一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置

摘要

一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置，包括调频信号发生器(1)、窄线宽激光器(2)、声光调制器(3)、光混频器(4)、平衡探测器(5)、低通滤波器(6)、扫描镜(7)、角度编码器(8)、编码计数电路(9)、距离计算模块(10)和三维数据处理模块(11)。本发明通过对激光频率进行线性调制，接收的激光回波与参考光相干并经光电转换后获得回波光与参考光的差频信号，在每圈的扫描中，对第一个有回波的扫描目标点可以通过差频来计算该点绝对距离，参考该绝对距离对后面扫描点的距离变化速率进行积分，可计算出目标表面扫描轨迹的视线距离及坐标。本发明采用频率测量准确解算出目标的距离变化，测量重复频率不受模糊距离限制。

主权项

一种基于相干探测的远距离高重频激光三维扫描装置，其特征在于：包括调频信号发生器(1)、窄线宽激光器(2)、声光调制器(3)、光混频器(4)、平衡探测器(5)、低通滤波器(6)、扫描镜(7)、角度编码器(8)、编码计数电路(9)、距离计算模块(10)和三维数据处理模块(11)，其中：调频信号发生器(1)：根据线性频率设置信号产生频率为f的线性调频信号并送至声光调制器(3)；窄线宽激光器(2)：输出单频窄线宽连续激光并送至声光调制器(3)；声光调制器(3)：利用线性调频信号将单频窄线宽连续激光调制成为频率线性调制的连续激光，所述的频率线性调制的连续激光一部分作为参考光输入到光混频器(4)，另一部分作为信号光输入到扫描镜(7)；光混频器(4)：完成信号光回波和参考光的相干，形成相干光信号并送至平衡探测器(5)；平衡探测器(5)：将所述的相干光信号转换为同频的电信号并送至低通滤波器(6)；低通滤波器(6)：对所述的电信号进行低通滤波，消除信号光回波和参考光的和频，保留信号光回波和参考光的差频f_s‑r后作为回波干涉信号送至距离计算模块(10)；扫描镜(7)：置于转台之上，在转台的带动下进行圆周转动，同时自身进行竖直方向的扫描，将输入的信号光反射到目标上，同时将目标反射的信号光回波反射输入到光混频器(4)；角度编码器(8)：安装在扫描镜(7)的转动轴上，将扫描镜(7)的转动角度形成编码脉冲并输入到编码计数电路(9)；编码计数电路(9)：对输入的编码脉冲进行计数，并将计数值输入到三维数据处理模块(11)；距离计算模块(10)：在扫描镜(7)每转动一圈的过程中，对第一个有回波的扫描目标点，通过公式d1＝(f_s‑r/k/c+d0)/2计算得到第一个有回波的扫描目标点的距离，通过公式$d=d1+{\int }_{t1}^{t2}vdt=d1+{\int }_{t1}^{t2}[(fv-f)*c/2/f]dt$计算得到目标表面扫描路径上后续扫描目标点的距离，将d作为目标表面扫描轨迹的视线距离送至三维数据处理模块(11)，其中k为声光调制器(3)的调制速率，c为光速，d0为参考光从到声光调制器(3)产生到传输至光混频器(4)的光传输距离，fv为后续扫描点对应的信号光回波的频率，t1为确定出第一个有回波的扫描目标点的时刻，t2为确定出后续扫描点的时刻；三维数据处理模块(11)：产生线性频率设置信号并送至调频信号发生器(1)；同步接收视线距离和编码器计数值，根据编码器计数值计算出扫描镜(7)的扫描角度，最后用视线距离和扫描角度转换出目标上扫描点的三维直角坐标(x，y，z)，其中x＝d cosβcosα、y＝d cosβsinα、z＝d sinβ，α为扫描镜(7)在竖直方向转动的角度，β为转台在水平方向转动的角度。