CN108931784A - 基于激光频率扫描干涉测距的三维测量*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于激光频率扫描干涉测距的三维测量***。基于脉冲法和相位法激光测距原理的三维测量***精度较低。本发明通过扩束镜将经过偏振的激光扩束并照射在待测区域，激光将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；干涉信号被光电探测器阵列接收；通过测得在激光器一次扫描周期中探测到的干涉条纹数以及由FP谐振腔测得激光器的频率扫描范围，根据激光频率扫描干涉测距公式计算得到光电探测器阵列各个像素点的距离信息；结合APD阵列的单个像素点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，实现激光三维测量。本发明测距精度高，***稳定性好。

Description

基于激光频率扫描干涉测距的三维测量***

技术领域

本发明属于激光三维测量技术领域，具体涉及基于激光频率扫描干涉测距原理的三维测量***。

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高精度的三维测量需要。目前基于脉冲法和相位法激光测距原理的三维测量***的测量精度较低。因此为了满足高精度场合的需求，研究如何采用测距精度更高的干涉法进行三维测量是十分必要的。

激光频率扫描干涉测距的原理是可调谐激光器发射光频经过线性调制(三角波调制)的连续激光，该激光分为两束，一束经过迈克尔逊干涉光路发生差频干涉后产生合成波干涉条纹，另一束进入法布里-珀罗(FP)谐振腔产生干涉信号。在激光器一次光频扫描周期内(单次上行或下行扫描)，通过光电探测器探测到的干涉条纹数N以及探测FP谐振腔的干涉信号得到谐振腔信号波峰数r，最后计算出测量距离L，测量不确定度能达到1×10^-6L级别。在图1中给出了激光频率扫描干涉测距的最基本***结构方案。激光频率扫描干涉测距公式为

式中，c为真空中光速，n为空气折射率，FSR为FP谐振腔的自由光谱范围。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于激光频率扫描干涉测距的三维测量***，通过扩束镜将经过偏振的激光扩束并照射在待测区域，激光将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。通过测得在激光器一次扫描周期中探测到的干涉条纹数以及由FP谐振腔测得激光器的频率扫描范围这两个未知量，根据激光频率扫描干涉测距公式计算得到光电探测器阵列各个像素点的距离信息。结合APD阵列的单个像素点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、掺铒光纤放大器、光隔离器、第一耦合器、干涉光路***、FP谐振腔光路***、数据采集***、上位机和激光器控制器；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1550nm～1551nm范围内呈线性往复变化的线偏振激光。激光首先进入掺铒光纤放大器进行光信号放大，然后经过光隔离器进入第一耦合器后分为A、B两路。

所述的干涉光路***中，A路激光通过第二耦合器分为C、D两路。

C路激光通过第一扩束镜扩束后，进入第一偏振片，通过旋转第一偏振片使得经过第一偏振片的激光直接透射第一偏振分光镜。透射后的偏振激光经过四分之一波片变为圆偏振光，然后照射在目标待测区域。目标表面反射的回波光又经过四分之一波片变为线偏振光，然后进入第一偏振分光镜；回到第一偏振分光镜的激光发生反射，反射激光被接收镜头接收并进入第二偏振分光镜，在第二偏振分光镜发生反射。

D路激光首先通过第二扩束镜扩束后，进入第二偏振片，通过旋转第二偏振片使得经过第二偏振片的激光直接透射第二偏振分光镜，与接收镜头射出的激光汇合。汇合后的两束激光经过第三偏振片将偏振方向调整为第三偏振片的投射偏振方向；最后由APD阵列接收汇合后的两束激光产生的干涉信号。

所述的谐振腔光路***中，B路激光首先通过准直透镜准直后，再进入FP谐振腔产生干涉光，该干涉光经过凸透镜聚焦后被光电探测器接收；APD阵列和光电探测器通过光电转换产生的电信号被数据采集***接收。数据采集***将数据经A/D转换后传输至上位机。激光器控制器由上位机控制。

进一步，所述的A、B两路激光分光比为90:10，C、D两路激光分光比也为90:10。

进一步，目标表面的三维测量数据测量过程，具体如下：

(1)FP谐振腔测量可调谐激光器的光频扫描范围；在上位机中对APD阵列测得的各个像素的干涉信号进行计数处理，计算出在可调谐激光器一次扫描周期中各个像素点对应的条纹数N。同时，在上位机中对光电探测器测得的干涉信号进行记录，得到信号中的波峰数r。根据激光频率扫描干涉测距公式，计算出各个像素点对应的距离数据。

(2)通过对所有的距离数据求平均值，得到物距大小υ，又接收镜头与第二偏振分光镜的距离是固定的，该距离即像距u，根据光学凸透镜成像公式，得到接收镜头的估算焦距f。光学凸透镜成像公式如下：

根据f调节接收镜头的焦距f_s直至上位机接收到分辨率在256*256以上的图像。根据像距u和焦距f_s计算得到放大倍率A，放大倍率公式如下：

放大倍率是物体通过接收镜头在焦平面上的成像大小与物体实际大小的比值，因此APD阵列上得到的二维图像尺寸大小与放大倍率的比值就是测量范围的实际二维尺寸，结合APD阵列的单个像素点尺寸大小，得到测量范围内各个点的二维坐标信息。

(3)在上位机中根据二维坐标信息与对应坐标的距离数据得到目标表面的三维测量数据。

本发明具有的有益效果：

本发明设计了利用激光频率扫描干涉测距原理的三维测量***，能测量一定范围的目标表面的三维信息，主要原理是通过多个像素点的激光频率扫描干涉测距以及二维视觉测量而测得物体表面三维坐标值，相较于传统激光三维测量以及扫描式激光三维测量，具有测距精度高和***稳定性好的优点。

附图说明

图1为激光频率扫描干涉测距原理示意图；

图2为本发明的***原理示意图；

图中：1、可调谐激光器，2、掺铒光纤放大器(EDFA)，3、光隔离器，4、第一耦合器，5、第二耦合器，6、第一扩束镜，7、第一偏振片，8、第一偏振分光镜，9、四分之一波片，10、目标，11、接收镜头，12、第二扩束镜，13、第二偏振片，14、第二偏振分光镜，15、第三偏振片，16、APD阵列(雪崩光电二极管阵列)，17、准直透镜，18、FP(法布里-珀罗)谐振腔，19、凸透镜，20、光电探测器，21、数据采集***，22、上位机，23、激光器控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案作进一步详细描述。

如图2所示，基于激光频率扫描干涉测距的三维测量***，包括可调谐激光器1、掺铒光纤放大器2、光隔离器3、第一耦合器4、干涉光路***、FP谐振腔光路***、数据采集***21、上位机22和激光器控制器23；可调谐激光器1由激光器控制器23控制启停。可调谐激光器1发出波长在1550nm～1551nm范围内呈线性往复变化的线偏振激光。激光首先进入掺铒光纤放大器2进行光信号放大，然后经过光隔离器3进入第一耦合器4后分为A、B两路(A、B两路分光比为90:10)，A路为三维测量干涉光路***部分，B路为FP谐振腔光路***部分；干涉光路***中，A路激光通过第二耦合器5分为C、D两路(C、D两路分光比为90:10)。其中，掺铒光纤放大器增大激光的光信号功率，提高光信号的信噪比，增大测量范围；光隔离器使激光器发出的激光只能单向传输，抑制物体表面、扩束镜端面等处产生的反射光返回激光器，从而保证可调谐激光器工作状态的稳定，降低***因反射光引起的噪声；第一耦合器4和第二耦合器5实现光纤中激光光路的分路。

C路激光通过第一扩束镜6扩束后，进入第一偏振片7，通过旋转第一偏振片7使得经过第一偏振片7的激光直接透射第一偏振分光镜8，第一偏振片7使得激光减少在第一偏振分光镜8上的反射能量损失。透射后的偏振激光经过四分之一波片9变为圆偏振光，然后照射在目标10待测区域。目标10表面反射的回波光又经过四分之一波片9变为线偏振光，然后进入第一偏振分光镜8；回到第一偏振分光镜8的激光发生反射，反射激光被接收镜头11接收并进入第二偏振分光镜14，在第二偏振分光镜14发生反射。由于偏振激光两次通过四分之一波片9，激光的偏振方向被旋转90度，减少透射的能量损失，所以回波光在第一偏振分光镜8和第二偏振分光镜14上几乎全部发生反射。其中，第一扩束镜6用于增大激光光束的直径，照亮目标物体测量区域。

D路激光首先通过第二扩束镜12扩束后，进入第二偏振片13，通过旋转第二偏振片13使得经过第二偏振片13的激光直接透射第二偏振分光镜14，与接收镜头11射出的激光汇合。但是由于两束激光的偏振方向互相垂直，此时无法发生干涉。汇合后的两束激光经过第三偏振片15将偏振方向调整为第三偏振片15的投射偏振方向；最后由APD阵列16接收汇合后的两束激光产生的干涉信号。其中，第二扩束镜12用于增大激光光束的直径，提供干涉所需的参考光；APD阵列16由多个单像素雪崩光电二极管组成，可以将阵列中各个像素所接收到的光信号转换为电信号。

谐振腔光路***中，B路激光首先通过准直透镜17准直后，再进入FP谐振腔18产生干涉光，该干涉光经过凸透镜19聚焦后被光电探测器20接收；FP谐振腔用以测量可调谐激光器的光频扫描范围。APD阵列16和光电探测器20通过光电转换产生的电信号被数据采集***21接收。数据采集***21将数据经A/D转换后传输至上位机22。激光器控制器23由上位机22控制。

在上位机22中对APD阵列16测得的各个像素的干涉信号(即干涉条纹)进行计数处理，计算出在可调谐激光器1一次扫描周期中各个像素点对应的条纹数N。同时，在上位机22中对光电探测器20测得的干涉信号进行记录，得到信号中的波峰数r。根据激光频率扫描干涉测距公式，计算出各个像素点对应的距离数据。

通过对所有的距离数据求平均值，得到物距大小υ，又接收镜头11与第二偏振分光镜14的距离是固定的，该距离即像距u，根据光学凸透镜成像公式，得到接收镜头11的估算焦距f。该估算焦距f是为了快速确定接收镜头11的焦距范围，使得APD阵列16能得到清晰的像。光学凸透镜成像公式如下：

根据f调节接收镜头11的焦距f_s直至上位机22接收到清晰(分辨率在256*256以上)的图像。根据像距u和焦距f_s计算得到放大倍率A，放大倍率公式如下：

放大倍率是物体通过接收镜头在焦平面上的成像大小与物体实际大小的比值。因此APD阵列16上得到的二维图像尺寸大小与放大倍率的比值就是测量范围的实际二维尺寸，结合已知的APD阵列16的单个像素点尺寸大小，得到测量范围内各个点的二维坐标信息。

在上位机22中根据二维坐标信息与对应坐标的距离数据得到目标表面的三维测量数据。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.基于激光频率扫描干涉测距的三维测量***，包括可调谐激光器、掺铒光纤放大器、光隔离器、第一耦合器、干涉光路***、FP谐振腔光路***、数据采集***、上位机和激光器控制器，其特征在于：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1550nm～1551nm范围内呈线性往复变化的线偏振激光；激光首先进入掺铒光纤放大器进行光信号放大，然后经过光隔离器进入第一耦合器后分为A、B两路；

所述的干涉光路***中，A路激光通过第二耦合器分为C、D两路；

C路激光通过第一扩束镜扩束后，进入第一偏振片，通过旋转第一偏振片使得经过第一偏振片的激光直接透射第一偏振分光镜；透射后的偏振激光经过四分之一波片变为圆偏振光，然后照射在目标待测区域；目标表面反射的回波光又经过四分之一波片变为线偏振光，然后进入第一偏振分光镜；回到第一偏振分光镜的激光发生反射，反射激光被接收镜头接收并进入第二偏振分光镜，在第二偏振分光镜发生反射；

D路激光首先通过第二扩束镜扩束后，进入第二偏振片，通过旋转第二偏振片使得经过第二偏振片的激光直接透射第二偏振分光镜，与接收镜头射出的激光汇合；汇合后的两束激光经过第三偏振片将偏振方向调整为第三偏振片的投射偏振方向；最后由APD阵列接收汇合后的两束激光产生的干涉信号；

所述的谐振腔光路***中，B路激光首先通过准直透镜准直后，再进入FP谐振腔产生干涉光，该干涉光经过凸透镜聚焦后被光电探测器接收；APD阵列和光电探测器通过光电转换产生的电信号被数据采集***接收；数据采集***将数据经A/D转换后传输至上位机；激光器控制器由上位机控制。

2.根据权利要求1所述的基于激光频率扫描干涉测距的三维测量***，其特征在于：所述的A、B两路激光分光比为90:10，C、D两路激光分光比也为90:10。

3.根据权利要求1所述的基于激光频率扫描干涉测距的三维测量***，其特征在于：目标表面的三维测量数据测量过程，具体如下：

(1)在上位机中对APD阵列测得的各个像素的干涉信号进行计数处理，计算出在可调谐激光器一次扫描周期中各个像素点对应的条纹数N；同时，在上位机中对光电探测器测得的干涉信号进行记录，得到信号中的波峰数r；根据激光频率扫描干涉测距公式，计算出各个像素点对应的距离数据；

(2)通过对所有的距离数据求平均值，得到物距大小υ，又接收镜头与第二偏振分光镜的距离是固定的，该距离即像距u，根据光学凸透镜成像公式，得到接收镜头的估算焦距f；光学凸透镜成像公式如下：

根据f调节接收镜头的焦距f_s直至上位机接收到分辨率在256*256以上的图像；根据像距u和焦距f_s计算得到放大倍率A，放大倍率公式如下：

放大倍率是物体通过接收镜头在焦平面上的成像大小与物体实际大小的比值，因此APD阵列上得到的二维图像尺寸大小与放大倍率的比值就是测量范围的实际二维尺寸，结合APD阵列的单个像素点尺寸大小，得到测量范围内各个点的二维坐标信息；

(3)在上位机中根据二维坐标信息与对应坐标的距离数据得到目标表面的三维测量数据。