[发明专利]基于激光频率扫描干涉测距的三维测量系统

说明书

本发明公开了基于激光频率扫描干涉测距的三维测量系统。基于脉冲法和相位法激光测距原理的三维测量系统精度较低。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，系统稳定性好。

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系统。

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系统的测量精度较低。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系统结构方案。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系统，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、干涉光路系统、FP谐振腔光路系统、数据采集系统、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。

所述的干涉光路系统中，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。