基于调频连续波激光测距的三维测量系统技术方案

本发明专利技术公开了基于调频连续波激光测距的三维测量系统。目前基于脉冲法和相位法激光测距原理的三维测量系统的测量精度较低。本发明专利技术通过扩束镜增大激光光束直径来照亮待测区域，激光在目标物体表面发生漫反射，产生的回波光被接收镜头接收后进入偏振分光镜，与偏振参考光发生差频干涉，产生的干涉信号被光电探测器阵列接收；之后采用等光频间隔重采样方法对光电探测器阵列各个像素点的干涉信号进行二次采样，计算得到光电探测器阵列各个像素点高精度的距离信息；结合光电探测器阵列像素尺寸以及放大倍率得到目标待测范围各点的实际二维坐标，然后结合距离数据，实现了一定范围高精度的激光三维测量。本发明专利技术测距精度高，结构简单，测量范围广。

【技术实现步骤摘要】
基于调频连续波激光测距的三维测量系统
本专利技术属于激光三维测量
，具体涉及基于调频连续波激光测距原理的三维测量系统。
技术介绍
在三维精密测量领域，特别是航天、军事、机器视觉和测绘等领域，经常需要获取目标物体的三维信息，用于物体的识别与检测。激光三维测量技术具有精度较高，测量范围较广和非接触式测量等优点，可以满足军事和工业等领域的三维测量需要。目前基于脉冲法和相位法激光测距原理的三维测量系统的测量精度较低，无法满足精密测量领域的应用需求。因此研究如何采用测距精度更高的干涉法测距进行三维测量是十分必要的。调频连续波激光测距的原理是可调谐激光器产生光频经过线性调制(三角波调制)的连续激光，通过迈克尔逊干涉光路后发生干涉后产生拍频信号，对拍频信号进行时频变换得到拍频信号的频率fd，进而计算出测量距离L，测量不确定度可以达到5×10-6L级别。调频连续波激光测距公式为式中，n为空气折射率，B为激光器光频线性调制范围，Tm为激光器的调制周期，c为真空中光速。由于现有的可调谐激光器的调制线性度较差，会导致测距精度和分辨率的降低。若能采用等光频间隔重采样的方法对探测器阵列得到的多像素拍频信号进行二次采样，从而对激光器调制非线性影响进行补偿，便能实现更高精度的深度测量。在图1中给出采用等光频间隔重采样方法的调频连续波激光测距的最基本系统结构方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于调频连续波激光测距的三维测量系统，通过扩束镜增大激光光束直径来照亮待测区域，激光在目标物体表面发生漫反射，产生的回波光被接收镜头接收后进入偏振分光镜，与偏振参考光发生差频干涉，产生的干涉信号被光电探测器阵列接收。之后采用等光频间隔重采样方法对光电探测器阵列各个像素点的干涉信号进行二次采样，计算得到光电探测器阵列各个像素点高精度的距离信息。结合光电探测器阵列像素尺寸以及放大倍率得到目标待测范围各点的实际二维坐标，然后结合距离数据，实现了一定范围高精度的激光三维测量。本专利技术包括可调谐激光器、第一耦合器、A路激光系统、C路激光系统、D路激光系统、偏振分光镜、偏振片、APD阵列、数据采集系统、上位机和激光器控制器；所述的A路激光系统和D路激光系统构成三维测量干涉光路；C路激光系统为辅助干涉光路。所述的可调谐激光器由激光器控制器控制启停；可调谐激光器发出波长在1520nm～1560nm范围内线性往复变化的线偏振激光，可调谐激光器的调制周期在2～2.5s中取值。线偏振激光进入第一耦合器后分为A、B两路。A路激光系统中，A路激光通过第一扩束镜扩束后再通过第一半波片，之后照亮目标表面。激光经目标表面发生反射的回波光被接收镜头接收；接收镜头的出射光被偏振分光镜反射。B路激光通过第二耦合器分为C、D两路。C路激光系统中，C路激光首先通过第三耦合器分为两路，其中一路激光通过延时光纤，然后这两路激光进入第四耦合器汇成一束后发生差频干涉，第四耦合器发出的干涉信号被高速光电探测器接收。D路激光系统中，D路激光通过第二扩束镜扩束后再通过第二半波片进入到偏振分光镜，在偏振分光镜上发生透射。偏振分光镜上的透射激光与在偏振分光镜上发生反射的回波激光汇合。汇合后的两束激光经过偏振片将偏振方向调整为偏振片的投射偏振方向，最后由APD阵列接收两束激光产生的干涉信号。高速光电探测器和APD阵列通过光电转换产生的电信号被数据采集系统接收。数据采集系统将电信号数据传输至上位机。激光器控制器由上位机控制。进一步，所述的A、B两路激光分光比为90:10，C、D两路激光分光比为50:50。进一步，目标表面的三维测量数据测量过程，具体如下：(1)在上位机中利用辅助干涉光路得到的干涉信号作为时间基准对三维测量干涉光路中各个像素的干涉信号分别进行采样，从而得到等光频采样信号。(2)在上位机对各个像素点的等光频采样信号进行时频变换，得到各个像素点等光频采样信号的频率fd，然后根据调频连续波激光测距公式得到对应像素点的距离数据。(3)通过对所有的距离数据求平均值，得到物距υ，又接收镜头与偏振分光镜的距离是固定的，该距离即像距u，根据光学凸透镜成像公式，得到接收镜头的估算焦距f。光学凸透镜成像公式如下：根据f调节接收镜头的焦距fs直至上位机接收到分辨率在256*256以上的图像。根据像距u和焦距fs计算得到放大倍率A，放大倍率公式如下：放大倍率A是物体通过接收镜头在焦平面上的成像大小与物体实际大小的比值，因此APD阵列上得到的二维图像尺寸大小与放大倍率A的比值就是测量范围的实际二维尺寸，结合APD阵列的单个像素点尺寸大小，得到目标测量范围内各个点的二维坐标信息。(4)在上位机中根据二维坐标信息与对应坐标的距离数据得到目标表面的三维测量数据。本专利技术具有的有益效果：本专利技术设计了利用调频连续波激光测距原理的三维测量系统，能够测量较大范围的目标表面的三维信息，主要原理是通过多个像素点的调频连续波激光测距及二维视觉测量而测得物体表面三维坐标值，相较于传统激光三维测量以及扫描式激光三维测量，具有测距精度高、结构简单和测量范围较广的优点。附图说明图1为调频连续波激光测距原理示意图；图2为本专利技术的系统原理示意图；图中：1、可调谐激光器，2、第一耦合器，3、第一扩束镜，4、第一半波片，5、目标，6、第二耦合器，7、第二扩束镜，8、第二半波片，9、偏振分光镜，10、接收镜头，11、偏振片，12、APD阵列(雪崩光电二极管阵列)，13、第三耦合器，14、延时光纤，15、第四耦合器，16、高速光电探测器，17、数据采集系统，18、上位机，19、激光器控制器。具体实施方式下面结合附图对本专利技术技术方案作进一步详细描述。如图2所示，基于调频连续波激光测距的三维测量系统，包括可调谐激光器1、第一耦合器2、A路激光系统、C路激光系统、D路激光系统、偏振分光镜9、偏振片11、APD阵列12、数据采集系统17、上位机18和激光器控制器19；可调谐激光器1由激光器控制器19控制启停。可调谐激光器1发出波长在1520nm～1560nm范围内线性往复变化的线偏振激光，可调谐激光器1的调制周期在2～2.5s中取值。线偏振激光进入第一耦合器2后分为A、B两路(A、B两路分光比为90:10)。A路激光系统中，A路激光通过第一扩束镜3扩束后通过第一半波片4，之后照亮目标5表面。激光经目标5表面发生反射的回波光被接收镜头10接收；接收镜头10的出射光被偏振分光镜9反射。第一扩束镜3用于增大激光光束的直径，照亮目标5物体待测区域。扩束后的偏振激光进入第一半波片4，通过旋转第一半波片4，使得从接收镜头10进入偏振分光镜9的回波光能够在偏振分光镜9上完全反射，减少了激光透射的能量损失。B路激光通过第二耦合器6分为C、D两路(C、D两路分光比为50:50)，A路和D路为三维测量干涉光路，C路为辅助干涉光路。C路激光系统中，C路激光首先通过第三耦合器13分为两路，其中一路激光通过延时光纤14，然后这两路激光进入第四耦合器15汇成一束后发生差频干涉，第四耦合器15发出的干涉信号被高速光电探测器16接收。其中，第一耦合器2、第二耦合器6和第三耦合器13实现光纤中激光光路的分路，第四耦合器15实现光纤中激光光路的合路。延时光纤14是用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于调频连续波激光测距的三维测量系统，包括可调谐激光器、第一耦合器、A路激光系统、C路激光系统、D路激光系统、偏振分光镜、偏振片、APD阵列、数据采集系统、上位机和激光器控制器，其特征在于：所述的A路激光系统和D路激光系统构成三维测量干涉光路；C路激光系统为辅助干涉光路；所述的可调谐激光器由激光器控制器控制启停；可调谐激光器发出波长在1520nm～1560nm范围内线性往复变化的线偏振激光，可调谐激光器的调制周期在2～2.5s中取值；线偏振激光进入第一耦合器后分为A、B两路；A路激光系统中，A路激光通过第一扩束镜扩束后再通过第一半波片，之后照亮目标表面；激光经目标表面发生反射的回波光被接收镜头接收；接收镜头的出射光被偏振分光镜反射；B路激光通过第二耦合器分为C、D两路；C路激光系统中，C路激光首先通过第三耦合器分为两路，其中一路激光通过延时光纤，然后这两路激光进入第四耦合器汇成一束后发生差频干涉，第四耦合器发出的干涉信号被高速光电探测器接收；D路激光系统中，D路激光通过第二扩束镜扩束后再通过第二半波片进入到偏振分光镜，在偏振分光镜上发生透射；偏振分光镜上的透射激光与在偏振分光镜上发生反射的回波激光汇合；汇合后的两束激光经过偏振片将偏振方向调整为偏振片的投射偏振方向，最后由APD阵列接收两束激光产生的干涉信号；高速光电探测器和APD阵列通过光电转换产生的电信号被数据采集系统接收；数据采集系统将电信号数据传输至上位机；激光器控制器由上位机控制。...

【技术特征摘要】
1.基于调频连续波激光测距的三维测量系统，包括可调谐激光器、第一耦合器、A路激光系统、C路激光系统、D路激光系统、偏振分光镜、偏振片、APD阵列、数据采集系统、上位机和激光器控制器，其特征在于：所述的A路激光系统和D路激光系统构成三维测量干涉光路；C路激光系统为辅助干涉光路；所述的可调谐激光器由激光器控制器控制启停；可调谐激光器发出波长在1520nm～1560nm范围内线性往复变化的线偏振激光，可调谐激光器的调制周期在2～2.5s中取值；线偏振激光进入第一耦合器后分为A、B两路；A路激光系统中，A路激光通过第一扩束镜扩束后再通过第一半波片，之后照亮目标表面；激光经目标表面发生反射的回波光被接收镜头接收；接收镜头的出射光被偏振分光镜反射；B路激光通过第二耦合器分为C、D两路；C路激光系统中，C路激光首先通过第三耦合器分为两路，其中一路激光通过延时光纤，然后这两路激光进入第四耦合器汇成一束后发生差频干涉，第四耦合器发出的干涉信号被高速光电探测器接收；D路激光系统中，D路激光通过第二扩束镜扩束后再通过第二半波片进入到偏振分光镜，在偏振分光镜上发生透射；偏振分光镜上的透射激光与在偏振分光镜上发生反射的回波激光汇合；汇合后的两束激光经过偏振片将偏振方向调整为偏振片的投射偏振方向，最后由APD阵列接收两束激光产生的干涉信号；高速光电探测器和APD阵列通过光电转换产生的电信号被数据采集系统接收；数据采集系统将电信...

【专利技术属性】
技术研发人员：时光，郑磊珏，王文，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33