沿垂直运动方向扫 描。装置底部有转台可以使整个装置进行水平扫描，激光测量距离实现对目标的第三维测 量。
[0035] 所述的角度编码器8为光电编码器，角度分辨率2角秒。
[0036] 所述的编码计数电路9为差分计数电路，通过上升沿和下降沿实现编码计数，最 大计数率100MHz。
[0037] 所述的距离计算模块10通过计算第一个扫描点回波干涉信号与原始调制信号的 差频来获得该点的绝对距离，通过计算后续扫描点回波干涉信号与原始调制信号的差频来 获得后续扫描点的距离变化速率，参考该点绝对距离对后面扫描点的距离变化速率进行积 分，计算出目标表面扫描轨迹的视线距离。
[0038] 所述的三维数据处理模块11同步采集编码器计数和距离数据，根据编码器分辨 率计算出角度，将角度和距离数据转换到直角坐标系后，获得目标表面扫描轨迹的三维直 角坐标。
[0039] 如图2所示，本发明装置中，发射的激光为单频窄线宽连续激光，在一个机械扫 描周期内通过声光调制器3对发射激光的频率f进行线性调制=k*(t-t0)+f0,t0为 初始时刻，f〇为初始激光频率，k为调制速率。发射的激光分为信号光和参考光，参考光 经过内部折转光路到达光混频器4,内部折转光路的长度为d0,信号光发射出去。接收的 激光回波达到光混频器4与参考光干涉并经过光电转换后，输出信号的频率包括两个信 号的差频。当目标距离不变时，两个信号的差频目标距离d有如下关系：fs ^ = k*c*(2*d_d0)，c为光速，可以通过测量回波光与参考光干涉信号的差频率fs ^来计算出目 标距离d。
[0040] 在对目标进行扫描的过程中，目标表面到扫描装置的视线距离会产生连续变化， 该距离变化的速率v会投影成目标相对激光视线的速度，该速度会引入多普勒频移Af= fv-f，f是发射激光的频率，fv是回波激光的频率，多普勒频移和目标运动速度的关系式 为：△f= 2*v*f/c。激光回波在与参考光干涉并经过光电转换后，该频率fv会传递到电信 号上。测量电信号输出频率fv，就可以计算出目标距离变化率v= (fv-f)*c/2/f。根据这 一原理，可以通过对激光回波干涉信号fv和原始调制信号的频率f比较来获得目标表面到 扫描仪的视线距离变化速率V。
[0041] 在每圈的扫描中，对第一个有回波的扫描目标点（距离dl，时刻tl)，可以通过探 测器输出信号的频率来计算出目标距离dl=(fsl7k/c+d0)/2,参考该点绝对距离dl 对后面扫描点的距离变化速率v进行积分，可以计算出任意时刻t2时目标表面扫描轨迹的 视线距离d。关系如下：
[0042]
[0043] 图2中，第一行为窄线宽激光器2产生的连续激光信号经过线性频率调制的声光 调制器3后，输出的激光频率在一个扫描周期内被线性调制，横坐标为时间，纵坐标为激光 频率。第二行为激光扫描路径上目标表面的视线距离，横坐标为扫描位置，纵坐标为视线距 离。第三行为光混频器4接收的激光回波信号的频率，初始的回波信号由于距离原因存在 时间延迟，后续的回波由于扫描视线距离变化，激光回波信号的频率也相应增加和减小。第 四行是平衡探测器5将光混频器4输出的光信号转换为电信号，经过低通滤波器6滤除和 频后的差频信号，横坐标是与扫描位置对应的扫描时间，纵坐标是回波信号与参考信号的 差频，可以看出当距离不变时，差频与距离有关，当距离变化时，差频与目标表面距离的变 化率成线性关系。第五行是根据初始的差频计算出初始距离，后续的差频计算出距离变化 率，在进行积分后获得后续目标表面视线距离，可以还原出原始目标扫描路径的视线距离， 再和扫描角度同步进行坐标变换，可以测量出目标表面扫描路径上任意点的三维直角坐 标。
[0044] 本装置的工作过程是：
[0045] ①将本发明装置安装在地面固定三脚架上，所述的扫描镜7将激光进行竖直一维 扫描，装置底部有转台可以使整个装置进行水平扫描，激光测量距离实现对目标的第三维 测量；
[0046] ②启动本发明装置，在所述扫描镜7进行一个扫描周期内，所述的窄线宽激光器2 发射连续激光信号，经所述的声光调制器3变成线性频率调制的连续激光信号，所述的光 混频器4完成回波信号和参考信号的相干，所述的平衡探测器5完成光电转换，所述的距离 计算模块10根据频率差计算出距离；
[0047] ③所述的角度编码器8和编码计数电路9测量扫描镜7转动过程中的累加计 数，计算出扫描镜7转动的角度。所述的三维数据处理模块11同步接收角度α、β和 距离d，将角度α、β和视线距离d进行坐标变换：X =dXC〇S(i3)Xc〇S(a)、y = dXcos(P)Xsin(a)和z=dXsin(P)，可以获得目标表面扫描路径上任意点的三维直 角坐标（X，y，z)。
[0048] 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 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 ⑷； 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dl = (fsl7k/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（I 1)，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，tl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 cos β cos α、 y = d cos β sin α、ζ = d sin β，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。2. 根据权利要求1所述的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：所述的窄线宽激光器（2)为波长1550nm的单频窄线宽激光器。3. 根据权利要求1所述的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：所述的声光调制器（3)为光纤耦合声光调制器。4. 根据权利要求1所述的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：所述的光混频器（4)为2X2的单模光纤耦合器。5. 根据权利要求1所述的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：所述的平衡探测器（5)为雪崩光电二极管平衡探测器。6. 根据权利要求1所述的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：所述的角度编码器（8)为光电编码器。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01S17/89
【公开号】CN105425245
【申请号】CN201510752209
【发明人】才长帅, 李光伟, 闫海, 王晓莉, 高其嘉, 曹原, 陈京平, 李建勋, 冀鑫炜, 石海天, 刘建平, 李静
【申请人】中国人民解放军空军装备研究院雷达与电子对抗研究所
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年11月6日