CN103969658A - 近景摄影测量彩色三维扫描激光雷达 - Google Patents

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Abstract

一种近景摄影测量彩色三维扫描激光雷达，包括彩色激光光源、发射光学***、扫描***、接收光学***、激光光谱探测及测距电路、数据采集与时序控制器、计算机数据处理单元，所述彩色激光光源包括红光脉冲激光光源、绿光或黄光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源以及红外光脉冲激光光源，彩色激光光源发出的激光经发射光学***后合成激光束后，入射到扫描***，经扫描***对目标地物进行彩色激光三维线性扫描，扫描形成的回波信号被光学接收***所捕获，经激光光谱探测和测距电路探测得到的各脉冲激光的强度和目标地物距离信息被输送至数据采集与时序控制器进行多通道数据采集与时序计算，结果输出到计算机数据处理单元。

Description

近景摄影测量彩色三维扫描激光雷达
技术领域
本发明涉及测绘遥感技术领域，尤其涉及一种近景摄影测量彩色三维扫描激光雷达。
背景技术
地基近景摄影测量激光雷达技术通常以单波长方式探测，通过转镜和基座旋转实现激光三维扫描成像探测。但由于受制于单一激光波长限制，只能获取单一波长的强度值，缺乏给人视觉上最直观的色彩信息，在地物识别和后期的数据处理上都有着明显不足。
发明内容
本发明的目的是：提供一种近景摄影测量彩色激光雷达技术。该技术在现有地基激光雷达单一红外激光光源的基础上，发展成包括彩色激光光源，直接获取具有彩色激光光谱信息的点云数据，全面提升近景摄影测量激光雷达的成像探测能力。
本发明提供一种近景摄影测量彩色三维扫描激光雷达，包括彩色激光光源、发射光学***、扫描***、接收光学***、激光光谱探测及测距电路、数据采集与时序控制器、计算机数据处理单元，数据采集与时序控制器与彩色激光光源、扫描***、激光光谱探测及测距电路和计算机数据处理单元分别连接，所述彩色激光光源包括红光脉冲激光光源、绿光或黄光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源以及红外光脉冲激光光源，彩色激光光源发出的激光经发射光学***后合成激光束后，入射到扫描***，经扫描***对目标地物进行彩色激光三维线性扫描，扫描形成的回波信号被光学接收***所捕获，光学接收***捕获的信号经激光光谱探测和测距电路探测得到的各脉冲激光的强度和目标地物距离信息被输送至数据采集与时序控制器进行多通道数据采集与时序计算，结果输出到计算机数据处理单元。
而且，发射光学***包括第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜及第一分光滤光片、第二分光滤光片、第三分光滤光片；
由绿光或黄光脉冲激光光源输出的绿光脉冲激光经过第二全反射镜反射后，入射到第一分光滤光片，与红光脉冲激光光源输出的红光脉冲激光合为一束光线；由蓝光脉冲激光光源输出的蓝光脉冲激光经第三全反射镜反射，再通过第二分光滤光片后，与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线进一步合为一束彩色激光，并经第一全反射镜和第四全反射镜后输出并入射到第三分光滤光片，彩色激光与红外光脉冲激光光源输出的红外脉冲激光经第三分光滤光片后合成最终的激光束。
而且，所述扫描***包括中心孔反射镜和扫描转镜、基座， 扫描***采用中心孔反射镜和扫描转镜实现二维扫描，通过基座360°旋转实现三维空间扫描；
接收光学***包括第五聚焦透镜，光阑，准直透镜，第四分光滤光片、第五分光滤光片、第六分光滤光片，第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片、第四窄带滤光片，第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜，和第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器。
而且，发射光学***所得最终的激光束入射到中心孔反射镜，彩色激光从中心孔反射镜的中心孔透过入射到扫描转镜上，通过扫描转镜进行激光扫描，目标地物激光回波信号返回到扫描转镜上，通过中心孔反射镜反射到第五聚焦透镜上，第五聚焦透镜将回波信号经光阑、准直透镜入射到第六分光滤光片，通过第六分光滤光片将彩色回波激光和红外回波激光信号分成两个通道分别接收和探测；红外激光回波信号透射后入射到第一窄带滤光片，经第一聚焦透镜后入射到第一光电探测器上；彩色回波信号经第六分光滤光片反射后，入射到第五分光滤光片，蓝色激光回波信号经第五分光滤光片反射后进入第二窄带滤光片，通过第二聚焦透镜入射到第二光电探测器上；红色激光回波信号和绿色或黄色激光回波信号由第五分光滤光片透射后，入射到第四分光滤光片，其中绿色或黄色激光回波信号经第四分光滤光片反射进入第四窄带滤光片，通过第三聚焦透镜后入射到第三光电探测器上，红色激光回波信号经第四分光滤光片透射后入射到第三窄带滤光片，通过第四聚焦透镜后入射到第四光电探测器上。
而且，绿光或黄光脉冲激光光源、红光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源、红外光脉冲激光光源均采用全固态脉冲激光器。
本发明提供的一种近景摄影测量彩色激光雷达技术，不同于现有近景测量激光雷达的单一红外激光光源，该技术采用三原色红、绿、蓝（RGB）激光波长的激光和红外激光作为发射光源合成彩色激光光源，进行彩色激光光谱扫描成像探测，可同时获取目标地物的彩色激光光谱信息和激光点云信息，从而通过三维重构获取目标的彩色激光成像，增强激光雷达的彩色分辨能力。本发明的彩色脉冲激光器可采用高峰值功率、高重频的全固态激光器，增加了***的稳定性，减少了体积和重量，相对安全，提高了***的可行性。
附图说明
图1为本发明实施例的近景摄影测量彩色激光雷达的结构示意图。
图2为本发明实施例的彩色激光合束发射原理图。
图3为本发明实施例的彩色激光扫描接收原理图。
具体实施方式
通过对现有单波长激光雷达技术增加可见光范围内的红绿蓝R.G.B/红黄蓝R.Y.B三色合成的彩色激光波长，将激光雷达三维空间信息和彩色激光光谱信息结合起来，使近景测量激光雷达在保留三维空间分辨能力的同时，还兼具彩色光谱判别能力。本发明的近景摄影测量彩色激光雷达技术，可对近景目标一次性生成具有彩色激光成像数据，通过对彩色激光成像数据的渲染，可对近景目标进行彩色激光点云成像，全面提高激光雷达地物识别的精度和地物遥感探测的能力和应用范围。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
参见图1，本发明实施例的近景摄影测量彩色激光雷达包括：彩色激光光源1、发射光学***2、扫描***3、接收光学***4、激光光谱探测及测距电路5、数据采集与时序控制器6、计算机数据处理单元7。数据采集与时序控制器6与彩色激光光源1、扫描***3、激光光谱探测及测距电路5和计算机数据处理单元7分别连接。具体实施时，激光光谱探测及测距电路5、数据采集与时序控制器6、计算机数据处理单元7可采用现有技术实现，例如计算机数据处理单元7可采用PC机等设备。
彩色激光光源1可包括绿光或黄光脉冲激光光源、红光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源、红外光脉冲激光光源，均可采用全固态脉冲激光器。彩色激光光源1发出的激光经发射光学***2后合成激光束后，入射到扫描***3，经扫描***3对目标地物进行彩色激光三维线性扫描，扫描时经探测对象后向散射射后形成回波信号，回波信号被光学接收***4所捕获，光学接收***4捕获的信号经激光光谱探测和测距电路3探测得到的各脉冲激光的强度和目标地物距离信息被输送至数据采集与时序控制器6进行多通道数据采集与时序计算，其结果输出到计算机数据处理单元7；数据采集与时序控制器6的输出端同时与彩色固体脉冲激光器1和扫描***3、激光光谱探测与测距电路5的输入端相连，可同时对激光器输出和扫描工作、数据采集进行时序控制。
所述彩色激光光源1和发射光学***2结合输出彩色固态激光。参见图2，实施例所提供能合束输出三种彩色激光波长和红外激光波长的扫描发射装置，彩色激光光源1由绿光脉冲激光光源9、红光脉冲激光光源8、蓝光脉冲激光光源10、红外光脉冲激光光源15组成，发射光学***2提供光束合束***，由四个脉冲激光光源发射出的激光经过合束***后成为一束光输出。其中，合束***由第一全反射镜14、第二全反射镜15、第三全反射镜16、第四全反射镜17及第一分光滤光片12、第二分光滤光片13、第三分光滤光片18构成。
红光脉冲激光光源8以及第二全反射镜15分别输出到第一分光滤光片12，绿光脉冲激光光源9输出到第二全反射镜15，蓝光脉冲激光光源10输出到第三全反射镜16，红外光脉冲激光光源15输出到第三分光滤光片18。红光脉冲激光光源8输出的红光脉冲激光经过第一分光滤光片12透射；由绿光脉冲激光光源9输出的绿光脉冲激光经过第二全反射镜15反射后，入射到第一分光滤光片12，与红光脉冲激光光源8输出的红光脉冲激光合为一束光线。同时，由蓝光脉冲激光光源10输出的蓝光脉冲激光经第三全反射镜16反射，再通过第二分光滤光片13后，与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线进一步合为一束彩色激光，并经一组全反射镜组（第一全反射镜14、第四全反射镜17）后输出并入射到第三分光滤光片18，该彩色激光光束与红外光脉冲激光光源15输出的红外脉冲激光经第三分光滤光片18后合成一束最终的激光束，即发射光学***2所得结果。
具体实施时，可在红光脉冲激光光源8的光束传播方向的光轴上，从左至右依次放置第一分光滤光片12、第二分光滤光片13、第一全反射镜14，其中第一分光滤光片12、第二分光滤光片13分别与光轴呈135度角放置，第一全反射镜14与该光轴呈45度角放置；在第一全反射镜14反射光的光路上放置第四全反射镜17，第四全反射镜17与第一全反射镜14平行；在第四全反射镜17反射光的光路上放置第三分光滤光片18，第三分光滤光片18与第四全反射镜17平行。红光脉冲激光光源8、绿光脉冲激光光源9、蓝光脉冲激光光源10分别的光束传播方向的光轴平行。在绿光脉冲激光光源9的光束传播方向的光轴上设置第二全反射镜15，第二全反射镜15与该光轴呈135度角放置，由绿光脉冲激光光源9输出的绿光脉冲激光经过第二全反射镜15反射后，入射到第一分光滤光片12的光路，与红光脉冲激光光源8输出的红光脉冲激光经第一分光滤光片12透射的光路垂直，使得绿光脉冲激光经第一分光滤光片12与红光脉冲激光合束；在蓝光脉冲激光光源10的光束传播方向的光轴上设置第三全反射镜16，第三全反射镜16与该光轴呈135度角放置，由蓝光脉冲激光光源10输出的蓝光脉冲激光经第三全反射镜16反射，入射到第二分光滤光片13的光路，与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线经第二分光滤光片13透射的光路垂直，使得蓝光脉冲激光经第二分光滤光片13与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线进一步合为一束彩色激光。红外光脉冲激光光源15的光束传播方向的光轴在第三分光滤光片18的透射光光路上，使得红外光脉冲激光光源15输出的红外脉冲激光与经第四全反射镜17反射的彩色激光合束。
绿光脉冲激光光源9也可换用黄光脉冲激光光源。
所述扫描***3包括中心孔反射镜20和扫描转镜19、基座。扫描***3采用中心孔反射镜20和扫描转镜19实现二维扫描。进一步地，通过基座360°旋转实现三维空间扫描。具体实施时，可采用整机***安置在可360°旋转的基座上的方式，将本发明所提供近景摄影测量彩色激光雷达中除基座以外其他所有部件集成为整机***，然后安装在基座上，通过该基座的旋转可实现三维空间扫描。扫描转镜19可采用多面体棱镜。数据采集与时序控制器6可对扫描***3输出时序控制信号，控制扫描转镜19和基座分别的旋转，两者分别相应的角度信息也可返回到数据采集与时序控制器6并输出到计算机数据处理单元7。接收光学***4包括第五聚焦透镜21，光阑22，准直透镜38，第四分光滤光片31、第五分光滤光片27、第六分光滤光片23，第一窄带滤光片24、第二窄带滤光片28、第三窄带滤光片32、第四窄带滤光片35，第一聚焦透镜25、第二聚焦透镜29、第三聚焦透镜33、第四聚焦透镜36，和第一光电探测器26、第二光电探测器30、第三光电探测器34、第四光电探测器37。
发射光学***2所得最终的激光束入射到中心孔反射镜20，彩色激光从中心孔反射镜20的中心孔透过入射到扫描转镜19上，通过扫描转镜19进行激光扫描，目标地物激光回波信号返回到扫描转镜19上，通过中心孔反射镜20反射到第五聚焦透镜21上，第五聚焦透镜21将回波信号经光阑22、准直透镜38入射到第六分光滤光片23，通过该第六分光滤光片23将彩色回波激光和红外回波激光信号分成两个通道分别接收和探测；红外激光回波信号透射后入射到第一窄带滤光片24，经第一聚焦透镜25后入射到第一光电探测器26上；彩色回波信号经第六分光滤光片23反射后，入射到第五分光滤光片27，蓝色激光回波信号经第五分光滤光片27反射后进入第二窄带滤光片28，通过第二聚焦透镜29入射到第二光电探测器30上；红色激光回波信号和绿色激光回波信号由第五分光滤光片27透射后，入射到第四分光滤光片31，其中绿色激光回波信号经第四分光滤光片31反射进入第三窄带滤光片32，通过第三聚焦透镜33后入射到第三光电探测器34上，红色激光回波信号经第四分光滤光片32透射后入射到第四窄带滤光片35，通过第四聚焦透镜36后入射到第四光电探测器37上。
若绿光脉冲激光光源9换用黄光脉冲激光光源，上述绿色激光回波信号则相应为黄色色激光回波信号。
具体实施时，可在准直透镜38的光轴上，从右至左依次放置中心孔反射镜20、第五聚焦透镜21、准直透镜38、第六分光滤光片23、第一窄带滤光片24、第一聚焦透镜25、第一光电探测器26，第六分光滤光片23与该光轴呈45度角放置，第六分光滤光片23的反射光路上依次设置第五分光滤光片27、第四分光滤光片31、第四窄带滤光片35、第四聚焦透镜36、第四光电探测器37。第五分光滤光片27的反射光路与准直透镜38的光轴平行且第五分光滤光片27与该光轴呈45度角放置，该光路上依次设置第二窄带滤光片28、第二聚焦透镜29、第二光电探测器30；第四分光滤光片31的反射光路与准直透镜38的光轴平行且第四分光滤光片31与该光轴呈45度角放置，该光路上依次设置第四窄带滤光片32、第三聚焦透镜33、第三光电探测器34。
具体实施时，本领域技术人员可自行根据需要采用计算机软件技术在计算机数据处理单元7上预先设定控制方式，实现经数据采集与时序控制器6对雷达工作进行控制，结合距离、角度数据可得各激光点的坐标，还可自行采用计算机软件技术在计算机数据处理单元7扩展实现后续数据处理。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种近景摄影测量彩色三维扫描激光雷达，包括彩色激光光源、发射光学***、扫描***、接收光学***、激光光谱探测及测距电路、数据采集与时序控制器、计算机数据处理单元，数据采集与时序控制器与彩色激光光源、扫描***、激光光谱探测及测距电路和计算机数据处理单元分别连接，其特征在于：
所述彩色激光光源包括红光脉冲激光光源、绿光或黄光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源以及红外光脉冲激光光源，彩色激光光源发出的激光经发射光学***后合成激光束后，入射到扫描***，经扫描***对目标地物进行彩色激光三维线性扫描，扫描形成的回波信号被光学接收***所捕获，光学接收***捕获的信号经激光光谱探测和测距电路探测得到的各脉冲激光的强度和目标地物距离信息被输送至数据采集与时序控制器进行多通道数据采集与时序计算，结果输出到计算机数据处理单元。
2.根据权利要求1所述近景摄影测量彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：发射光学***包括第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜及第一分光滤光片、第二分光滤光片、第三分光滤光片；
由绿光或黄光脉冲激光光源输出的绿光脉冲激光经过第二全反射镜反射后，入射到第一分光滤光片，与红光脉冲激光光源输出的红光脉冲激光合为一束光线；由蓝光脉冲激光光源输出的蓝光脉冲激光经第三全反射镜反射，再通过第二分光滤光片后，与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线进一步合为一束彩色激光，并经第一全反射镜和第四全反射镜后输出并入射到第三分光滤光片，彩色激光与红外光脉冲激光光源输出的红外脉冲激光经第三分光滤光片后合成最终的激光束。
3.根据权利要求2所述近景摄影测量彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：所述扫描***包括中心孔反射镜和扫描转镜、基座， 扫描***采用中心孔反射镜和扫描转镜实现二维扫描，通过基座360°旋转实现三维空间扫描；
接收光学***包括第五聚焦透镜，光阑，准直透镜，第四分光滤光片、第五分光滤光片、第六分光滤光片，第一窄带滤光片、第二窄带滤光片、第三窄带滤光片、第四窄带滤光片，第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜，和第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器。
4.根据权利要求3所述近景摄影测量彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：发射光学***所得最终的激光束入射到中心孔反射镜，彩色激光从中心孔反射镜的中心孔透过入射到扫描转镜上，通过扫描转镜进行激光扫描，目标地物激光回波信号返回到扫描转镜上，通过中心孔反射镜反射到第五聚焦透镜上，第五聚焦透镜将回波信号经光阑、准直透镜入射到第六分光滤光片，通过第六分光滤光片将彩色回波激光和红外回波激光信号分成两个通道分别接收和探测；红外激光回波信号透射后入射到第一窄带滤光片，经第一聚焦透镜后入射到第一光电探测器上；彩色回波信号经第六分光滤光片反射后，入射到第五分光滤光片，蓝色激光回波信号经第五分光滤光片反射后进入第二窄带滤光片，通过第二聚焦透镜入射到第二光电探测器上；红色激光回波信号和绿色或黄色激光回波信号由第五分光滤光片透射后，入射到第四分光滤光片，其中绿色或黄色激光回波信号经第四分光滤光片反射进入第四窄带滤光片，通过第三聚焦透镜后入射到第三光电探测器上，红色激光回波信号经第四分光滤光片透射后入射到第三窄带滤光片，通过第四聚焦透镜后入射到第四光电探测器上。
5.根据权利要求1或2或3或4所述近景摄影测量彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：绿光或黄光脉冲激光光源、红光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源、红外光脉冲激光光源均采用全固态脉冲激光器。
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