一种基于apFFT的高精度激光三维扫描方法技术

本发明专利技术公开了一种基于apFFT的高精度激光三维扫描方法，包括光源发出经过强度调制的激光，接收器将目标反射的回光信号接收并采样，得到M(奇数)个离散信号，构成回波信号矩阵，将全相位处理矩阵与回波信号矩阵相乘，将得到的列向量进行傅里叶变换，得到apFFT变换频谱等步骤，本发明专利技术运用的apFFT能够防止栅栏效应和频谱泄露，具有良好的抑制频谱泄漏和抗高丝白噪音的性能，改善了信噪比，apFFT具有相位不变性，不需要采取额外的相位校正措施，降低了算法复杂度，通过校正回波频率偏移，提高了回光信号频率测量精度，从而提高了点云获取精度。从而提高了点云获取精度。从而提高了点云获取精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于apFFT的高精度激光三维扫描方法


[0001]本专利技术涉及激光三维扫描领域，具体为一种基于apFFT的高精度激光三维扫描方法。

技术介绍

[0002]相位法激光三维扫描仪具有连续测量速度快、测量精度高的优点，被广泛应用于工业设计、逆向工程、建筑测量等需要高精度和大量程测距需求的领域中。决定三维扫描仪距离测量精度的因素主要是光程差的测量精度，包括测量光波长、鉴相精度。由于测量光波长通常已经给定，所以相位测量的误差大小直接决定距离测量的精度，因而鉴相模块的性能显得尤为重要。
[0003]模拟鉴相由于存在诸如测量速度慢、测量精度不高、电路复杂等缺点，已经被数字鉴相所取代。而数字鉴相技术中，极大似然估计法、高阶统计量估计法和信号相位匹配法等方法测量计算量大，不满足三维扫描应用的高速测量需求。而数字正交变换法、同步解调测相法和FFT法等相对计算简单，但数字正交变换法与同步解调测相法抑制高斯白噪声的能力明显弱于FFT法。而FFT法由于存在频谱泄露和“栅栏效应”，在相位差测量时存在较大误差。此外，FFT法需要额外校正相位，增加了其算法复杂度。
[0004]综上，现有技术存在如下技术问题：
[0005]1)测距精度较低
[0006]2)测距速度较慢
[0007]3)算法复杂度较高

技术实现思路

[0008]本专利技术针对现有技术中三维扫描仪对目标距离获取精度差的问题，提出一种基于apFFT的高精度激光三维扫描方法。
[0009]本专利技术为了解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0010]本专利技术公开了一种基于apFFT的高精度激光三维扫描方法，包括如下步骤：
[0011]步骤一：光源发出经过强度调制的激光，接收器将目标反射的回光信号接收并采样，得到M(奇数)个离散信号，构成回波信号矩阵；
[0012]步骤二：将全相位处理矩阵与回波信号矩阵相乘，将得到的列向量进行傅里叶变换，得到apFFT变换频谱；
[0013]步骤三：用得到的apFFT变换频谱进行二阶级数偏移频率估计，对回波频率进行离散谱校正；
[0014]步骤四：根据校正过的回波信号频率谱，通过反正切相位计算，得到相位差信息；
[0015]步骤五：根据相位差信息计算目标的距离，与高速双轴旋转子系统得到的角度信息相结合，得到目标相对于三维扫描仪的位置信息；
[0016]步骤六：旋转反射镜，并重复步骤一至五，直到得到待测空间的点云信息。
[0017]作为进一步地改进，本专利技术所述回波信号矩阵表示为：
[0018][s(
‑
N+1)，s(
‑
N+2)，...，s(
‑
1)，s(0)，s(1)，...，s(N
‑
2)，s(N
‑
1)]T
[0019]其中N＝(M+1)/2，a为回波信号振幅，f0为载波频率，f
s
为采样频率，θ0为信号初始相位。
[0020]作为进一步地改进，本专利技术所述的全相位处理矩阵表示为：
[0021][0022]作为进一步地改进，本专利技术所述的apFFT变换频谱Y(k)表示为：
[0023][0024]作为进一步地改进，本专利技术所述回波二阶级数偏移频率σ表示为：
[0025][0026]其中k0为apFFT变换频谱峰值谱线处的频率，Y(k0)、Y(k0‑
1)、Y(k0+1)为apFFT变换频谱在k0、k0‑
1、k0+1处对应的谱线幅值。
[0027]作为进一步地改进，本专利技术校正后的回波信号频率f
′
表示为：
[0028][0029]校正过的目标距离为：其中K为整波数，c为光速，为相位差。
[0030]本专利技术的有益效果是：
[0031](1)本专利技术运用的apFFT能够防止栅栏效应和频谱泄露，具有良好的抑制频谱泄漏和抗高丝白噪音的性能，改善了信噪比。
[0032](2)本专利技术运用的apFFT具有相位不变性，不需要采取额外的相位校正措施，降低了算法复杂度。
[0033](3)本专利技术通过校正回波频率偏移，提高了回光信号频率测量精度，从而提高了点云获取精度。
附图说明
[0034]图1为激光三维扫描仪原理示意图；
[0035]图2为基于apFFT算法的激光三维扫描流程图。
具体实施方式
[0036]下面结合具体的实施方式对本专利技术做进一步说明，以下实施方式旨在说明本专利技术，而不是对本专利技术的进一步限定。
[0037]鉴于
技术介绍
的介绍，目前阶段需要提高鉴相模块的性能以提高测距精度。基于此，本专利技术提供了一种基于apFFT的高精度激光三维扫描方法，降低了算法复杂度，提高了点云获取精度。
[0038]参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于apFFT的高精度激光三维扫描方法，包括以下步骤：
[0039]步骤一：使用中心波长为1550nm的激光光源(型号FPL1009P)发出激光，选择12bit，最高速度3.5GHz的DDS芯片AD9914作为调制信号发生单元将激光光源产生的激光进行经过强度调制器后产生调制频率为100MHz的正弦信号，打到目标上后产生回波信号并反射回接收器，选择采样速度为3.2GHz的12bit ADC作为接收器将目标反射的回光信号接收并采样，接收器核心部件是光电探测器，型号IAG200H3。探测器将光信号转换成电信号，经放大器放大后，放大后的电信号经ADC(型号：BAL
‑
0006)数字采集卡转换成数字信号，得到M(奇数)个离散信号，构成回波信号矩阵。
[0040]光源发出的经强度调制器后的信号可以表示为：
[0041]s(t)＝acos(2πf0t+θ0)
[0042]其中，a为信号幅值，f0为信号频率，θ0为信号初相位。
[0043]经目标反射和接收器采样后，得到M(奇数)个回波信号，可用矩阵表示为：
[0044][s(
‑
N+1)，s(
‑
N+2)，...，s(
‑
1)，s(0)，s(1)，...，s(N
‑
2)，s(N
‑
1)]T
，T为转置
[0045]其中N＝(M+1)/2，a为回波信号振幅，f0为载波频率，f
s
为采样频率，θ0为信号初始相位。
[0046]步骤二：将全相位处理矩阵与回波信号矩阵相乘，将得到的列向量进行傅里叶变换，得到apFFT变换频谱。
[0047]用全相位处理矩阵叉乘回波信号矩阵，并将得到的列向量进行傅里叶变换，得到回波信号的apFFT变换频谱。
[0048]其中，全相位处理矩阵表示为：
[0049][0050]apFFT变换频谱Y(k)表示为：
[0051][0052]将Y(k)的峰值谱线处频率记为k0，其左右本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于apFFT的高精度激光三维扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：光源发出经过强度调制的激光，接收器将目标反射的回光信号接收并采样，得到M(奇数)个离散信号，构成回波信号矩阵；步骤二：将全相位处理矩阵与回波信号矩阵相乘，将得到的列向量进行傅里叶变换，得到apFFT变换频谱；步骤三：用得到的apFFT变换频谱进行二阶级数偏移频率估计，对回波频率进行离散谱校正；步骤四：根据校正过的回波信号频率谱，通过反正切相位计算，得到相位差信息；步骤五：根据相位差信息计算目标的距离，与高速双轴旋转子系统得到的角度信息相结合，得到目标相对于三维扫描仪的位置信息；步骤六：旋转反射镜，并重复步骤一至五，直到得到待测空间的点云信息。2.根据权利要求1所述的基于apFFT的高精度激光三维扫描方法，其特征在于，所述回波信号矩阵表示为：[s(
‑
N+1)，s(
‑
N+2)，
…
，s(
‑
1)，s(0)，s(1)，
…
，s(N
‑
2)，s(N...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄腾超，沈跃峰，梁璀，孙嘉航，胡志坚，孙文龙，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：