基于沙姆定律铰链原则的连续激光三维扫描方法及装置与流程

本发明属于激光三维扫描技术领域，特别涉及基于沙姆定律铰链原则的连续激光三维扫描技术。

背景技术：

随着时代的发展，我们常常要对大面积建筑区域或山区内大范围的三维物体进行分析，以便获取有用的信息。目前，大多数图像采集装置所获取的图像本身是在二维平面上的，为了更精确的获得我们所需要的信息，我们需要得到其三维成像图，所以各种扫描成像技术应用而生。目前扫描成像技术主要有点云成像，双摄像头成像技术和传统的基于沙氏定律的激光扫描技术。在这三种技术中，点云成像和传统的基于沙氏定律的扫描技术是利用激光雷达技术扫描成像。使用激光雷达技术，我们可以对一些难以到达的地方进行探测，并且获得误差小，高精度，清晰的成像。而在双摄像头成像技术中有一种主要是利用两个摄像头模拟人眼进行成像。我们知道，目前的点云技术基本是使用图像处理的方法进行扫描，这种方法要求复杂的数字电路和快速的数据采集速率。而传统的基于沙氏定律的扫描技术利用轨道式扫描的方法，只能实现平面的成像，无法获取图像的三维信息。双摄像头技术则需要复杂的图像拼接技术的辅助，拼接图像的边缘重叠性问题是该技术的一大难题，另外，它还易受到光照和周围环境的影响。这里介绍了一种利用压电陶瓷和电机控制的激光雷达成像技术，这种技术可以实现传统的点云扫描的清晰成像，可以实现三维图像的成像，却不需要复杂的电路处理后期数据。

技术实现要素：

1、本发明的目的。

本发明主要提出了一种能够灵活对远处物体进行大范围的扫描并进行重构的激光雷达系统，解决了传统激光雷达扫描系统数字电路处理复杂，数据采集系统速度要求高的缺陷，完善了传统基于沙式定律扫描技术无法三维扫描的缺陷。

2、本发明所采用的技术方案。

本发明提出一种基于沙姆定律铰链原则的连续激光三维扫描装置，包括激光器、反射镜、接收望远镜、光电探测器、信号同步电路；反射镜、接收望远镜和光电探测器根据沙姆定律摆放，反射镜设置在物面、相面和焦平面的交点上可旋转角度，信号同步电路控制光电探测器跟随反射镜的旋转同步上下位移始终符合沙姆定律；二极管激光器前放置可调反射镜(3)，反射镜将激光反射到环境中的目标物，目标物再将光信号反射或者折射出去，光信号被接收望远镜组接收，接收望远镜接收的光信号会聚在光电探测器上。

更进一步具体实施方式中，还包括电机、运动控制部分电机伺服，运动控制部分电机伺服、电机、反射镜依次相连控制反射镜旋转。

更进一步具体实施方式中，还包括压电陶瓷、运动控制部分压电陶瓷控制器，光电探测器与压电陶瓷相连，压电陶瓷控制器控制压电陶瓷上下运动，并反馈同步信号来控制与反射镜相连的电机。

更进一步具体实施方式中，还包括激光准直原件，激光准直原件放置在二极管激光器前，激光准直原件前放置可调反射镜。

更进一步具体实施方式中，所述的激光器为二极管激光器。

本发明提出了一种基于沙姆定律铰链原则的连续激光三维扫描方法，按照如下步骤进行：

步骤1、将基于沙姆定律铰链原则的连续光激光扫描装置瞄准待检测环境，开启激光器；

步骤2、激光器发出的激光经过激光准直原件射向反射镜，反射镜将激光反射到环境中的目标物，目标物再将光信号反射或者折射出去；

步骤3、目标物反射/折射的光信号被激光接收部分接收，即由接收望远镜组接收采集光信号；

步骤4、接收望远镜接收的光信号会聚在光电探测器上，该光电探测器与所述数据采集分析部分相连，在该探测器的探测面上可以得到距离分布信息；

步骤5、光电探测器与压电陶瓷相连，压电陶瓷通过压电陶瓷控制器来控制，并用同步信号来控制与反射镜相连的电机，使光电探测器与电机同步运动，利用信号同步电路来控制压电陶瓷控制器和电机运动，从而使反射镜和探测器运动的同时依然满足沙氏定律。

更进一步具体实施方式中，采用一种推扫式扫描的方式，实现物体的二维成像；实现物体的二维成像后，运用成像几何原理，利用电机控制反射镜可以实现在空间中的三维扫描。

3、本发明的有益效果。

(1)、本发明利用铰链原则，通过沙姆定律计算出物面相面和焦平面的交点所在，确定一个旋转点G，在系统搭建时，将反射镜、透镜和线阵CCD/CMOS根据Scheimflug定律摆放，并将反射镜放置在G点的位置；搭建完成后，当反射镜旋转一定角度时，通过几何运算，可以计算出线阵CCD/CMOS的上下移动的距离，利用压电陶瓷就可以很好的控制线阵CCD/CMOS移动，达到成像的作用。

(2)、本发明利用激光一次扫描多个点，运用一种推扫式扫描的方式，实现物体的二维成像；实现物体的二维成像后，运用成像几何原理，利用电机控制反射镜可以实现在空间中的三维扫描；相比于传统激光雷达线扫描，本装置可以实现空间的三维图像重构。传统基于沙氏定律的激光扫描技术主要在视线范围(light of sight)内进行成像，我们只在沿着激光发射出来的那个方向进行成像。

(2)、本发明中采用线阵CCD/CMOS作为探测器，它的测量范围大和精度很高，实时传输光电变换信号速度快。

(3)、本激光雷达采样速率远大于传统激光雷达，采样频率可达3KHz。配合使用3000像素的线阵CCD/CMOS，本装置每秒钟可以扫描900万点，相比于传统扫描技术每秒扫描70万点，扫描效率更高。另外，本发明采用近红外光或者紫外光，属于人眼安全波段。

综上，本发明采用了连续光激光作为光源，使用成像方法实现物体的空间扫描，利用压电陶瓷或电机控制系统灵活的探测不同角度下的物体的线扫描图像。本发明应用于远景大范围的物体的三维扫描，波长选择为近红外光或紫外光波段，创新的采用了旋转反射镜和上下平移探测器扫描成像的方法，实现连续光扫描，可以得到远处的物体高精度、清晰的扫描图像。

附图说明

图1是基于Scheimpflug principle的铰链原则的连续光激光成像扫描装置的结构示意图。图中1-激光器，2-激光准直原件，3-反射镜，4-运动控制部分电机，5-电机伺服，6-接收望远镜，7-光电探测器(CCD/CMOS)，8-运动控制部分压电陶瓷，9-压电陶瓷控制器，10-信号同步电路。

图2扫描原理图，从图中可以看到G点为反射镜旋转点，当电机控制反射镜旋转到1位置时，根据Scheimpflug定律结合几何计算可知CCD/CMOS的位置在黑色所在位置，当反射镜旋转到2位置时，同理可得到CCD/CMOS的位置，此时CCD/CMOS向上平移了一段距离，如虚线所示。这样，当电机连续旋转时，我们也在CCD/CMOS上得到一系列的点，处理后就可以得到物体的轮廓图。

图3为模拟扫描图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例提出的一种基于沙姆定律铰链原则的连续光激光扫描装置，包括图中1-二极管激光器，2-激光准直原件，3-反射镜，4-电机，5-运动控制部分电机伺服，6-接收望远镜，7-光电探测器(CCD/CMOS)，8-压电陶瓷，9-运动控制部分压电陶瓷控制器，10-信号同步电路。

本发明提出的一种基于沙姆定律铰链原则的连续激光三维扫描装置，包括激光器1、反射镜3、接收望远镜6、光电探测器7、信号同步电路10；反射镜3、接收望远镜6和光电探测器7根据沙姆定律摆放，反射镜3设置在物面、相面和焦平面的交点上可旋转角度，信号同步电路10控制光电探测器7跟随反射镜3的旋转同步上下位移始终符合沙姆定律；二极管激光器1前放置可调反射镜3，反射镜3将激光反射到环境中的目标物，目标物再将光信号反射或者折射出去，光信号被接收望远镜组6接收，接收望远镜6接收的光信号会聚在光电探测器7上。本发明通过电机4、运动控制部分电机伺服5，运动控制部分电机伺服5、电机4、反射镜3依次相连控制反射镜旋转。所述的激光器1为二极管激光器。

实施例2

相比与实施例1中，本发明通过压电陶瓷8、运动控制部分压电陶瓷控制器9，光电探测器7与压电陶瓷8相连，压电陶瓷控制器9控制压电陶瓷8上下运动，并反馈同步信号来控制与反射镜3相连的电机4。激光准直原件2放置在二极管激光器1前，激光准直原件2前放置可调反射镜3。

实施例3

基于沙姆定律铰链原则的连续光激光成像装置，包括激光发射部分、激光接收部分、成像部分、数据采集分析部分、运动控制部分、信号同步部分；所述的激光发射部分、激光接收部分与成像部分、运动控制部分、信号同步部分相连；数据采集部分与成像部分相连。本技术利用沙氏定律中的铰链原则，通过公式计算选取出旋转点，旋转反射镜以达到改变激光扫描方向，从而达到扫描的目的。

激光发射部分主要包括连续激光光源(Laser diode)、激光准直原件，激光光源发出的连续激光经激光准直原件后入射至目标路径方向，此时进入光路的目标会产生反射光光信号，该信号被激光接收部分接收望远镜接收；

成像部分包括一维线阵CCD/CMOS，该线阵CCD/CMOS与x系统的数据采集分析部分相连，即通过与笔记本电脑相连记录接收线阵CCD收集到的回波信号，在线阵CCD/CMOS上可以得到距离分布等信息，进而得到被测目标的空间信息及扫描图像。

运动控制部分包括压电陶瓷，压电陶瓷控制器，电机，电机伺服(包含电机驱动)及反射镜。将反射镜与电机安装在一起，将CCD/CMOS与压电陶瓷安装在一起，电机与电机伺服安装好，利用电机控制反射镜旋转，同时使用压电陶瓷控制器控制压电陶瓷运动，从而带动CCD/CMOS运动，使其满足Scheimpflug定律，进而得到清晰的成像。

在控制压电陶瓷及电机运动时，为了使物平面相平面和透镜的焦平面三面始终交于一点，满足铰链原则，利用信号同步控制部分保证压电陶瓷控制器和电机伺服运动同步，控制反射镜和CCD/CMOS角度转动一致。信号同步控制部分可通过输入信号控制压电陶瓷和电机同步运动。

所用的连续激光光源为近红外光/紫外光二极管激光器；输入同步信号是方波和正弦波，在信号同步电路中通过编程使信号同步输入。

本实施例所述基于沙姆定律铰链原则的连续光激光扫描装置采用的成像测距方法：由激光发射部分的连续激光器沿目标方向发出激光，激光经激光准直原件发出射到反射镜上由反射镜进行反射，环境中的目标物出现在光路时会被此激光穿透扫描，目标物反射/折射的光信号经接收望远镜汇聚到CCD/CMOS上，旋转反射镜，利用成像几何的方法，使反射镜在不同角度反射激光，通过成像部分对光信号进行采集；最终，经过数据采集与分析部分与计算机相连，利用沙氏成像定律(Scheimpflug principle)可以得到对应光路中的不同距离及其光强信息，并且得到物体的轮廓信息，从而实现扫描物体的功能。具体包括以下步骤：

(1)将基于沙姆定律铰链原则的连续光激光扫描装置瞄准待检测环境，开启激光光源1。

(2)激光光源1发出的激光经过激光准直原件2射向反射镜，反射镜将激光反射到环境中的目标物，目标物再将光信号反射或者折射出去。

(3)目标物反射/折射的光信号被激光接收部分接收，即由接收望远镜组6对这些光信号进行接收采集。

(4)接收望远镜6接收的光信号会聚在光电探测器7上。该光电探测器与所述数据采集分析部分相连，即通过与笔记本电脑相连记录收集到的回波信号，在该探测器的探测面上可以得到距离分布信息。

(5)光电探测器7与压电陶瓷8相连，压电陶瓷通过压电陶瓷控制器9来控制，并用同步信号来控制与反射镜3相连的电机4，使光电探测器与电机同步运动。利用信号同步电路10来控制压电陶瓷控制器和电机运动(如图1，电机控制反射镜绕G点旋转，压电陶瓷控制器向虚线箭头方向压合)，从而使反射镜和探测器运动的同时依然满足沙氏定律。

本发明中，激光器1为二极管激光器，2激光准直原件，3反射镜，4电机，5运动控制部分机伺服，6接收望远镜，7光电探测器(CCD/CMOS)，8压电陶瓷，9运动控制部分压电陶瓷控制器，10信号同步电路等均为现有的成熟产品或可以利用原件加工出来的产品，利用这些现有产品或加工原件具有的功能，构建的本发明所述的系统，可以使用成像几何的方法在不旋转这个雷达系统的情况下(只操作电机和压电陶瓷运动，如图2)实现传统雷达的扫描效果，并且得到传统雷达提供的距离分布信息，还有物体的扫描轮廓如图3所示。

上述实际系统为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。