CN114814867A - 一种基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统及方法 - Google Patents

一种基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统及方法，属于高精度三维空间信息测量领域。系统包括：调频连续波光梳光源，包括光梳光源、单边带调制器等，用于生成具有线性调频特性的光梳信号；固态扫描装置，包括分束器、准直器、色散光栅等，用于实现沿水平(或垂直)方向的扫描；旋转扫描装置，包括电机、编码器、振镜等，用于实现垂直(或水平)方向的扫描；信息采集和处理系统，包括光学镜组、光电探测器、信号处理器等，用于采集并处理测距和测角信息，并整合得到空间三维点云。本发明有效解决了大量程和高精度不可兼得的矛盾，同时采用基于色散光栅的固态扫描替代一路旋转扫描，降低了振镜的控制难度和不稳定性。

Description

一种基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统及方法
技术领域
本发明涉及高精度三维空间信息测量领域，具体涉及一种基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统及方法。
背景技术
随着飞秒激光技术和激光稳频技术的发展，通过对飞秒激光输出脉冲的间隔和脉冲光学相位精密控制，获得了稳定的飞秒脉冲序列。这些脉冲序列在频域上表现为一系列频率间隔精确相等、频率精度极高的梳齿，每根梳齿相当于线宽极窄的“超稳激光源”，即飞秒光梳。飞秒光梳是超短脉冲激光产生技术和超稳激光技术结合的产物，它的出现推动了光频测量、精密光谱学和高精度测距等领域的迅猛发展。
飞秒光梳具有光谱范围宽、重复频率高、频率稳定度好等优点，作为测距光源，可实现大范围、高速、高精度绝对距离测量，解决了传统测距技术大量程和高精度不可兼得的矛盾，在三维空间测量、激光雷达、深空探测和精密制造业等军事、科研和工业领域都具有重要意义和应用价值。
调频连续波(FMCW)技术作为一种新型的高精度测距方法，已广泛应用于激光雷达等领域，与飞行时间法、相位法相比具有高精度、大量程、易于实现片上集成等优势。
传统的三维扫描技术通常采用双轴电机带动振镜二维高速旋转实现空间扫描，然而该方式具有控制难度大、具有运动部件、稳定性差等突出问题。为此，本发明针对光梳光源特性，提出采用色散光栅替代一个维度的机械式扫描，形成固态扫描，由于一维振镜的运动控制难度远小于二维振镜，因此有效降低了系统的控制难度，同时提高了系统稳定度。
发明内容
为了解决现有三维扫描仪高精度与大量程不可兼得、转位机构控制难度大、稳定性差、难以小型化等缺陷，本发明结合光梳光源、FMCW技术、固态扫描技术，提出一种基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统及方法，将光梳光源经过单边带调制器调制加载线性扫频特性，以实现FMCW测距功能，同时利用光梳信号各个“梳齿”具有相同频率差的特性，采用色散光栅实现一个维度的固态扫描，另一个正交维度的扫描采用单轴电机控制振镜实现，从而达到三维扫描的目的。本发明所提出的方法可有效解决三维扫描仪高精度与大量程之间的矛盾，同时降低了振镜的控制难度和不稳定性，可用于实现实用化的大量程、高速、高精度空间三维扫描。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统，包括调频连续波光梳光源、固态扫描装置、旋转扫描装置、信号采集和处理系统；所述的调频连续波光梳光源用于生成具有线性调频特性的光梳信号；
所述的固态扫描装置包括分束器、色散光栅、第一准直器、第二准直器；所述的分束器的入口连接调频连续波光梳光源的出口，分束器的出口a与第一准直器入口连接，分束器的出口b与信号采集和处理系统的第一入口连接；所述的第一准直器出口输出的光信号经色散光栅后入射至旋转扫描装置，从旋转扫描装置返回的光信号经色散光栅后入射至第二准直器，第二准直器出口与信号采集和处理系统的第二入口连接；
所述的信号采集和处理系统用于分离不同频率的光梳信号，得到目标物的空间三维点云。
作为本发明的优选，所述的调频连续波光梳光源包括依次连接的光梳光源、掺铒光纤放大器和单边带调制器，所述的单边带调制器能够将光梳光源发射的单频光梳信号调制为线性扫频信号；
所述的线性扫频信号的瞬时频率随时间线性变化，所述的瞬时频率为：
f＝k*t+f0
其中，f0为扫频信号初始频率，k为扫频速率，t为时刻，0<＝t<＝T，T为扫频时长。
作为本发明的优选，所述的线性扫频信号的最大扫频范围F＝kT+f0小于光梳光源的重复频率。
作为本发明的优选，所述的色散光栅能够将不同频率的入射光梳信号出射至不同角度，且出射角度与入射光梳信号的频率存在定量关系，入射光梳信号经过色散光栅后沿水平或垂直方向形成线型阵列，构成一个维度的扫描。
作为本发明的优选，所述的旋转扫描装置包括反射镜、振镜、用于控制振镜转动的电机和用于检测振镜旋转角度的编码器；所述的反射镜位于色散光栅与振镜之间的光路上，使得色散光栅出射信号以45度入射振镜旋转面上；所述的振镜旋转面与光梳信号经色散光栅后形成的线型阵列的方向垂直，构成另一个维度的扫描。
作为本发明的优选，所述的信号采集和处理系统包括第一解复用器、第二解复用器、平衡光电探测器和信号处理器；所述的第一解复用器入口与分束器出口b连接，第二解复用器入口与第二准直器出口连接，第一解复用器出口与第二解复用器出口均与平衡光电探测器入口连接，平衡光电探测器出口与信号处理器连接。
作为本发明的优选，所述的分束器采用90:10分束器，其中90％的一路光信号作为测量光从分束器的出口a射出，10％的一路光信号作为参考光从分束器的出口b射出。
本发明还提出了一种基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统的扫描方法，包括以下步骤：
1)光梳光源出射的光梳信号放大后进入单边带调制器，出射为具有线性扫频特性的调频连续波光梳信号，后进入分束器；
2)从分束器的出口a射出的测量光通过第一准直器后成为空间光，空间光经过色散光栅后，由于每个“梳齿”的主频不同，形成N路沿不同方向出射的线性扫频光信号，经过反射后沿45度入射振镜，通过控制振镜的转动角度，使得从振镜出射的光朝向目标物的待测点；经目标物反射后的光信号原路返回至色散光栅，经第二准直器耦合，进入第二解复用器；
从分束器的出口a射出的参考光直接进入第一解复用器；
3)所述的第一解复用器和第二解复用器分别将入射的光梳信号的不同“梳齿”分离到不同路输出，对应“梳齿”信号成对进入平衡光电探测器，完成相干检测后转换为电信号，之后进入信号处理器完成解算，得到目标物的空间三维点云。
作为本发明的优选，所述的信号处理器在解算过程中，结合测距信息、色散光栅的出射角度信息、以及编码器输出的振镜转动角度信息，最终解算得到空间目标物中每一个测量点的三维空间坐标。
作为本发明的优选，所述的测距信息获得方法为：由于目标物的不同测量点的背向散射光到达平衡光电探测器的时间不同，因此与参考光干涉形成的射频信号频率不同，通过解算射频信号的频率，从而在频域上进行位置的区分，得到测距信息。
本发明具备的有益效果是：
本发明的基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统结合高性能光梳光源、FMCW技术、固态扫描技术实现三维空间扫描，具有高精度、大量程、高稳定性等优点。具体而言：
(1)本发明提出的三维扫描系统采用光梳光源与FMCW技术实现测距，与传统的飞行时间法、相位法相比具有高精度、大量程的优势；
(2)本发明基于光梳信号的频域特性，利用色散光栅实现一个维度的固态扫描，与传统的二维振镜扫描相比，控制难度显著降低，系统稳定性明显提高；
附图说明
图1是本发明中基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统的示意图；
图2是本发明中利用色散光栅实现固态扫描的示意图；
图3是本发明中调频连续波光梳信号特性的示意图；
图4是本发明中FMCW测距方法的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记代表同样的技术特征，具体如下：光梳光源1、掺铒光纤放大器2、单边带调制器3、分束器4、第一准直器5、第二准直器6、色散光栅7、反射镜8、振镜9、电机10、编码器11、目标物12、第一解复用器13、第二解复用器14、平衡光电探测器15、信号处理器16。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提出的基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统包括光梳光源1、掺铒光纤放大器2、单边带调制器3、90：10分束器4、第一准直器5、第二准直器6、色散光栅7、反射镜8、振镜9、电机10、编码器11、目标物12、第一解复用器13、第二解复用器14、平衡光电探测器15、信号处理器16。
所述光梳光源1、掺铒光纤放大器2、单边带调制器3、90:10分束器4依次连接，90:10分束器出口a与第一准直器5入口连接，出口b与第一解复用器13入口连接，第二准直器6出口与第二解复用器14入口连接，第一解复用器13和第二解复用器14出口与平衡光电探测器两个入口分别连接，平衡光电探测器出口与信号处理器连接。
所述单边带调制器3可将单频光信号调制为线性扫频信号；其中，所述线性扫频信号的瞬时频率随时间线性变化，设扫频信号初始频率为f0，扫频速率为k，扫频时长为T，则瞬时光频率f与时间t的关系为：f＝k*t+f0(0<＝t<＝T)；且扫频信号的最大扫频范围F＝f0+kT与光梳光源重复频率R的关系为：R>F。
所述色散光栅可将不同频率的入射光出射至不同角度，且角度与频率存在与光栅本身相关的定量关系，光梳信号经色散光栅后沿水平(或垂直)方向形成线型阵列，构成一个维度的扫描。
所述反射镜特定角度放置使色散光栅出射信号可以45度入射振镜，振镜具有反射镜特性，振镜与电机、编码器构成旋转模块，振镜旋转面与光梳信号经色散光栅后形成的线型阵列的方向垂直，构成另一个维度的扫描。
如图2所示，所述的色散光栅7可将不同频率的入射光分离至不同的出射方向，色散光栅7特性符合基本光栅方程：mλ＝d(sinα+sinβ)，其中，λ为入射光波长，α为入射角，d为光栅沟槽间距，β为出射角，m为整数。
光梳光源出射的光梳信号放大后进入单边带调制器，出射后为具有线性扫频特性的调频连续波光梳信号，即具有N(N>2)个“梳齿”且每个“梳齿”都具有线性扫频特性的调频连续波光梳信号，如图3所示，所述的调频连续波光梳信号在时域上表现为一个连续信号叠加周期性包络，在频域上表现为N个重复频率为R的等间隔“梳齿”，且每根“梳齿”的宽度为线性扫频范围F。
如图4所示，所述FMCW测距方法中，将色散光梳7分离各个“梳齿”后出射的高相干的线性扫频光分为两路，一路作为探测光射向目标物12，另一路是本地参考光，用做相干接收。利用不同位置的目标物12背向散射光到达本地的时间不同，与本地参考光干涉形成的射频信号频率不同，从而在频域上进行位置的区分，实现高精度测距。
本发明的工作原理为：
光梳光源1出射重复频率为R的光梳信号，经掺铒光纤放大器2放大后进入单边带调制器3，通过特定射频调制使光梳信号每个“梳齿”都具有线性扫频特性，扫频范围为F；调制后的信号光经90:10分束器4分为两路，其中能量为10％的一路直接进入第一解复用器13作为参考光，能量为90％的另一路作为测量光；
测量光经第一准直器5后转换为准直的空间光，经色散光栅7后，不同“梳齿”被分离为沿不同方向出射，经反射镜8反射后到达振镜9，振镜9由电机10带动进行高速旋转，从而将光信号出射至空间的不同目标物12，实现空间的三维扫描。测量光经目标物12反射后沿振镜9、反射镜8、色散光梳7最终入射第二准直器6，由空间光耦合到光纤中，到达第二解复用器14；所述的第一解复用器13和第二解复用器14分别将参考光和测量光中的对应的不同“梳齿”信号分离到不同的通道出射，相对应的成对“梳齿”信号进入平衡光电探测器15，完成相干检测。
所述的平衡光电探测器15完成光电转换后输出电流信号，由信号处理器16进行检测和处理，结合测距信息、色散光栅7出射角度信息以及编码器11输出的振镜9转动角度信息，最终解算得到空间中每一个测量点的三维空间坐标。
本实例中，采用的光梳光源1为自行搭建的掺铒光纤光梳光源，内部为非线性偏振旋转锁模机制的环形腔结构，重复频率R＝200MHz；单边带调制器3采用铌酸锂IQ强度调制器；色散光栅7采用newport公司产品，凹槽密度为1200/mm；准直器采用thorlab公司的可调光纤准直器；平衡光电探测器15采用thorlab公司的1GHz带宽InGaAs探测器；电机10采用力矩电机，编码器11采用高精度光栅编码器，实现振镜9的高速高精度控制及角度测量。
在本发明所提出的基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统及方法可有效解决大量程和高精度不可兼得的矛盾，同时通过一维固态扫描降低了振镜的控制难度和不稳定性，可用于实现实用化的大量程、高速、高精度空间三维扫描，在军用和民用领域均有着广阔的应用前景。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统，其特征在于，包括调频连续波光梳光源、固态扫描装置、旋转扫描装置、信号采集和处理系统；所述的调频连续波光梳光源用于生成具有线性调频特性的光梳信号；
所述的固态扫描装置包括分束器(4)、色散光栅(7)、第一准直器(5)和第二准直器(6)；所述的分束器(4)入口与调频连续波光梳光源出口连接，分束器(4)的出口a与第一准直器(5)入口连接，分束器(4)的出口b与信号采集和处理系统的第一入口连接；所述的第一准直器(5)输出的光信号经色散光栅(7)后入射至旋转扫描装置，从旋转扫描装置返回的光信号经色散光栅(7)后入射至第二准直器(6)，第二准直器(6)出口与信号采集和处理系统的第二入口连接；
所述的信号采集和处理系统用于分离不同频率的光梳信号，得到目标物的空间三维点云。
2.如权利要求1所述的基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统，其特征在于，所述的调频连续波光梳光源包括依次连接的光梳光源(1)、掺铒光纤放大器(2)和单边带调制器(3)，所述的单边带调制器(3)能够将光梳光源(1)发射的单频光梳信号调制为线性扫频信号；
所述的线性扫频信号的瞬时频率随时间线性变化，所述的瞬时频率f为：
f＝k*t+f0
其中，f0为扫频信号初始频率，k为扫频速率，t为时刻，0<＝t<＝T，T为扫频时长。
3.如权利要求2所述的基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统，其特征在于，所述的线性扫频信号的最大扫频范围F＝kT+f0小于光梳光源(1)的重复频率。
4.如权利要求1所述的基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统，其特征在于，所述的色散光栅(7)能够将不同频率的入射光梳信号出射至不同角度，且出射角度与入射光梳信号的频率存在定量关系，入射光梳信号经过色散光栅后沿水平或垂直方向形成线型阵列。
5.如权利要求4所述的基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统，其特征在于，所述的旋转扫描装置包括反射镜(8)、振镜(9)、用于控制振镜转动的电机(10)和用于检测振镜旋转角度的编码器(11)；所述的反射镜(8)位于色散光栅(7)与振镜(9)之间的光路上，使得色散光栅(7)出射信号以45度入射振镜(9)旋转面上；所述的振镜旋转面与光梳信号经色散光栅后形成的线型阵列的方向垂直。
6.如权利要求1所述的基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统，其特征在于，所述的信号采集和处理系统包括第一解复用器(13)、第二解复用器(14)、平衡光电探测器(15)和信号处理器(16)；所述的第一解复用器(13)入口与分束器(4)出口b连接，第二解复用器(14)入口与第二准直器(6)出口连接，第一解复用器(13)出口与第二解复用器(14)出口均与平衡光电探测器(15)入口连接，平衡光电探测器(15)出口与信号处理器(16)连接。
7.如权利要求1所述的基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统，其特征在于，所述的分束器(4)采用90:10分束器，其中90％的一路光信号作为测量光从分束器的出口a射出，10％的一路光信号作为参考光从分束器的出口b射出。
8.一种基于权利要求2所述的基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)光梳光源(1)出射的光梳信号放大后进入单边带调制器(3)，出射为具有线性扫频特性的调频连续波光梳信号，后进入分束器(4)；
2)从分束器的出口a射出的测量光通过第一准直器(5)后成为空间光，空间光经过色散光栅(7)后形成N路沿不同方向出射的线性扫频光信号，经过反射后沿45度入射至振镜(9)，通过控制振镜(9)的转动角度，使得从振镜(9)出射的光朝向目标物的待测点；经目标物反射后的光信号原路返回至色散光栅(7)，经第二准直器(6)耦合，进入第二解复用器(14)；
从分束器的出口a射出的参考光直接进入第一解复用器(13)；
3)所述的第一解复用器(13)和第二解复用器(14)分别将入射的光梳信号的不同“梳齿”分离到不同路输出，对应的“梳齿”信号成对进入平衡光电探测器，完成相干检测后转换为电信号，之后进入信号处理器(16)完成解算，得到目标物的空间三维点云。
9.如权利要求8所述的基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统的扫描方法，其特征在于，所述的信号处理器(16)在解算过程中，结合测距信息、色散光栅(7)的出射角度信息、以及编码器(11)输出的振镜(9)转动角度信息，最终解算得到空间目标物中每一个测量点的三维空间坐标。
10.如权利要求9所述的基于调频连续波光梳光源的激光三维扫描系统的扫描方法，其特征在于，所述的测距信息获得方法为：由于目标物的不同测量点的背向散射光到达平衡光电探测器的时间不同，因此与参考光干涉形成的射频信号频率不同，通过解算射频信号的频率，从而在频域上进行位置的区分，得到测距信息。
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