CN103697825B - 一种超分辨3d激光测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超分辨3D激光测量系统及方法。测量系统包括空间相位调制相机、用于发射激光的激光器以及用于获得被测目标平面二维坐标的经纬仪；空间相位调制相机包括面阵探测器、分光镜、单物镜、第一接收器、第二接收器；激光器向被测目标发射激光，由空间相位调制相机通过第一接收器、第二接收器分别接收由被测目标反射出的光线，再经过分光镜折射通过单物镜将光线传送到面阵探测器。本发明提供了一种分辨率高、测量速度高、成本低的超分辨3D激光测量系统及方法。

Description

一种超分辨3D激光测量系统及方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种三维成像系统，尤其涉及一种能够实现超分辨的3D激光测量系统及方法。

背景技术

三维成像技术是人们突破传统的平面图像为代表的两维影像，获取包含深度信息的空间三维图像的一项关键技术，近些年成为世界各国的研究热点，得到了快速发展和突破，在国民生活中得到了广泛的应用。在技术途径上，三维成像技术通常包含基于双目立体视觉、激光雷达扫描成像两种方式。激光雷达是利用激光的飞行时间判断物体至扫描点的距离，通过扫描获取场景的三维信息；双目立体视觉是采用三角法的基本原理，通过构线方程判定目标点至参考的距离。

双目立体视觉在技术途径上包含立体摄影和利用激光结构光照明成像探测两种方式。

激光结构光照明成像探测是近些年发展的一种激光主动成像探测技术，其特点是成本低，效率高，可快速获取场景的三维信息。

在利用结构光照明的激光三维探测系统，通常采用激光发射出的线状光束照射目标，为了提高效率，近些年也提出了一些利用激光散斑、莫尔条纹或正弦光栅的结构光，无需扫描，可对区域内的目标同时进行成像和运算，获取场景目标的三维信息，此类技术也被称为空间相位调制技术，其调制本身是产生特定的空间图案。

以上激光三维测量原理和方法的测量精度与探测器像素的尺寸相关联，其平面精度等于探测器像素尺寸针对镜头在物方的投影，

式中，ΔX,ΔY表示平面精度，d表示像素大小，f表示镜头焦距长度，L表示测量设备至物体的距离。

距离精度 $\mathrm{\ΔZ}=\frac{L^2}{f\×D}\×d$

式中D为测量设备的中心距。

由此可见，其三维测量结果无法超越像素级，达到亚像元的分辨率。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种超分辨3D激光测量系统及方法，可以有效的提高的激光三维测量的精度。

本发明的技术解决方案是：一种超分辨3D激光测量系统，其特殊之处在于：包括空间相位调制相机、用于发射激光的激光器以及用于获得被测目标平面二维坐标的经纬仪；

上述空间相位调制相机包括面阵探测器、分光镜、单物镜、第一接收器、第二接收器；

上述激光器向被测目标发射激光，由空间相位调制相机通过第一接收器、第二接收器分别接收由被测目标反射出的光线，再经过分光镜折射通过单物镜将光线传送到面阵探测器；

上述第二接收器像面位置上设置有正弦或余弦周期性的相位调制片；

上述激光器为一字线激光器。

基于权利要求1所述的超分辨3D激光测量系统的超分辨3D激光测量方法，其特殊之处在于：

包括以下步骤：

1】激光器发射激光并采用线阵扫描的方法对被测物体进行照明；设定物点的光亮度为L；

2】空间相位调制相机的面阵探测器通过单物镜接收被测物体反射出的光线所成的像，获得被测物体的像素空间坐标(N,M)及第一接收器、第二接收器所接收到的被测物体的光强度信息；

3】空间相位调制相机对被测物体的光强度信息进行比较，通过公式(1)～(3)，得到相位调制度sin(ωy)；

E_M(X,Y,Z)=π×L(X,Y,Z)×sin(ωy)×d²/4f² （1）

E_T(X,Y,Z)=π×L(X,Y,Z)×d²/4f² （2）

y=arcsin(E_M/E_T)/ω (3）

4】获得被测物体三维坐标信息；

4.1]通过相位调制度获取亚像元级的空间分辨率；

4.2]通过构线方程及被测物体的像点空间坐标(N,M)可获得目标点的距离(Z),平面坐标(Y)；

4.3]通过经纬仪获取物点平面坐标(X)；

5】通过控制经纬仪旋转扫描三维空间，可获得设备周围三维空间的三维坐标信息。

本发明的有益效果是：

1.分辨率高，可获得亚像元级的三维测量精度，在1m内可获取亚毫米级的测量精度。

2.测量速度高，通过二维线扫10s内可快速获取360°空间百万目标点的三维坐标。

3.成本低，项目所采用的器件包括一字线激光器和百万像素成像器件均为技术成熟、低成本工业器件，便于市场化和产品化。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明空间相位调制相机结构图；

图3a是本发明左调制片的透过率函数图；

图3b是本发明右调制片的透过率函数图；

其中，1-第一接收器、2-第二接收器、3-分光镜、4-面阵探测器、5-单物镜。

具体实施方式

参见图1-3，一种超分辨3D激光测量系统，包括空间相位调制相机、用于发射激光的激光器以及用于获得被测目标平面二维坐标的经纬仪；空间相位调制相机包括面阵探测器4、分光镜3、单物镜5、第一接收器1、第二接收器2；激光器向被测目标发射激光，由空间相位调制相机通过第一接收器1、第二接收器2分别接收由被测目标反射出的光线，再经过分光镜3折射通过单物镜5将光线传送到面阵探测器4；第二接收器2像面位置上设置有正弦或余弦周期性的相位调制片。激光器为一字线激光器。

本发明的具体实施方式是：

1.采用结构光并进行空间扫描的方法实现三维成像和测量

结构光主要是指采用固定光束结构的发射光束，经目标反射后形成回波，不同距离的目标反射回波的空间位置和形状有所不同，进而获得距离信息。经过线状条纹图像并结合空间一维扫描，可获得空间的三维信息。

2.采用空间调制的相位板实现超分辨

单个探测器只能获得像元整数倍的坐标信息，无法实现亚像元定位，为了实现超分辨，采用了映射的相位探测器，根据影射的探测器所输出的信号和原探测器的信号比值，获得目标点的亚像元相位值，从而实现亚像元定位。

3.通过分光合成的方法实现单一探测器的映射

两个不同的探测器具有不同的光电响应差异，无法通过相位板获取准确的强度信息，因而，采用分光合成的方法，将双目接收的目标信息成像在同一探测器，因此，两路成像系统具有相同的响应度，曝光时间，增益调节，消除附加条件对测量的影响，保证系统测量精度。

超分辨3D激光测量系统（图1），采用一字线激光器作为光源，对场景三维空间进行照明，照明后的线状目标经空间相位调制相机接收后，可获得线状目标各点的距离信息（Z），同时通过经纬仪可获得线状目标各点的方位和俯仰，根据距离信息可获得目标的平面二维坐标（X,Y）。

为了能够获得超分辨率的三维测量精度，本专利使用了空间相位调制片，并通过棱镜分光、单物镜成像、单一面阵探测器等技术措施能够实现超过像素级的超分辨率测量，图2给出了空间相位调制相机的结构图，其中调制片具有图3(a)的透过率曲线，和非调制光路图3(b)进行比较，可以获得光电的空间相位，进而可以获得更高的空间位置精度。

单个的激光发射装置和接收窗可通过构线方程求解目标的三维坐标，为了能够提高系统的分辨率和精度，成像系统增加了一个备份的接收窗，在接收窗的像面位置前方增加振幅型余弦调制片。

目标点经空间调制相机成像后，可直接获得成像点像素级的空间坐标(N,M),其中N为成像点的行坐标，M为成像点的列坐标。单独的N,M依据接收器的像素尺，无法获得亚像素级的空间坐标，为此，采用了相位调制的方法。

激光照明物体后，同一目标点所发出的光经同时有两个窗口接收，设定物点的光亮度为L(x,y,z)，经过调制窗口后的光照度E_M(X,Y,Z)为

E_M(X,Y,Z)=π×L(X,Y,Z)×sin(ωy)×d²/4f² （1）

经过非调制窗口的光照度E_T(X,Y,Z)为

E_T(X,Y,Z)=π×L(X,Y,Z)×d²/4f² （2）

由于两者通过同一透镜系统，具有相同的相对孔径d/f,通过率相同，因此将非调制和调制进行比较，可获得成像点的相位y,

y=arcsin(E_M/E_T)/ω （3）

在探测器的接收方，通过高灵敏度、大动态的处理电路，对（3）式的结果进行量化，选取10倍的量化分辨率，即可将像素(N,M)光点的空间坐标精度提高10倍。

超分辨率激光三维测量系统的工作过程如下：

1）一字线的激光投射至前方空间，目标呈现线状照明;

2）目标反射光经空间相位调制相机接收，获得目标点的像素空间坐标(N,M)，及相位调制度sin(ωy);

3）根据相位调制度获取亚像元级的空间分辨率，根据构线方程解算物点的距离(Z),平面坐标(Y),并根据经纬仪的角姿态获取物点平面坐标(X).

4）控制经纬仪旋转扫描三维空间，可获得设备周围三维空间的三维坐标信息。

Claims (4)

1.一种超分辨3D激光测量系统，其特征在于：包括空间相位调制相机、用于发射激光的激光器以及用于获得被测目标平面二维坐标的经纬仪；

所述空间相位调制相机包括面阵探测器、分光镜、单物镜、第一接收器、第二接收器；

所述激光器向被测目标发射激光，由空间相位调制相机通过第一接收器、第二接收器分别接收由被测目标反射出的光线，再经过分光镜折射通过单物镜将光线传送到面阵探测器。

2.根据权利要求1所述的一种超分辨3D激光测量系统，其特征在于：所述第二接收器像面位置上设置有正弦或余弦周期性的相位调制片。

3.根据权利要求1或2所述的一种超分辨3D激光测量系统，其特征在于：所述激光器为一字线激光器。

4.基于权利要求1所述的超分辨3D激光测量系统的超分辨3D激光测量方法，其特征在于：

包括以下步骤：

1】激光器发射激光并采用线阵扫描的方法对被测物体进行照明；设定物点的光亮度为L；

2】空间相位调制相机的面阵探测器通过单物镜接收被测物体反射出的光线所成的像，获得被测物体的像素空间坐标(N,M)及第一接收器、第二接收器所接收到的被测物体的光强度信息；

3】空间相位调制相机对被测物体的光强度信息进行比较，通过公式(1)～(3)，得到相位调制度sin(ωy)；

E_M(x，y，z)-π×L(x，y，z)×sin(ωy)×d²/4f² (1)

E_T(x，y，z)＝π×L(x，y，z)×d²/4f² (2)

y＝arcsin(E_M/E_T)/ω (3)

其中，

E_M(X,Y,Z)表示经过调制窗口后的光照度；

E_T(X,Y,Z)表示经过非调制窗口的光照度；

L(X,Y,Z)表示物点的发光亮度；

d/f表示相对孔径；

4】获得被测物体三维坐标信息；

4.1]通过相位调制度获取亚像元级的空间分辨率；

4.2]通过构线方程及被测物体的像点空间坐标(N,M)可获得目标点的距离(Z),平面坐标(Y)；

4.3]通过经纬仪获取物点平面坐标(X)；

5】通过控制经纬仪旋转扫描三维空间，可获得设备周围三维空间的三维坐标信息。