[发明专利]基于调频连续波激光测距的三维测量系统

说明书

本发明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。本发明测距精度高，结构简单，测量范围广。

技术领域

本发明属于激光三维测量技术领域，具体涉及基于调频连续波激光测距原理的三维测量系统。

背景技术

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f_d，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，T_m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。

发明内容

本发明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。

本发明包括可调谐激光器、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。