[发明专利]机载分频激光三维成像装置及其成像方法

权利要求书

1.一种机载分频激光三维成像装置，其特征在于：该装置包括信号发生器(1)、信号分频器(2)、激光器(3)、回波探测器(4)、整形器(5)、多通道时间测量电路(6)、扫描镜(7)、角度编码器(8)、编码计数电路(9)、数据同步采集器(10)和数据处理模块(11)；

所述的信号发生器(1)包括第一输出端和第二输出端，第一输出端接所述的激光器(3)的输入端，第二输出端接所述的信号分频器(2)的输入端，所述的信号分频器(2)包括N路输出的分频信号，其中N为大于2的分频数，所述的多通道时间测量电路(6)具有N个时间测量通道，所述的信号分频器(2)的第i路分频信号输出端与所述的多通道时间测量电路(6)相应的第i个时间测量通道的计数开始端相连；所述的信号发生器(1)产生的周期方波同时输入到所述的信号分频器(2)和所述的激光器(3)，所述的激光器(3)将同频率的激光脉冲输入到所述的扫描镜(7)，该扫描镜(7)将激光脉冲发射输出，激光的回波经过所述的扫描镜(7)反射输入到所述的回波探测器(4)，该回波探测器(4)完成光电探测后将与激光回波脉冲同频率的电脉冲信号输出到所述的整形器(5)，该整形器(5)将电脉冲信号整形成方波同时输出到所述的多通道时间测量电路(6)相应的时间测量通道的计数终止端，用于获取当前计数值；所述的角度编码器(8)安装在所述的扫描镜(7)的转动轴上，将转动产生的编码脉冲输入到所述的编码计数电路(9)，所述的编码计数电路(9)对编码脉冲进行角度计数后，将该角度计数值输入所述的数据同步采集器(10)的角度输入端，所述的多通道时间测量电路(6)一共测量N路信号的时间，并将测量的时间转换为相应的距离后输入到所述的数据同步采集器(10)的距离输入端；所述的数据同步采集器(10)将距离数据和角度数据进行时间同步后输入到所述的数据处理模块(11)，所述的数据处理模块(11)对单条扫描线的数据使用曲率分析方法提取出真实的测量数据。

2.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的激光器(3)为波长1550nm的光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的信号分频器(2)的内部核心是模为N的计数器，每次计数满N时输出时钟信号翻转，将输入的方波信号分成频率更低的N路方波信号，分频输出的每路方波信号频率相同，且分频后的方波信号的频率等于输入方波信号频率的1/N。

4.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的整形器(5)内部核心是电压比较器，采用固定电压阈值比较方法，当输入的信号脉冲幅度超过设定阈值电压时，比较器输出固定宽度的矩形脉冲。

5.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的扫描镜(7)为平面镜，安装在转轴上，镜面法线垂直于转轴。

6.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的编码计数电路(9)采用上升沿和下降沿触发计数方式，对编码器输出的脉冲进行计数。

7.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的多通道时间测量电路(6)具有N个独立的计数通道，每个计数通道通过记录两个脉冲触发之间的时钟个数来测量两个脉冲的时间间隔，每个计数通道内有一个独立的计数开始输入端，该输入端接收脉冲触发信号后，启动对应通道的内部计数，每个计数通道共用1个计数停止输入端，该输入端每接收一次脉冲触发信号，每个通道会同时输出从开始到当前触发此刻的计数个数，这些计数值乘以时钟周期表示对应通道从开始计数到此刻的时间。

8.根据权利要求1所述的机载分频激光三维成像装置，其特征在于所述的数据处理模块(11)是嵌入式单板工控机，采用X86构架，安装Windows操作系统，通过USB端口接收测量数据，测量数据包括测量时间和二维角度，测量时间乘以光速表示测量距离，距离和二维角度构成被测目标在激光雷达坐标系中的极坐标数据，工控机内部运行的软件将该极坐标数据转换到直角坐标系后，分别将第j层模糊距离的回波数据对应的第j层扫描线进行圆弧最小二乘拟合，当第j层扫描线拟合的圆弧曲率半径大于阈值时，该层扫描线数据为真实的测量数据，否则为模糊距离数据。

9.利用权利要求1至8任一项所述的机载分频激光三维成像装置进行扫描成像的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将机载分频激光三维成像装置安装在飞机或无人机平台上，扫描镜(7)将激光对地面进行一维扫描，飞机运动形成另一维扫描，激光测量距离实现对地表的第三维测量；

②启动本发明装置，所述的激光器(3)通过所述的扫描镜(7)发射高重频激光脉冲信号，所述的回波探测器(4)接收到回波信号，所述的多通道时间测量模块(6)分别对应N路分频信号，每一路分频信号都有M层回波，其中第i个时间测量通道的第i路分频信号的第j层回波时间t_i-j，将时间转换为距离d_i-j，输入所述的数据同步采集器(10)；

③所述的数据同步采集器(10)按照分频信号的上升沿进行时间同步，同时获取角度编码器(8)输出的角度数据A_i和多通道时间测量电路(6)的距离数据d_i-j；

④所述的数据处理模块(11)将所述的角度数据A_i和距离数据d_i-j转换成直角坐标数据x_i-j和y_i-j，对扫描镜(7)的一个扫描周期内所有通道的第j层回波数据进行圆弧最小二乘拟合，得出圆弧参数圆心(a_j,b_j)和半径r_j，设置半径判断阈值r_T，当第j层数据的拟合半径r_j大于r_T时，该层的扫描数据为真实测量数据，否则为模糊距离数据。