CN101526619A - 基于无扫描激光雷达与ccd相机的同步测距测速系统 - Google Patents

Abstract

基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统。本发明涉及激光雷达测量领域，它解决了现有的无扫描激光雷达只能获得物体的距离信息，无法获得运动信息的问题。本发明的系统中的无扫描激光雷达由发射和接收两部分组成，发射部分包括脉冲激光器和发射光学整形系统，接收系统包括ICCD成像器和接收光学系统；在本发明的系统中还结合了CCD相机，并与所述的无扫描激光雷达共用接收光学系统，在其前加入带阻滤波片从而接收光信号，在尽量避免增大系统结构复杂程度的情况下，在较短的曝光时间内对运动物体同步获得距离信息和运动信息，主要应用在运动物体的测量中。

Description

基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统

技术领域

本发明涉及激光雷达测量领域。

背景技术

无扫描距离成像激光雷达是当今激光雷达发展的主要方向之一。但是现有的无扫描激光雷达只能获得物体的距离信息，无法获得运动物体的速度信息。而激光多普勒测速仪和雷达多普勒测速仪由于价格昂贵，结构独立，且体积较大，很难与无扫描激光雷达配合使用。这些都限制了无扫描激光雷达对目标的运动信息(方向和速度)的获取能力，并进一步限制了其应用范围。

发明内容

本发明为了解决现有的无扫描激光雷达只能获得物体的距离信息，无法获得运动信息(方向和速度)的问题，而提出了一种基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统。

本发明包括无扫描激光雷达、控制处理器、第一分光器、PIN解码器、延时发生器、高压调制电源、选通电源、第二分光器、窄带滤波片、带阻滤波片和CCD相机；无扫描激光雷达包括脉冲激光器、发射光学整形系统、ICCD面阵探测器和接收光学系统；

脉冲激光器发射出的激光光束经第一分光器分束后分别照射在发射光学整形系统和PIN解码器的受光面上，照射在发射光学整形系统上的激光光束经整形后照射到目标上，经目标反射后的回波脉冲被接收光学系统接收，经接收光学系统汇聚后激光光束经第二分光器分束后分别透射窄带滤波片和带阻滤波片照射在ICCD面阵探测器和CCD相机的受光面上；

ICCD面阵探测器的图像输出端和CCD相机的图像输出端分别连接控制处理器的两个图像输入端，控制处理器的脉冲控制端与脉冲激光器的受控端相连，控制处理器的延时控制端与延时发生器的受控端相连，PIN解码器的触发信号输出端与延时发生器的触发端相连，延时发生器的两个延时信号输出端分别连接高压调制电源的受控端和选通电源的受控端，控制处理器的触发信号输出端与高压调制电源的触发端连接，高压调制电源的增益信号输出端与ICCD面阵探测器的增益信号输入端连接，选通电源的输出端与ICCD面阵探测器的电源输入端连接，控制处理器的曝光信号输出端与CCD相机的曝光信号输入端连接。

该系统新增一个灵活小巧的成像器件CCD相机，CCD相机的曝光时间通常比增益调制式无扫描激光雷达的成像时间要长，所以可以在此曝光时间之内，同时完成激光雷达获得距离图像和CCD获得宽光谱强度图像，并由激光雷达图像中的距离信息和CCD图像中的运动模糊信息，解算出物体的运动方向和速度，从而同步完成对物体测距和测速的任务。

特点：在尽量避免增大系统结构复杂程度的情况下，在较短的曝光时间内对运动物体同步获得距离信息和运动信息。

优点：弥补了无扫描激光雷达无法同时测量运动目标的运动信息(运动方向和速度)的缺点，新增的CCD相机器件小巧，并与无扫描激光雷达共用光学接收系统，两者配合起来结构相对简单。由激光雷达获取的距离信息和CCD图像中的运动模糊信息解算出物体的运动方向和速度的精度也较高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；图2为具体实施方式三中对ICCD面阵探测器9和CCD相机14传送来的图像信息处理流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式由无扫描激光雷达、控制处理器1、第一分光器3、PIN解码器5、延时发生器6、高压调制电源7、选通电源8、第二分光器11、窄带滤波片12、带阻滤波片13和CCD相机14组成；无扫描激光雷达由脉冲激光器2、发射光学整形系统4、ICCD面阵探测器9和接收光学系统10组成；

脉冲激光器2发射出的激光光束经第一分光器3分束后分别照射在发射光学整形系统4和PIN解码器5的受光面上，照射在发射光学整形系统4上的激光光束经整形后照射到目标上，经目标反射后的回波脉冲被接收光学系统10接收，经接收光学系统10汇聚后激光光束经第二分光器11分束后分别透射窄带滤波片12和带阻滤波片13照射在ICCD面阵探测器9和CCD相机14的受光面上；

ICCD面阵探测器9的图像输出端和CCD相机14的图像输出端分别连接控制处理器1的两个图像输入端，控制处理器1的脉冲控制端与脉冲激光器2的受控端相连，控制处理器1的延时控制端与延时发生器6的受控端相连，PIN解码器5的触发信号输出端与延时发生器6的触发端相连，延时发生器6的两个延时信号输出端分别连接高压调制电源7的受控端和选通电源8的受控端，控制处理器1的触发信号输出端与高压调制电源7的触发端连接，高压调制电源7的增益信号输出端与ICCD面阵探测器9的增益信号输入端连接，选通电源8的输出端与ICCD面阵探测器9的电源输入端连接，控制处理器1的曝光信号输出端与CCD相机14的曝光信号输入端连接。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于ICCD面阵探测器9由微通道板9-1、荧光屏9-2和CCD9-3组成；所述的微通道板9-1、荧光屏9-2和CCD9-3依次设置在同一水平光轴上。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于控制处理器1，用于触发脉冲激光器2和触发高压调制电源7生成高压调制信号，还用于控制延时发生器6生成延时信号，还用于设定CCD相机14的曝光时间，并在所述的曝光时间内触发脉冲激光器2发射两束具有时间间隔的脉冲，在发射脉冲的同时触发ICCD面阵探测器9的微通道板9-1的增益调制，两束脉冲对应不同的调制增益方式；以及用于对ICCD面阵探测器9和CCD相机14传送来的图像信息处理出距离像，其处理过程如下：

首先FFT频谱判别运动方向，对CCD相机14传送来的运动模糊图像信息进行快速傅里叶变换(FFT)，并对其变换后的频谱的绝对值取对数，由对数化的频谱中次亮谱线与中央竖直最亮谱线间的夹角，获得运动方向；如果夹角为0，则图像为水平图像，进行运动模糊尺度运算；如果夹角非0，则图像为非水平图像，进行图像旋转；

其次图像旋转，将CCD相机14的非水平图像根据所述夹角的角度进行旋转，使之变为运动方向水平的水平图像，进行运动模糊尺度运算；

之后运动模糊尺度运算，采用基于sobel算子的两个改造了的水平边缘梯度检测算子对旋转后的图像进行边缘检测，获得边缘图像，并对各行上的图像序列进行自相关，每行自相关的结果以零频为中心进行叠加，并检测出将叠加后的自相关曲线中零频分量两侧的凹的相关峰的位置，两者距离之差值的一半记为运动模糊尺度；或者统计每一行相关峰位置之差，找出其众数(出现次数最多的值)，其一半记为运动模糊尺度；考虑到边缘算子对边缘所产生的振铃效应会对边缘检测的宽度造成展宽，所以还需要进行补偿，边缘宽度减去边缘检测算子带来的展宽为最终的运动模糊尺度；

最后通过测算出的运动模糊尺度为运动物体区域图像复原提供准确的模糊函数信息，更重要的是，它结合无扫描激光雷达所测量的物体距离信息，可以完成运动物体速度的测算。

其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同点在于脉冲激光器2，用于产生单脉冲能量高、脉冲宽度窄和脉冲线宽窄的脉冲；其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同点在于第一分光器3，用于将脉冲激光器2所发射的脉冲分别提供给发射光学整形系统4和PIN解码器5；其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同点在于发射光学整形系统4，用于对发射光束进行整形，形成大范围的均匀泛光场；其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同点在于PIN解码器5，用于接收到的触发光信号转化为触发电信号；其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同点在于延时发生器6，用于产生延时信号，还用于控制选通电源8；其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同点在于高压调制电源7，用于控制ICCD面阵探测器9生成单调上升的函数调制和常数调制；其它组成和连接方式与具体实施方式九相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同点在于选通电源8，用于ICCD面阵探测器9进行极短时间的选通控制；其它组成和连接方式与具体实施方式九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同点在于ICCD面阵探测器9，用于将接收到的两束回波脉冲分别在单调上升的函数调制下和常数调制下进行成像；

第一束回波脉冲对应的增益调制方式为单调上升的指数函数；获得的图像包含两种信息，一种是回波脉冲本身的强度信息，另一种是由于目标各点距离不同，导致各点回波脉冲到达接收器时所对应的增益不同，最终体现在CCD9-3上所成像的灰度对比有所变化；

第二束回波脉冲对应的增益调制方式为常数，获得的图像中只包含光强信息；

两束回波脉冲所对应的两帧图像进行对比，并根据物体距离与增益函数间的映射关系，从而获得激光雷达的距离图像。其它组成和连接方式与具体实施方式十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一不同点在于接收光学系统10，用于接收经目标反射后的回波脉冲进行整形和汇聚；其它组成和连接方式与具体实施方式十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十二不同点在于第二分光器11，用于将接收光学系统10汇聚后激光光束分别提供给ICCD面阵探测器9和CCD相机14，使ICCD面阵探测器9和CCD相机14同时进行两种方式的成像；其它组成和连接方式与具体实施方式十二相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十三不同点在于窄带滤波片12，用于滤除回波脉冲中除激光波长外的光谱信息；其它组成和连接方式与具体实施方式十三相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十四不同点在于带阻滤波片13，用于阻断反射回的激光在CCD相机14成像；其它组成和连接方式与具体实施方式十四相同。带阻滤波片13的作用是为防止激光反射回来的能量可能对CCD相机14成像造成的饱和。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五不同点在于CCD相机14，用于对目标进行宽光谱被动成像；所述的CCD相机14的曝光时间比增益调制方式无扫描激光雷达的成像时间要长；在整个曝光时间内，CCD相机14始终接收成像区域的脉冲光信号；如果是运动物体，CCD相机14在曝光时间内成像则出现模糊，根据物体运动速度与成像模糊、物体的距离以及CCD相机14相机的参数设置存在函数关系：

$\mathrm{\υ}=\frac{z{\mathrm{Ks}}_x}{\mathrm{Tf}},$

其中υ为运动速度、z为物体的距离、K为CCD相机14成像模糊尺度(像素数)、s_x为CCD相机14上单个像素的大小、T为CCD相机14上单个像素的曝光时间和f为CCD相机14的镜头焦距。CCD相机14的参数根据采用的型号可知，物体的距离通过无扫描激光雷达获得，成像模糊尺度通过控制处理器1计算获得。其它组成和连接方式与具体实施方式一至十五相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (10)

1、基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统，其特征在于它包括无扫描激光雷达、控制处理器(1)、第一分光器(3)、PIN解码器(5)、延时发生器(6)、高压调制电源(7)、选通电源(8)、第二分光器(11)、窄带滤波片(12)、带阻滤波片(13)和CCD相机(14)；无扫描激光雷达包括脉冲激光器(2)、发射光学整形系统(4)、ICCD面阵探测器(9)和接收光学系统(10)；

脉冲激光器(2)发射出的激光光束经第一分光器(3)分束后分别照射在发射光学整形系统(4)和PIN解码器(5)的受光面上，照射在发射光学整形系统(4)上的激光光束经整形后照射到目标上，经目标反射后的回波脉冲被接收光学系统(10)接收，经接收光学系统(10)汇聚后激光光束经第二分光器(11)分束后分别透射窄带滤波片(12)和带阻滤波片(13)照射在ICCD面阵探测器(9)和CCD相机(14)的受光面上；

ICCD面阵探测器(9)的图像输出端和CCD相机(14)的图像输出端分别连接控制处理器(1)的两个图像输入端，控制处理器(1)的脉冲控制端与脉冲激光器(2)的受控端相连，控制处理器(1)的延时控制端与延时发生器(6)的受控端相连，PIN解码器5的触发信号输出端与延时发生器(6)的触发端相连，延时发生器(6)的两个延时信号输出端分别连接高压调制电源(7)的受控端和选通电源(8)的受控端，控制处理器(1)的触发信号输出端与高压调制电源(7)的触发端连接，高压调制电源(7)的增益信号输出端与ICCD面阵探测器(9)的增益信号输入端连接，选通电源(8)的输出端与ICCD面阵探测器(9)的电源输入端连接，控制处理器(1)的曝光信号输出端与CCD相机(14)的曝光信号输入端连接。

2、根据权利要求1所述的基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统，其特征在于ICCD面阵探测器(9)由微通道板(9-1)、荧光屏(9-2)和CCD(9-3)组成；所述的微通道板(9-1)、荧光屏(9-2)和CCD(9-3)依次设置在同一水平光轴上。

3、根据权利要求2所述的基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统，其特征在于控制处理器1，用于触发脉冲激光器(2)和触发高压调制电源(7)生成高压调制信号，还用于控制延时发生器(6)生成延时信号，还用于设定CCD相机(14)的曝光时间，并在所述的曝光时间内触发脉冲激光器(2)发射两束具有时间间隔的脉冲，在发射脉冲的同时触发ICCD面阵探测器(9)的微通道板(9-1)的增益调制，两束脉冲对应不同的调制增益方式；以及用于对ICCD面阵探测器(9)和CCD相机(14)传送来的图像信息处理出距离像。

4、根据权利要求2所述的基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统，其特征在于ICCD面阵探测器(9)，用于将接收到的两束回波脉冲分别在单调上升的函数调制下和常数调制下进行成像；第一束回波脉冲对应的增益调制方式为单调上升的指数函数；获得的图像包含两种信息，一种是回波脉冲本身的强度信息，另一种是由于目标各点距离不同，导致各点回波脉冲到达接收器时所对应的增益不同，最终体现在CCD(9-3)上所成像的灰度对比有所变化；第二束回波脉冲对应的增益调制方式为常数，获得的图像中只包含光强信息；两束回波脉冲所对应的两帧图像进行对比，并根据物体距离与增益函数间的映射关系，从而获得激光雷达的距离图像。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统，其特征在于CCD相机(14)，用于对目标进行宽光谱被动成像；所述的CCD相机(14)的曝光时间比增益调制方式无扫描激光雷达的成像时间要长；在整个曝光时间内，CCD相机(14)始终接收成像区域的脉冲光信号；如果是运动物体，CCD相机(14)在曝光时间内成像则出现模糊，根据物体运动速度与成像模糊、物体的距离以及CCD相机(14)相机的参数设置存在函数关系：

$\mathrm{\υ}=\frac{z{\mathrm{Ks}}_x}{\mathrm{Tf}},$

其中υ为运动速度、z为物体的距离、K为CCD相机(14)成像模糊尺度、s_x为CCD相机(14)上单个像素的大小、T为CCD相机(14)上单个像素的曝光时间和f为CCD相机(14)的镜头焦距。

6、根据权利要求1或5所述的基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统，其特征在于脉冲激光器(2)，用于产生单脉冲能量高、脉冲宽度窄和脉冲线宽窄的脉冲。

7、根据权利要求1或5所述的基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统，其特征在于窄带滤波片(12)，用于滤除回波脉冲中除激光波长外的光谱信息。

8、根据权利要求1或5所述的基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统，其特征在于带阻滤波片(13)，用于阻断反射回的激光在CCD相机(14)成像。

9、根据权利要求1或5所述的基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统，其特征在于高压调制电源(7)，用于控制ICCD面阵探测器(9)生成单调上升的函数调制和常数调制。

10、根据权利要求1或5所述的基于无扫描激光雷达与CCD相机的同步测距测速系统，其特征在于选通电源(8)，用于ICCD面阵探测器(9)进行极短时间的选通控制。

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