CN102323594B - 亮度调制无扫描激光三维成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亮度调制无扫描激光三维成像系统，包括：激光电源、脉冲激光器、激光扩束器、成像接收镜头、双通道分光镜、两路增强型数字相机、测距接收镜头、实时图像处理器、数据存储器、图像显示器、测距处理器和像增强器控制器；相对于扫描型激光成像技术而言，本发明成像速度快，当目标或测量设备移动时，没有图像失真；由于没有高速扫描器，结构更加紧凑，系统可靠性得到大大提高；该系统使用方便，成像过程和图像质量不受其它外界设备的影响。鉴于亮度调制无扫描激光三维成像技术的这些特点，该技术可以在地形地貌测绘、激光精确制导、车辆导航蔽障、月球车降落引导等方面发挥重要作用。

Description

亮度调制无扫描激光三维成像系统

技术领域

本发明涉及激光三维成像技术领域、尤其涉及一种亮度调制无扫描激光三维成像系统。

背景技术

目前主要有几种无扫描激光成像的技术方案，第一种是利用连续波调制的方法进行三维成像的方案；该方案由于需要对半导体激光器进行高速调制，成像精度和成像距离存在矛盾关系，而且需要几次发射激光才能得到一副三维图像，实时性不好，不利于动目标的测量。第二种是采用带距离测量功能的面阵探测器的放大，该方案受制于现有面阵探测器的技术水平。第三种是采用切片距离选通的方案，该方案拼接算法复杂且难以做到实时处理。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种亮度调制无扫描激光三维成像系统，用以解决现有无扫描激光成像的方法所存在的实时性不好等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种亮度调制无扫描激光三维成像系统，包括：激光电源、脉冲激光器、激光扩束器、成像接收镜头、双通道分光镜、两路增强型数字相机、测距接收镜头、实时图像处理器、数据存储器、图像显示器、测距处理器和像增强器控制器，其中，

激光电源，用于给脉冲激光器供电；

脉冲激光器，用于发射脉冲激光；

激光扩束器，用于对脉冲激光器发出的脉冲激光，根据不同距离和目标大小调节脉冲激光的发散角，使脉冲激光的光斑都照射在目标物体上，经目标物体反射后的回波信号分别由测距接收镜头和成像接收镜头同时接收；

成像接收镜头，用于接收目标物体反射后的回波信号生成成像回波信号并发送给双通道分光镜；

双通道分光镜，用于将成像接收镜头输出的成像回波信号分成两路，同时进入到两路增强型数字相机；

增强型数字相机，设置有两路，每路均包含有数字相机和像增强器，其中，像增强器和数字相机通过光锥耦合，

两路像增强器，用于接收双通道分光镜发来的两路成像回波信号并进行放大后进入到两路数字相机；并且还根据像增强器控制器产生的像增强器选通信号控制像增强器的开关，根据像增强器控制器产生的两路像增强器增益调制信号，分别对一路图像数据的增强增益进行恒定调制，对另一路图像数据的增强增益进行线性增大调制；

两路数字相机，用于将像增强器输出的两路成像回波信号生成对应的两路图像数据，并将经过像增强器调制处理后的两路图像数据输出给实时图像处理器；

实时图像处理器，用于同时接收两路增强型数字相机输出的两路图像数据，对两路图像数据进行预处理，根据预处理后的图像数据计算得出目标物体各点的三维信息，并送到数据存储器和图像显示器；

数据存储器，用于保存实时图像处理器输出的目标物体各点的三维信息；

图像显示器，用于根据目标物体各点的三维信息进行显示处理，显示相应的目标物体的三维图像；

测距接收镜头，用于接收目标物体反射后的回波信号生成测距回波信号并输出给测距处理器；

测距处理器，用于接收测距接收镜头输出的测距回波信号，计算测距回波信号与主波信号的时间差，进而得到目标物体中心点到脉冲激光器的距离值；

像增强器控制器，用于根据目标物体中心点到脉冲激光器的距离值产生像增强器选通信号，以及根据需要产生像增强器增益调制信号，并将产生的像增强器选通信号以及像增强器增益调制信号出给两路增强型数字相机。

进一步地，所述实时图像处理器具体包括：

图像采集电路，用于同时接收两路增强型数字相机输出的两路图像数据，对两路图像数据进行中值滤波、阈值分割预处理后送入到实时图像计算处理单元；

实时图像计算处理单元，用于将经过线性增大调制的那路图像数据的各点像素值除以经过恒定调制的那路图像数据的各点像素值，得到的除法运算结果为两路图像数据的强度比；然后将除法运算结果与预定的恒定增益值相乘，得到线性增大增益值；然后根据线性增大增益和时间的关系，得到目标物体各点回波信号相对像增强器选通信号的时间值，进而依据该时间值算出目标物体各点相对像增强器选通信号的距离值；最后，将目标物体各点相对像增强器选通信号的距离值和目标物体中心点到脉冲激光器的距离值相加，得到目标物体各点的实际距离值。

进一步地，所述脉冲激光器的波长为532nm，激光脉冲宽度为8ns，出光抖动<1ns。

进一步地，所述激光扩束器为由电机带动的两片镜片组成，扩束倍数可调。

进一步地，所述成像接收镜头为可调焦镜头。

进一步地，所述成像接收镜头还包括：

第一窄带滤光片，设置于成像接收镜头后面，用于滤除多余的背景光，得到纯净的脉冲激光。

进一步地，所述测距接收镜头还包括：增透膜和第二窄带滤光片，

所述增透膜设置于测距接收镜头前面，用于增加测距回波信号的透过率；

所述第二窄带滤光片设置于测距接收镜头后面，用于滤除多余的光，得到纯净的脉冲激光。

进一步地，所述激光扩束器、测距接收镜头、成像接收镜头的位置调整到使激光发射和接收同轴。

进一步地，所述像增强器的响应波长范围为200nm～900nm，像增强器的最小探测照度为10-5lux，分辨率>50lp/mm。

进一步地，所述数字相机的像素位数为10位，并带有外触发功能。

进一步地，所述数据存储器采用SATA硬盘或者大容量SD卡作为存储介质，其与图像处理器之间的接口为标准FMC接口。

进一步地，所述图像显示器采用液晶显示器或者其它彩色显示器作为显示介质，其与实时图像处理器之间的接口为标准FMC接口。

进一步地，其特征在于，所述图像显示器为基于距离颜色编码的彩色显示。

进一步地，所述测距处理器具体包括：雪崩光电二极管、自动增益调整过的视频放大电路、阈值控制电路、整形电路、计数电路，其中，

雪崩光电二极管，用于探测测距接收镜头发送的回波信号生成测距回波信号；

视频放大电路，用于将探测到的测距回波信号进行放大处理；

阈值控制电路，用于对放大后的测距回波信号滤除噪声；

整形电路，用于让测距回波信号能够触发计数电路；

计数电路，用于计量主波信号和测距回波信号的时间差，进而得到目标物体中心点到脉冲激光器的距离值。

进一步地，所述像增强器控制器具体包括：像增强器选通信号控制器、像增强器增益高速调制器，其中，

像增强器选通信号控制器，用于根据目标物体中心点到脉冲激光器的距离值产生像增强器选通信号并输出给两路增强型数字相机；

像增强器增益高速调制器，用于根据需要产生两路像增强器增益调制信号，分别输出给增强型数字相机中的像增强器，使像增强器所产生的增益最大调制斜率为10000V/μS。

本发明有益效果如下：

相对于现有激光成像技术而言，本发明成像速度快，当目标或测量设备移动时，没有图像失真；由于没有高速扫描器，结构更加紧凑，系统可靠性得到大大提高；该系统使用方便，成像过程和图像质量不受其它外界设备的影响。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例所述系统的结构示意图；

图2为数字相机与像增强器的耦合示意图；

图3为亮度调制无扫描激光三维成像主回波示意图；

图4为实时图像处理器的结构示意图；

图5为测距处理器的结构示意图；

图6为像增强器控制器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。为了清楚和简化目的，当其可能使本发明的主题模糊不清时，将省略本文所描述的器件中已知功能和结构的详细具体说明。

如图1所示，图1为本发明实施例所述系统的结构示意图，具体可以包括：激光电源1、脉冲激光器2、激光扩束器3、成像接收镜头4、双通道分光镜5、两路增强型数字相机6、测距接收镜头10、实时图像处理器7、数据存储器8、图像显示器9、测距处理器11和像增强器控制器12；其中，

激光电源1，主要负责给脉冲激光器2供电。

脉冲激光器2，用于发射脉冲激光，其发出的脉冲激光经激光扩束器照射到目标物体，波长为532nm，激光脉冲宽度为8ns，出光抖动<1ns,；本发明实施例中采用的脉冲激光器为二极管泵浦的固体激光器，体积小、功耗少，使用维护方便。

激光扩束器3，由电机带动的两片镜片组成，扩束倍数可调；激光扩束器3对于脉冲激光器2发出的脉冲激光，根据不同距离和目标大小调节激光的发散角，距离越近，发散角越大，使激光光斑都照射在目标物体上，经目标物体反射后的回波信号分别由测距接收镜头10和成像接收镜头4同时接收；激光扩束器3、测距接收镜头10、成像接收镜头4的位置需要调整到使激光发射和接收同轴。

成像接收镜头4，接收目标物体反射后的回波信号并输出给双通道分光镜5；本发明实施例中，成像接收镜头4可以是可电动变焦的光学镜头，根据目标距离和大小调节焦距，从而保证成像清晰；成像接收镜头4还包括：第一窄带滤光片，设置于成像接收镜头后面，用于滤除多余的光，得到纯净的脉冲激光。

双通道分光镜5，将成像接收镜头4输出的成像回波信号分成两路，同时送入到两路增强型数字相机6中；其中，同时的目的是保证一次照射能得到目标的三维图像；

增强型数字相机6，设置有两路，如图2所示，图2为增强型数字相机的结构示意图，每路增强型数字相机均包括：数字相机和像增强器，数字相机与像增强器通过光锥耦合；如图3所示，图3为亮度调制无扫描激光三维成像主回波示意图，双通道分光镜5发来的两路成像回波信号分别经过两路像增强器放大，进入到两路数字相机生成对应的两路图像数据；像增强器根据像增强器控制器产生的像增强器选通信号控制像增强器的开关，使像增强器根据像增强器控制器产生的两路像增强器增益调制信号，对一路图像数据的增强增益进行恒定调制，对另一路图像数据的增强增益进行线性增大调制；然后，数字相机再将经过像增强器调制处理的两路图像输出给实时图像处理器7；

其中，像增强器的响应波长范围为200nm～900nm，像增强器的最小探测照度为10^-5lux，分辨率>50lp/mm。

实时图像处理器7，同时接收两路增强型数字相机输出的两路图像数据，对两路图像数据进行预处理，根据预处理后的图像数据计算得出目标物体各点的三维信息，并送到数据存储器和图像显示器；

如图4所示，图4为实时图像处理器7的结构示意图，具体可以包括：图像采集电路和实时图像计算处理单元，

图像采集电路，同时接收两路增强型数字相机6输出的图像数据，对两路图像数据进行中值滤波以及阈值分割预处理，去掉图像中的噪声，初步将要处理的目标对象从图像中分离出来，并送入到实时图像计算处理单元；

实时图像计算处理单元，对图像采集电路处理后的两路图像数据进行计算处理，最终得到目标物体各点的实际距离值，其计算过程主要包括如下步骤：

（1）将经过线性增大调制的那路图像数据的各点像素值与经过恒定调制的那路图像数据的各点像素值做除法运算，得到两路图像数据的强度比；由于除法运算比较耗时，而本发明中所要做的除法，除数和被除数都是知道的，可以先把他们各自对应除法后的结果保存起来列成一个表格，这样通过查表就能实现除法运算，还节省时间。

（2）将除法运算结果与预定的恒定增益值相乘，得到线性增大增益值；然后根据已知的线性增大增益和时间的关系，得到目标物体各点回波信号相对像增强器选通信号的时间值，进而依据该时间值算出目标物体各点相对像增强器选通信号的距离值；

（3）将目标物体各点相对像增强器选通信号的距离值和目标物体中心点到脉冲激光器的距离值相加，得到目标物体各点的实际距离值（即目标物体各点的三维信息）。

数据存储器8，主要负责保存实时图像处理器输出的目标物体各点的三维信息；数据存储器可以采用SATA（Serial Advanced Technology Attachment,串行高级技术附件，一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口）硬盘或者大容量SD（Secure Digital Memory Card，安全数码卡）卡作为存储介质，其与实时图像处理器之间的接口为标准FMC（FPGA夹层卡）接口。

图像显示器9，用于根据目标物体各点的三维信息进行显示处理，显示出相应的三维图像；图像显示器采用液晶显示器或者其它彩色显示器作为显示介质，其与实时图像处理器之间的接口为标准FMC接口。

测距接收镜头10，接收目标物体反射后的回波信号生成测距回波信号并输出给测距处理器11；测距接收镜头10还包括：增透膜和第二窄带滤光片，其中，增透膜设置于测距接收镜头前面，用于增加测距回波信号的透过率；第二窄带滤光片设置于测距接收镜头后面，用于滤除多余的光，得到纯净的脉冲激光。

测距处理器11，接收测距接收镜头输出的测距回波信号，计算测距回波信号与主波信号的时间差，将该时间差乘以光速再除以2，得到目标物体中心点到脉冲激光器的距离值；

如图5所示，图5为测距处理器11的结构示意图，具体可以包括：雪崩光电二极管、自动增益调整过的视频放大电路、阈值控制电路、整形电路、计数电路，其中，

雪崩光电二极管，用于探测测距接收镜头发送的回波信号生成测距回波信号；

视频放大电路，用于将探测到的测距回波信号进行放大处理；

阈值控制电路，用于对放大后的测距回波信号滤除噪声；

整形电路，用于让测距回波信号能够触发计数电路；

计数电路，用于计量主波信号和测距回波信号的时间差，进而得到目标物体中心点到脉冲激光器的距离值。

像增强器控制器12，根据测距处理器11计算得到的目标物体中心点到脉冲激光器的距离值产生像增强器选通信号，以及根据需要产生像增强器增益调制信号，并将产生的像增强器选通信号以及像增强器增益调制信号输出给每一路增强型数字相机。

如图6所示，图6为像增强器控制器的结构示意图，具体可以包括：像增强器选通信号控制器、像增强器增益高速调制器，其中，

像增强器选通信号控制器，用于根据目标物体中心点到脉冲激光器的距离值产生像增强器选通信号并输出给两路增强型数字相机；

像增强器增益高速调制器，用于根据需要产生两路像增强器增益调制信号，并分别输出给增强型数字相机中的像增强器，像增强器所产生的增益最大调制斜率为10000V/μS，

综上所述，本发明实施例提供了一种亮度调制无扫描激光三维成像系统，与现有技术相比，有以下优势：

1）成像距离大大提高，而且体积较小；

2）成像效率高、速度快、使用条件简单方便；

3）可以用于运动目标的测量，不会造成图像失真；

4）每秒钟能得到25帧的三维图像，能够用在对实时性要求高的场合；

5）采用了选通信号，可以减小噪声干扰，提高信噪比；

6）在数字图像处理与图像显示、图像存储等部分通过FMC接口连接，升级换代非常方便。

鉴于亮度调制无扫描激光三维成像技术的这些特点，该技术可以在地形地貌测绘、激光精确制导、车辆导航蔽障、月球车降落引导等方面发挥重要作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种亮度调制无扫描激光三维成像系统，其特征在于，包括：激光电源、脉冲激光器、激光扩束器、成像接收镜头、双通道分光镜、两路增强型数字相机、测距接收镜头、实时图像处理器、数据存储器、图像显示器、测距处理器和像增强器控制器，其中，

激光电源，用于给脉冲激光器供电；

脉冲激光器，用于发射脉冲激光；

激光扩束器，用于对脉冲激光器发出的脉冲激光，根据不同距离和目标大小调节脉冲激光的发散角，使脉冲激光的光斑都照射在目标物体上，经目标物体反射后的回波信号分别由测距接收镜头和成像接收镜头同时接收；

成像接收镜头，用于接收目标物体反射后的回波信号生成成像回波信号并发送给双通道分光镜；

双通道分光镜，用于将成像接收镜头输出的成像回波信号分成两路，同时进入到两路增强型数字相机；

增强型数字相机，设置有两路，每路均包含有数字相机和像增强器，其中，像增强器和数字相机通过光锥耦合，

两路像增强器，用于接收双通道分光镜发来的成像回波信号并进行放大后进入到数字相机；并且还根据像增强器控制器产生的像增强器选通信号控制像增强器的开关，根据像增强器控制器产生的两路像增强器增益调制信号，分别对一路图像数据的增强增益进行恒定调制，对另一路图像数据的增强增益进行线性增大调制；

两路数字相机，用于将像增强器输出的两路成像回波信号生成对应的两路图像数据，以及将经过像增强器调制处理后的两路图像数据输出给实时图像处理器；

实时图像处理器，用于同时接收两路增强型数字相机输出的两路图像数据，对两路图像数据进行预处理，根据预处理后的图像数据计算得出目标物体各点的三维信息，并送到数据存储器和图像显示器；

数据存储器，用于保存实时图像处理器输出的目标物体各点的三维信息；

图像显示器，用于根据目标物体各点的三维信息进行显示处理，显示相应的目标物体的三维图像；

测距接收镜头，用于接收目标物体反射后的回波信号生成测距回波信号并输出给测距处理器；

测距处理器，用于接收测距接收镜头输出的测距回波信号，计算测距回波信号与主波信号的时间差，进而得到目标物体中心点到脉冲激光器的距离值；

像增强器控制器，用于根据目标物体中心点到脉冲激光器的距离值产生像增强器选通信号，以及根据需要产生像增强器增益调制信号，并将产生的像增强器选通信号以及像增强器增益调制信号出给两路增强型数字相机。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实时图像处理器具体包括：

图像采集电路，用于同时接收两路增强型数字相机输出的两路图像数据，对两路图像数据进行中值滤波、阈值分割预处理后送入到实时图像计算处理单元；

实时图像计算处理单元，用于将经过线性增大调制的那路图像数据的各点像素值除以经过恒定调制的那路图像数据的各点像素值，得到的除法运算结果为两路图像数据的强度比；然后将除法运算结果与预定的恒定增益值相乘，得到线性增大增益值；然后根据线性增大增益和时间的关系，得到目标物体各点回波信号相对像增强器选通信号的时间值，进而依据该时间值算出目标物体各点相对像增强器选通信号的距离值；最后，将目标物体各点相对像增强器选通信号的距离值和目标物体中心点到脉冲激光器的距离值相加，得到目标物体各点的实际距离值，即目标物体各点的三维信息，并发送给数据存储器和图像显示器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲激光器的波长为532nm，激光脉冲宽度为8ns，出光抖动<1ns。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光扩束器为由电机带动的两片镜片组成，扩束倍数可调。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述成像接收镜头为可调焦镜头。

6.根据权利要求1或5所述的系统，其特征在于，所述成像接收镜头还包括：

第一窄带滤光片，设置于成像接收镜头后面，用于滤除多余的背景光，得到纯净的脉冲激光。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测距接收镜头还包括：增透膜和第二窄带滤光片，

所述增透膜设置于测距接收镜头前面，用于增加测距回波信号的透过率；

所述第二窄带滤光片设置于测距接收镜头后面，用于滤除多余的光，得到纯净的脉冲激光。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光扩束器、测距接收镜头、成像接收镜头的位置调整到使激光发射和接收同轴。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述像增强器的响应波长范围为200nm～900nm，像增强器的最小探测照度为10-5lux，分辨率>50lp/mm。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字相机的像素位数为10位，并带有外触发功能。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据存储器采用SATA硬盘或者大容量SD卡作为存储介质，其与图像处理器之间的接口为标准FMC接口。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像显示器采用液晶显示器或者其它彩色显示器作为显示介质，其与实时图像处理器之间的接口为标准FMC接口。

13.根据权利要求1或12所述的系统，其特征在于，所述图像显示器为基于距离颜色编码的彩色显示。

14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测距处理器具体包括：雪崩光电二极管、自动增益调整过的视频放大电路、阈值控制电路、整形电路、计数电路，其中，

雪崩光电二极管，用于探测测距接收镜头发送的回波信号生成测距回波信号；

视频放大电路，用于将探测到的测距回波信号进行放大处理；

阈值控制电路，用于对放大后的测距回波信号滤除噪声；

整形电路，用于让测距回波信号能够触发计数电路；

计数电路，用于计量主波信号和测距回波信号的时间差，进而得到目标物体中心点到脉冲激光器的距离值。

15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述像增强器控制器具体包括：像增强器选通信号控制器、像增强器增益高速调制器，其中，

像增强器选通信号控制器，用于根据目标物体中心点到脉冲激光器的距离值产生像增强器选通信号并输出给两路增强型数字相机；

像增强器增益高速调制器，用于根据需要产生两路像增强器增益调制信号，分别输出给增强型数字相机中的像增强器，使像增强器所产生的增益最大调制斜率为10000V/μS。

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