CN1268960C - 主动式激光扫描远距离坐标测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速目标信息获取技术的新方法，即主动式激光扫描远距离坐标测量方法。利用红外激光器发出的红外激光束，投射到高速旋转的多面棱镜，形成一个扇形的扫描光平面。再由反射棱镜将此扫描激光束投射到透射反射棱镜，利用透射反射棱镜实现CCD成像视场面与红外激光束扫描扇面的重合，由CCD光电传感器接收激光束扫描到物体上的反射回波信号。同时利用光学滤波器滤除其它与扫描激光波长不相同的光波。本发明的有益效果在于：使光学远距离坐标测量系统不受自然环境、气象条件和日照等因素的影响，能够实现全天候使用。同时可以有效地提高CCD传感器接收信号的信噪比，提高空中投掷物体落点位置或坐标的测量精度。

Description

主动式激光扫描远距离坐标测量方法

                              技术领域

本发明涉及一种高速目标信息获取技术中远距离坐标测量的新方法，属于光电测试技术。

                              背景技术

对于远距离物体坐标的探测目前普遍采用多摄像机测量方法，可以从监测终端的屏幕上看到场景的实况，并通过监测区域中摆放的标志测量出物体的相对位置坐标。此举需要多台摄像机才能覆盖一定的区域，而且摄像机必须高空悬挂才能达到对特定区域的观察视角。该方法受环境和日照的影响也很大，晚上只能通过局部的红外照明才能使用，覆盖区域受到限制，测量精度低。采用光学方法实现远距离坐标实时测量具有精度高，系统简单，维护方便，成本低，便于使用等优点，但是光学方法对气象环境和日照的敏感性在远距离的应用方面也受到很大的限制。因此，寻找一种新的技术方法解决光学应用中所存在的问题就成为对远距离物体坐标进行探测的关键技术。

                              发明内容

本发明的目的是为了解决自然环境、气象及日照对被动式光学坐标测量系统的影响，以及能在远距离使用中获得高的信号信噪比而提出的一种新技术方法。

本发明是通过下述技术方案实现的。发明的原理如图1所示。主动式激光扫描远距离坐标测量方法，采用结构完全相同的两套CCD测量系统，构成交汇组合坐标测量布局，其中每一套CCD测量系统包括：红外激光器(1)、旋转式光学扫描多面棱镜(2)、反射棱镜(3)、透射反射棱镜(4)、CCD光电传感器(5)、光学成像镜头及光学滤波器(6)。利用红外激光器(1)发出的主动式红外激光束，投射到高速旋转的8至24面旋转式光学扫描多面棱镜(2)，使红外激光束产生往复的高速扫描，形成一个扇形的扫描光平面。由反射棱镜(3)将此扫描激光束投射到透射反射棱镜(4)上，由透射反射棱镜(4)实现(光电传感系统线扫描)CCD成像视场面与红外激光束扫描扇面重合，CCD光电传感器(5)接收的是激光扫描到物体上的反射回波信号，根据此回波信号进行交汇组合测量计算，得到被测物体坐标。光学成像镜头中光学滤波器(6)的作用是使与扫描激光波长相同的光通过，而截止其它波长的光。红外激光器(1)采用780至850nm的连续输出激光器。

本发明的优点和有益效果在于：使光学远距离坐标测量系统不受自然环境、气象条件和日照等因素的影响，能够实现全天候使用。同时可以有效地提高CCD传感器接收信号的信噪比，提高对空中投掷物体落点位置或坐标的测量精度。

                              附图说明

图1为本发明技术原理结构图。图中1-红外激光器；2-旋转式光学扫描多面棱镜；3-反射棱镜；4-透射反射棱镜；5-CCD光电传感器；6-光学成像镜头及光学滤波器。

图2为主动式激光扫描远距离坐标测量方法的坐标测量原理图。图中f为CCD成像系统光学镜头的作用焦距，(X，Z)为目标点，x₁和x₂分别为目标点在CCD1和CCD2传感器上的成像坐标，D为CCD₁和CCD₂之间的基线距离，r为目标点距监测区域中心的距离，Z₀为监测区域中心与CCD传感器之间的距离。

                              具体实施方式

本发明的具体实施例如下：由红外激光器(1)发出的激光束，投射到高速旋转的8至24面(本实施例为8面)多面棱镜(2)，由反射棱镜(3)将此扫描激光束投射到透射反射棱镜(4)上，利用透射反射棱镜(4)实现CCD成像视场面与红外激光束扫描扇面的重合，由CCD光电传感器(5)接收从物体上反射的回波信号。将光学成像镜头及光学滤波器(6)与CCD光电传感器(5)接为一体，光学滤波器的作用是滤除其它与扫描激光波长不相同的光波。红外激光器(1)采用780nm的连续输出激光器。

测量时，线扫描CCD传感器接收到被测量物体的反射回波信号，得到直接测量值x₁和x₂，测量区域任一目标点的坐标测量公式为：

$X=\frac{D(x_2\sin \mathrm{\θ}-f\cos \mathrm{\θ})(x_1\cos \mathrm{\θ}-f\sin \mathrm{\θ})}{(x_1{x}_2+f^2)sin2\mathrm{\θ}-\mathrm{Bf}\cos 2\mathrm{\θ}}-D\frac{\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}}{\sin 2\mathrm{\θ}}$

$Z=\frac{D(f\cos \mathrm{\θ}-x_2\cos \mathrm{\θ})(x_1\sin \mathrm{\θ}+f\cos \mathrm{\θ})}{(x_1{x}_2+f^2)\sin 2\mathrm{\θ}-\mathrm{Bf}\cos 2\mathrm{\θ}}$

$r=\sqrt{{(Z-H)}^2+X^2}$

上述公式中的B为上述成像测量系统的视差，由CCD传感器的直接测量值x₁和x₂决定；θ角为两个主动式激光扫描CCD传感器成像光轴的交角。上述测量公式中，系统参数D、Z₀和θ角在测量系统安装时由通用的光电径纬仪或全站仪一次性测量确定，是已知量；光学系统的焦距f也是已知的；相对于被测目标点(X，Z)的CCD传感器直接测量值x₁和x₂通过数据采集和软件处理可以测出；X、Z和r即可通过上述测量公式求出。CCD传感器可以采用线扫描的一维器件，也可以使用高分辨率的二维CCD摄像机，通常高辨率二维CCD摄像机的分辨率应不小于1024x1024像元。

与通常的光学坐标测量方法不同，本发明在图2的实现方式中使用了图1所示的主动式激光扫描CCD探测传感器，即图2中目标(X，Z)点与x₁和x₂的测量线是主动式激光扫描到目标点并反射的激光线，而不是自然光照的成像，因此，本发明有效地解决了光学方法在远距离大范围坐标探测中的难题，具有探测精度高、工作可靠、不受环境气象条件及日照的影响，可以进行全天候使用。

Claims (3)

1.主动式激光扫描远距离坐标测量方法，采用结构完全相同的两套CCD测量系统，构成交汇组合坐标测量布局，所述每一套CCD测量系统包括红外激光器(1)、旋转式光学扫描多面棱镜(2)、反射棱镜(3)、透射反射棱镜(4)、CCD光电传感器(5)、光学成像镜头及光学滤波器(6)，其特征是利用红外激光器(1)发出的主动式红外激光束，投射到高速旋转的8至24面旋转式光学扫描多面棱镜(2)，形成一个扇形的扫描光平面，由反射棱镜(3)将此扫描激光束投射到透射反射棱镜(4)，利用透射反射棱镜(4)实现光电传感系统线扫描CCD成像视场面与红外激光束扫描扇面的重合，CCD光电传感器(5)接收激光束扫描到物体上的反射回波信号进行交汇组合测量计算，得到被测物体坐标。

2.按照权利要求1所述的主动式激光扫描远距离坐标测量方法，其特征是采用光学成像镜头中的光学滤波器(6)使与扫描激光波长相同的光波通过。

3.按照权利要求1或2所述的主动式激光扫描远距离坐标测量方法，其特征是红外激光器(1)采用780至850nm的连续输出激光器。

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