一種基于調(diào)制頻率測量的超高密度激光二維掃描裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種激光二維成像裝置，能夠較好克服相位測量方法的測尺限制和脈 沖飛行測量的模糊距離限制，將測量重復(fù)頻率提升到幾百MHz。
【背景技術(shù)】
[0002] 在激光雷達(dá)和激光二維掃描儀領(lǐng)域，目前常用的激光測距方式主要有相位測量法 和基于飛行時間的脈沖直接測距法。
[0003] 相位測量主要是通過比對目標(biāo)回波和參考信號的相位差來實現(xiàn)距離測量，為了克 服距離模糊，通常采用多個測尺進(jìn)行測量，其測量重復(fù)頻率受最長測尺限制。以測量距離 75m為例，最長測尺對應(yīng)的調(diào)制頻率要低于2MHz，這就限制了測量重復(fù)頻率不能超過2MHz。 脈沖飛行時間測距方法因為受激光脈沖飛行的往返時間限制，也同樣存在距離模糊問題， 雖然采用編碼、多波長等技術(shù)可以提升模糊距離，從而達(dá)到提高測量重復(fù)頻率的效果，但是 測量頻率仍然受模糊距離的限制，且通常只能夠提升幾倍的頻率，難以實現(xiàn)更高的測量重 復(fù)頻率。
[0004] 對于車載等地面移動平臺而言，使用更高測量重復(fù)頻率的掃描技術(shù)，將能夠提升 移動平臺的運行速度，縮短測量時間。目前，市場上基于相位測量激光測距技術(shù)的激光二維 掃描儀的測量頻率不超過2MHz，而基于脈沖飛行時間測量的激光二維掃描儀的測量重復(fù)頻 率更低。因此，如何克服相位測量方法的測尺限制和脈沖飛行測量的模糊距離限制，提升測 量重復(fù)頻率將是未來移動平臺測量更加關(guān)注的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對目前移動平臺使用的激光二維掃描儀掃描點密度 低的問題，提供了一種基于調(diào)制頻率測量的超高密度激光二維掃描裝置，該裝置能夠突破 相位測量方法的測尺限制和脈沖飛行測量的模糊距離限制，將現(xiàn)階段的測量重復(fù)頻率提升 到幾百MHz，從而將測量效率提升百倍以上。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于調(diào)制頻率測量的超高密度激光二維掃描裝 置，包括高頻信號發(fā)生器、激光器、基準(zhǔn)距離板、回波探測器、整形模塊、鑒頻器、掃描鏡、角 度編碼器、編碼計數(shù)電路、距離計算模塊和二維數(shù)據(jù)處理模塊，其中：
[0007] 高頻信號發(fā)生器：根據(jù)頻率設(shè)置信號產(chǎn)生頻率為f0的周期方波并送至激光器；
[0008] 激光器：在高頻信號發(fā)生器輸出的周期方波控制下，產(chǎn)生同頻率的激光周期方波 并送至掃描鏡；
[0009] 基準(zhǔn)距離板：位于與掃描鏡的距離為d0的固定位置，作為距離起始參考點；
[0010] 回波探測器：完成對被測目標(biāo)激光回波的光電探測，將與激光回波同頻率的周期 脈沖電信號輸出到整形模塊；
[0011] 整形模塊：將周期脈沖電信號整形成周期方波電信號并送至鑒頻器；
[0012] 鑒頻器：計算出周期方波電信號的頻率f并送至距離計算模塊；
[0013] 掃描鏡：進(jìn)行圓周轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動過程中，首先將輸入的激光周期方波反射到基準(zhǔn)距 離板并獲取基準(zhǔn)距離板反射的回波，實現(xiàn)初始基準(zhǔn)距離標(biāo)校，然后將輸入的激光周期方波 反射到被測目標(biāo)并獲取被測目標(biāo)的激光回波，將被測目標(biāo)的激光回波送至回波探測器；
[0014] 角度編碼器：安裝在掃描鏡的轉(zhuǎn)動軸上，將掃描鏡的轉(zhuǎn)動角度形成編碼脈沖并輸 入到編碼計數(shù)電路；
[0015] 編碼計數(shù)電路：對輸入的編碼脈沖進(jìn)行計數(shù)，并將計數(shù)值輸入到二維數(shù)據(jù)處理模 塊；
[0016] 距離計算模塊：根據(jù)周期方波電信號的頻率計算出距離變化速率并送至二維數(shù)據(jù) 處理模塊；
[0017] 二維數(shù)據(jù)處理模塊：產(chǎn)生頻率設(shè)置信號并送至高頻信號發(fā)生器；同步接收 距離變化速率和編碼器計數(shù)值，根據(jù)編碼器計數(shù)值計算出掃描鏡的掃描角度，再根 據(jù)do和目標(biāo)上的掃描點對應(yīng)的距離變化速率計算出目標(biāo)上掃描點的表面視線距 離d，最后用目標(biāo)掃描點的表面視線距離d和掃描鏡的掃描角度轉(zhuǎn)換出目標(biāo)掃描 點的直角坐標(biāo)（X，y)，其中X=dcosa，y=dsinα，α為掃描鏡轉(zhuǎn)動的角度，
?,t0為基準(zhǔn)時刻，tl為當(dāng)前時刻，c為 光速。
[0018] 所述的高頻信號發(fā)生器為高頻時鐘發(fā)生器。所述的激光器為波長1550nm的半導(dǎo) 體激光器。所述的基準(zhǔn)距離板為反射板，與掃描鏡的距離d0為20mm。所述的回波探測器為 雪崩光電二極管光電探測器。所述的整形器為固定閾值甄別器。所述的鑒頻器為定時器， 在設(shè)定的時間t內(nèi)完成方波計數(shù)，并將計數(shù)值η輸出，n/t作為當(dāng)前時刻的頻率。所述的掃 描鏡為一維掃描鏡，將激光沿垂直二維掃描裝置運動方向掃描。所述的角度編碼器為光電 編碼器。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0020] (1)本發(fā)明裝置通過頻率分析方法來計算距離變化率，再基于標(biāo)準(zhǔn)距離點來獲得 掃描路徑上任意點的距離，測量頻率僅由調(diào)制頻率和鑒頻器輸出速率決定，不受測尺長度 和模糊距離限制。信號源的輸出頻率可以達(dá)到GHz以上，距離測量頻率甚至能夠達(dá)到幾百 MHz，比現(xiàn)有的激光二維掃描儀測量頻率提升百倍；
[0021] (2)本發(fā)明裝置可以對數(shù)據(jù)輸出率和測量精度進(jìn)行配置，在需要高精度的應(yīng)用場 合，可以通過降低數(shù)據(jù)輸出率來實現(xiàn)更高的測量精度，用戶可以更加靈活地在數(shù)據(jù)輸出率 和測量精度之間取得平衡，更好滿足用戶使用要求；
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明裝置的探測原理示意圖。
[0024] 圖中：1一高頻信號發(fā)生器，2-激光器，3-基準(zhǔn)距離板，4一回波探測器，5-整形 模塊，6-鑒頻器，7-掃描鏡，8-角度編碼器，9 一編碼計數(shù)電路，10-距尚計算模塊，11 一 二維數(shù)據(jù)處理模塊。
【具體實施方式】
[0025] 如圖1所示，為本發(fā)明基于調(diào)制頻率測量的超高密度激光二維掃描裝置的結(jié)構(gòu)示 意圖，由圖可見，本發(fā)明裝置包括高頻信號發(fā)生器1、激光器2、基準(zhǔn)距離板3、回波探測器4、 整形模塊5、鑒頻器6、掃描鏡7、角度編碼器8、編碼計數(shù)電路9、距離計算模塊10和二維數(shù) 據(jù)處理模塊11，上述元部件的連接關(guān)系如下：
[0026] 所述的二維數(shù)據(jù)處理模塊11產(chǎn)生頻率設(shè)置信號，輸出到所述的高頻信號發(fā)生器 1，所述的高頻信號發(fā)生器1根據(jù)設(shè)置頻率產(chǎn)生同頻率的周期方波，輸入到所述的激光器2， 所述的激光器2輸出同頻率的激光周期方波輸入到所述的掃描鏡7,所述的掃描鏡7將激光 周期方波反射輸出。在掃描鏡7的掃描過程中，首先經(jīng)過所述的基準(zhǔn)距離板3獲取基準(zhǔn)距 離回波，實現(xiàn)初始距離標(biāo)校，然后掃過被測目標(biāo)獲取被測目標(biāo)的激光回波。激光回波經(jīng)過所 述掃描鏡7反射輸入到所述的回波探測器4,所述的回波探測器4完成光電探測后將與激光 回波同頻率的周期脈沖電信號輸出到所述的整形器5,所述的整形器5將周期脈沖電信號 整形成周期方波電信號，同時輸出到所述的鑒頻器6。鑒頻器6計算出電信號的頻率，將頻 率數(shù)據(jù)輸出到所述的距離計算模塊10,距離計算模塊10根據(jù)頻率計算出距離變化速率，將 距離變化率輸出到所述的二維數(shù)據(jù)處理模塊11。所述的角度編碼器8安裝在所述掃描鏡7 的轉(zhuǎn)動軸上，將轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的編碼脈沖輸入到所述的編碼計數(shù)電路9,所述的編碼計數(shù)電路9 對編碼脈沖進(jìn)行計數(shù)后將計數(shù)值輸入到所述的二維數(shù)據(jù)處理模塊11。所述的二維數(shù)據(jù)處理 模塊11同步接收距離變化速率和編碼器計數(shù)，首先將距離變化速率和編碼器計數(shù)進(jìn)行同 步，然后，根據(jù)編碼器計數(shù)計算出掃描角度，再根據(jù)基準(zhǔn)距離板的已知距離和目標(biāo)掃描角度 對應(yīng)的距離變化速率計算出目標(biāo)掃描點的表面視線距離，最后用表面視線距離和掃描角度 轉(zhuǎn)換出目標(biāo)掃描點的二維直角坐標(biāo)。
[0027] 所述的高頻信號發(fā)生器1為高頻時鐘發(fā)生器，輸出方波時鐘頻率達(dá)到GHz。
[0028] 所述的激光器2為波長1550nm，通信領(lǐng)域常用的具有高速調(diào)制帶寬的半導(dǎo)體激光 器，可以通過直接電調(diào)制驅(qū)動方式產(chǎn)生高頻方波激光輸出，輸出激光功率為40mW。
[0029] 所述的基準(zhǔn)距離板3為掃描儀內(nèi)部的反射板，在掃描起始位置反射激光信號，距 離為20mm，反射率為10 %。
[0030] 所述的回波探測器4為雪崩光電二極管AH)光電探測器，響應(yīng)光譜范圍llOOnm~ 1700nm〇
[0031] 所述的整形模塊5為固定閾值甄別器，通過固定電平比較電路，將激光回波的脈 沖信號整形成TTL電平的方波信號。
[0032] 所述的鑒頻器6為高速定時器，在設(shè)定的時間t內(nèi)完成方波計數(shù)，并將計數(shù)值η輸 出，n/t作為當(dāng)前時刻的頻率。
[0033] 所述的掃描鏡7為一維掃描鏡，掃描頻率200線/s，將激光沿垂直平臺運動方向掃 描。
[0034] 所述的角度編碼器8為光電編碼器，角度分辨率2角秒；
[0035]