌扫描装置，包括扫描定位系统、组合式干涉仪系统、波长校准光路、时钟干涉仪系统和数据采集及处理系统；

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光源和用于调整扫描方向的电流扫描振镜(10)；所述组合式干涉仪系统产生拍频信号U1，用于光点强度探测以及单点距离的高精度测量；所述波长校准光路产生信号U2，根据信号特性追踪光源的波长变化,用于光源扫频非线性的监测；所述时钟干涉仪系统产生拍频信号U3，用于测量信号的时钟采样；所述数据采集及处理系统计算机(32)，用于结合目标的x-y位置信息和距离信息来完成目标形貌的二维相貌拟合。

2.根据权利要求1所述的二维形貌扫描装置，其特征在于：所述扫描定位系统包括可调谐激光器(1)，所述可调谐激光器(1)用于产生连续扫频激光；发射的调频激光经过光学放大器EDFA(2)被第一分束器(3)分为A,B两部分；A部光束经过第二分束器(4)后，其部分光C进入光纤环形器(5)；出来后与单频可见光激光器(6)的光束进行合束，依次通过波分复用器(7)、第一光纤输出镜(8)到达空气光路，然后被第一聚焦透镜(9)整形后，经过电流扫描振镜(10)调整扫描方向，达到目标表面(11)；其中，电流扫描振镜(10)经过计算机(32)控制，由驱动器(31)对扫描角度和角分辨力进行控制，从而完成目标的单点扫描。

3.根据权利要求1所述的二维形貌扫描装置，其特征在于：所述的组合式干涉仪系统包括第二分束器(4)、光纤环形器(5)、第三分束器(12)、第一3dB耦合器(13)、第一光电探测器(14)、第二光纤输出镜(15)、第二聚焦透镜(16)和红外相机(17)；从第一分束器(3)出来的A光束经过第二分束器(4)分为两束C和D，其中C经过光纤环形器(5)后进入扫描定位系统，然后经过目标表面(11)沿原路反射回来，再次经过环形器(5)和第三分束器(12)分为E和F两部分；而D光束经过光学衰减器(18)与E光束在第一3dB耦合器(13)处汇合，发生干涉，产生拍频信号U1，该拍频信号U1被第一光电探测器(14)接收；F部分的光束经过第二光纤输出镜(15)、第二聚焦透镜(16)后，被红外相机(17)接收。

4.根据权利要求1所述的二维形貌扫描装置，其特征在于：所述的波长校准光路包含分子气体吸收腔(20)和第二光电探测器(21)；从第一分束器(3)分束的部分光B经过第四分束器(19)再次分束为G和H；G光束进入分子气体吸收腔后，送入光电探测器，产生信号U2，根据信号特性，以追踪可调谐激光器(1)的波长变化。

5.根据权利要求1所述的二维形貌扫描装置，其特征在于：所述的时钟干涉仪系统，包含第五分束器(22)、单模光纤(23)、第二3dB耦合器(24)、平衡光电探测器(25)；从第四分束器(19)分出来的另外一部分光束H经过第五分束器(22)分为两路，一路进入单模光纤(23)与另外一路光束在第二3dB耦合器(24)发生汇合，发生干涉，产生拍频信号U3，被平衡探测器(25)接收。

6.根据权利要求1所述的二维形貌扫描装置，其特征在于：所述的时钟干涉仪系统的干涉拍频信号U3，其零均值点作为采集卡的采样时钟，用于对组合式干涉仪系统产生的拍频信号U1进行重采样；得到的重采样信号经过色散补偿、频谱分析、送入计算机(32)计算得到目标表面(11)的单点距离信息；与此同时，根据电流扫描振镜(10)的扫描方向记录每个测量点的坐标；所述的电流扫描振镜(10)记录完一个待测点坐标，立刻送往计算机(32)与频谱分析的距离信息进行匹配；完成这一过程之后，就开始下一点的扫描；最后根据记录的位置点和距离信息，绘制出目标表面(11)的二维形貌。

Images