送光系可變焦測距三維雷射掃描儀系統及其控制方法與流程
2024-04-15 18:43:05 1
1.本發明涉及可變焦測距三維雷射掃描儀領域，尤其是涉及一種送光系可變焦測距三維雷射掃描儀系統。
背景技術：
2.針對不同的測繪場景，對三維雷射掃描儀要求有所不同，例如在測繪遠距離場景時，發散角越小的探測光束對遠距離探測越有利；在森林地形地貌測試時，發散角偏大的探測光束便於採集多次回波信號等等；然而，現有的三維雷射掃描儀中探測光束髮散角均為固定值。
技術實現要素：
3.本發明的主要目的在於提供一種送光系可變焦測距三維雷射掃描儀系統，解決三維雷射掃描儀中探測光束髮散角均為固定值的問題。
4.為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：一種送光系可變焦測距三維雷射掃描儀系統，包括脈衝光源、發射通道、掃描機構、接收通道、模擬探測放大模塊和數據處理模塊組成，脈衝光源發射脈衝雷射通過發射通道到掃描機構內部，掃描機構用於掃描目標物體，掃描目標物體反射光輸送輸送到接收通道，接收通道與模擬探測放大模塊連接，模擬探測放大模塊與數據處理模塊連接，數據處理模塊與發射通道連接。
5.優選方案中，脈衝光源波長可為可見光波段、近紅外波段和短波紅外任意波段範圍內任意波長，用於發射脈衝雷射，對目標物體進行探測；
6.優選方案中，發射通道採用變焦準直器發散角調節範圍為0.1mrad-5mrad，用於壓縮光纖雷射器發出的雷射光束髮散角，使雷射光束接近於平行光束，用於不同場景進行探測。
7.優選方案中，接收通道用於接收脈衝雷射經掃描機構照射在目標物體表面後散射返回的光信號。
8.優選方案中，模擬探測放大模塊用於返回光信號轉換為電信號用於後端計算待測物體距離；
9.優選方案中，數據處理模塊用於處理待測物體距離信息、對脈衝光源和準直器中調節鏡組進行操控。
10.優選方案中，發射通道採用變焦準直器，該變焦準直器共分為三部分，分別為前鏡組、調節鏡組、後鏡組。
11.優選方案中，前後透鏡為固定鏡組，前鏡組為正透鏡組，後鏡組為正透鏡組，中間調節鏡組由正負透鏡組成，具有焦距調節功能，焦距調節範圍為10mm-120mm，即發散角調節範圍為0.1mrad-2mrad；
12.優選方案中，調節鏡組驅動方式可為伺服電機、音圈馬達。
13.該方法包括：
14.s1、根據測繪場景需求，輸入對出射光束髮散角的檔位選擇，數據處理模塊向驅動電機發出指令，在電機驅動下調節鏡組進行焦距調節工作，脈衝光源發射脈衝雷射，經變焦準直器準直後，經掃描機構照射在目標物體表面；
15.s2、脈衝雷射在目標物體表面發生散射，散射返回的光信號經掃描機構進入接收通道會聚在模擬放大探測模塊上感光元件，經模擬放大探測模塊將光信號轉換為電信號輸入至後端數據處理模塊對目標物體距離信息進行處理；
16.s3、單模光纖出射的光具有高斯強度分布的特性，其1/e2孔徑內集中86.5％能量，大於1/e2孔徑部分光強隨口徑增大急劇下降；
17.mfd為單模光纖模場直徑，該直徑表示為強度降低到中心光強1/e2的直徑，通過公式可以估算出1/e2發散角理論值，即發散角的大小與準直系統焦距成反比：
18.焦距成反比公式為：
[0019][0020]
s4、焦距80mm時，最大發散角半徑小於理論衍射極限半徑，即該光學準直系統已達到理論極限；
[0021]
焦距40mm時，最大發散角半徑小於理論衍射極限半徑，即該光學準直系統已達到理論極限；
[0022]
焦距20mm時，最大發散角半徑發散角略大於理論衍射極限，但絕大部分發散角半徑仍小於理論衍射極限，即該光學準直系統接近理論極限。
[0023]
本發明提供了一種送光系可變焦測距三維雷射掃描儀系統及其控制方法，通過精密電機控制準直器中可調鏡組移動，對準直器進行焦距調節，達到對準直光束髮散角的調節，以適配不同測繪場景需求。變焦準直器，可通過精密電機控制準直器中可調鏡組進行焦距調節工作，達到對準直光束髮散角的調節，以適配不同測繪場景需求。
附圖說明
[0024]
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：
[0025]
圖1是本發明系統連接示意圖；
[0026]
圖2是本發明鏡組調節示意圖；
[0027]
圖3是本發明焦距80mm發散角極限半徑示意圖；
[0028]
圖4是本發明焦距40mm發散角極限半徑示意圖；
[0029]
圖5是本發明焦距200mm發散角極限半徑示意圖；
具體實施方式
[0030]
實施例1
[0031]
如圖1～5所示，一種送光系可變焦測距三維雷射掃描儀系統，包括脈衝光源、發射通道、掃描機構、接收通道、模擬探測放大模塊和數據處理模塊組成，脈衝光源發射脈衝雷射通過發射通道到掃描機構內部，掃描機構用於掃描目標物體，掃描目標物體反射光輸送輸送到接收通道，接收通道與模擬探測放大模塊連接，模擬探測放大模塊與數據處理模塊連接，數據處理模塊與發射通道連接。
[0032]
優選方案中，脈衝光源波長可為可見光波段、近紅外波段和短波紅外任意波段範圍內任意波長，用於發射脈衝雷射，對目標物體進行探測；
[0033]
優選方案中，發射通道採用變焦準直器發散角調節範圍為0.1mrad-5mrad，用於壓縮光纖雷射器發出的雷射光束髮散角，使雷射光束接近於平行光束，用於不同場景進行探測。
[0034]
優選方案中，接收通道用於接收脈衝雷射經掃描機構照射在目標物體表面後散射返回的光信號。
[0035]
優選方案中，模擬探測放大模塊用於返回光信號轉換為電信號用於後端計算待測物體距離；
[0036]
優選方案中，數據處理模塊用於處理待測物體距離信息、對脈衝光源和準直器中調節鏡組進行操控。
[0037]
優選方案中，發射通道採用變焦準直器，該變焦準直器共分為三部分，分別為前鏡組、調節鏡組、後鏡組。
[0038]
優選方案中，前後透鏡為固定鏡組，前鏡組為正透鏡組，後鏡組為正透鏡組，中間調節鏡組由正負透鏡組成，具有焦距調節功能，焦距調節範圍為10mm-120mm，即發散角調節範圍為0.1mrad-2mrad；
[0039]
優選方案中，調節鏡組驅動方式可為伺服電機、音圈馬達。
[0040]
該系統由脈衝光源、發射通道、掃描機構、接收通道、模擬探測放大模塊和數據處理模塊組成，
[0041]
如圖1所示。脈衝光源波長可為可見光波段、近紅外波段和短波紅外任意波段範圍內任意波長，用於發射脈衝雷射，對目標物體進行探測；
[0042]
發射通道採用變焦準直器發散角調節範圍為0.1mrad-5mrad，用於壓縮光纖雷射器發出的雷射光束髮散角，使雷射光束接近於平行光束，用於不同場景進行探測；
[0043]
接收通道用於接收脈衝雷射經掃描機構照射在目標物體表面後散射返回的光信號；
[0044]
模擬探測放大模塊用於返回光信號轉換為電信號用於後端計算待測物體距離；
[0045]
數據處理模塊用於處理待測物體距離信息、對脈衝光源和準直器中調節鏡組進行操控等。
[0046]
本技術中，發射通道採用變焦準直器，該變焦準直器共分為三部分，分別是前鏡組、調節鏡組、後鏡組。如圖2所示，前後透鏡為固定鏡組，前鏡組為正透鏡組，後鏡組為正透鏡組，中間調節鏡組由正負透鏡組成，具有焦距調節功能，焦距調節範圍為10mm-120mm，即發散角調節範圍為0.1mrad-2mrad。調節鏡組驅動方式可為伺服電機、音圈馬達等。
[0047]
實施例2
[0048]
結合實施例1進一步說明，如圖1-5所示結構，根據測繪場景需求，輸入對出射光束髮散角的檔位選擇，數據處理模塊向驅動電機發出指令，在電機驅動下調節鏡組進行焦距調節工作，脈衝光源發射脈衝雷射，經變焦準直器準直後，經掃描機構照射在目標物體表面；
[0049]
脈衝雷射在目標物體表面發生散射，散射返回的光信號經掃描機構進入接收通道會聚在模擬放大探測模塊上感光元件，經模擬放大探測模塊將光信號轉換為電信號輸入至
後端數據處理模塊對目標物體距離信息進行處理；
[0050]
單模光纖出射的光具有高斯強度分布的特性，其1/e2孔徑內集中86.5％能量，大於1/e2孔徑部分光強隨口徑增大急劇下降；
[0051]
mfd為單模光纖模場直徑，該直徑表示為強度降低到中心光強1/e2的直徑，通過公式可以估算出1/e2發散角理論值，即發散角的大小與準直系統焦距成反比：
[0052]
焦距成反比公式為：
[0053][0054]
焦距80mm時，最大發散角半徑小於理論衍射極限半徑，即該光學準直系統已達到理論極限；
[0055]
焦距40mm時，最大發散角半徑小於理論衍射極限半徑，即該光學準直系統已達到理論極限；
[0056]
焦距20mm時，最大發散角半徑發散角略大於理論衍射極限，但絕大部分發散角半徑仍小於理論衍射極限，即該光學準直系統接近理論極限。
[0057]
實施例3
[0058]
結合實施例1-2進一步說明，如圖1-5所示結構，如圖1所示，根據測繪場景需求，輸入對出射光束髮散角的檔位選擇。數據處理模塊向驅動電機發出指令，在電機驅動下調節鏡組進行焦距調節工作。脈衝光源發射脈衝雷射，經變焦準直器準直後，經掃描機構照射在目標物體表面。脈衝雷射在目標物體表面發生散射，散射返回的光信號經掃描機構進入接收通道會聚在模擬放大探測模塊上感光元件，經模擬放大探測模塊將光信號轉換為電信號輸入至後端數據處理模塊對目標物體距離等信息進行處理。
[0059]
由於單模光纖出射的光具有高斯強度分布的特性，其1/e2孔徑內集中86.5％能量，大於1/e2孔徑部分光強隨口徑增大急劇下降。
[0060]
mfd為單模光纖模場直徑，該直徑表示為強度降低到中心光強1/e2的直徑，通過公式可以估算出1/e2發散角理論值，即發散角的大小與準直系統焦距成反比。
[0061][0062]
如圖2所示，準直器光學系統由5片光學鏡片組成，鏡片材質均為光學玻璃材料；鏡片表面均蒸鍍高效增透膜。固定鏡組為前鏡組和後鏡組，均為正透鏡組，調節鏡組由一片正透鏡和兩片負透鏡組成。調焦過程中調節鏡組整體前後移動實現連續變焦。
[0063]
ꢀꢀ
焦距20mm焦距40mm焦距80mm
ꢀꢀ
面編號曲率半徑厚度厚度厚度ndvd1無限5.0005.0005.000
ꢀꢀ
220.0061.5441.5441.5441.84723.7843157.5341.4441.1690.987
ꢀꢀ
414.9923.6833.6833.6831.84723.7845-9.98733.12433.12433.124
ꢀꢀ
6-9.9873.2663.2663.2661.84723.78479.98629.11429.11429.114
ꢀꢀ
831.0351.4901.4901.4901.84723.78499.98628.11628.39128.573
ꢀꢀ
10-352.1833.2293.2293.2291.84723.784
[0064]
表1焦距20-80mm調焦過程中調節鏡組整體前後移動實現連續變焦
[0065]
上述表1所示，調焦過程中調節鏡組整體前後移動實現連續變焦，根據測繪場景需求，輸入對出射光束髮散角的檔位選擇。數據處理模塊向驅動電機發出指令，在電機驅動下調節鏡組進行焦距調節工作，如圖3所示，焦距80mm時，最大發散角半徑小於理論衍射極限半徑，即說明該光學準直系統已達到理論極限；如圖4所示，焦距40mm時，最大發散角半徑小於理論衍射極限半徑，即說明該光學準直系統已達到理論極限；如圖5所示，焦距20mm時，最大發散角半徑發散角略大於理論衍射極限，但絕大部分發散角半徑仍小於理論衍射極限，即說明該光學準直系統接近理論極限。
[0066]
上述的實施例僅為本發明的優選技術方案，而不應視為對於本發明的限制，本發明的保護範圍應以權利要求記載的技術方案，包括權利要求記載的技術方案中技術特徵的等同替換方案為保護範圍。即在此範圍內的等同替換改進，也在本發明的保護範圍之內。