CN104122561A - 一种非扫描型3d激光成像雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非扫描型3D激光成像雷达。包括锁模激光器、分束片、PIN光电管、激光扩束镜、多通道并行计时仪、望远镜、MCP像增强器、光纤阵列、雪崩光电二极管阵列、数据采集模块和计算机；光纤阵列与雪崩光电二极管阵列信号输入端的连接方式由d-分离矩阵A确定。本发明能够实现高点云采集速率、高分辨率三维成像。

Description

一种非扫描型3D激光成像雷达

技术领域

本发明属于光学三维成像技术领域，具体涉及一种非扫描型3D激光成像雷达。 

背景技术

非扫描型激光成像雷达是近年来出现的新型雷达，因为没有机械扫描装置，具有高帧频率、宽视场、高可靠性的特点，在目标匹配、制导、水下反潜与扫雷、地质勘探等领域有着广泛的应用前景。 

由于非扫描型激光雷达的反射回波往往是离散光子脉冲，所以需要光子级别甚至单光子级别的光电探测装置，而现有的光子级和单光子级别的光电探测装置存在规模小、价格高昂等问题。目前已见报道的非扫描型3D激光成像雷达的解决方案有三种：(1)基于微通道板的楔形阳极光子计数成像系统；(2)基于APD阵列的光子计数成像系统；(3)基于微透镜阵列的3D相机。其中，基于微通道板的楔形阳极光子计数成像系统成像分辨率高，但受限于楔形阳极的编解码方法，其成像帧频低；基于APD阵列的光子计数成像系统具有灵敏度高、点云采集速率快的特点，但目前最大规模的APD阵列仅为32×32，分辨率低，限制了其实际应用的范围；基于微透镜阵列的3D相机具有较高的点云采集速率，但微透镜阵列导致信号串扰严重、成像分辨率低。因此，以上三种方法都无法满足目标匹配、制导、水下反潜与扫雷、地质勘探等实际应用的需求。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现高点云采集速率、高分辨率的非扫描型3D激光成像雷达。 

为了解决上述技术问题，本发明提供一种非扫描型3D激光成像雷达，包括锁模激光器、分束片、PIN光电管、激光扩束镜、多通道并行计时仪、望远镜、MCP像增强器、光纤阵列、雪崩光电二极管阵列、数据采集模块和计算机；其中， 

分束片设置在锁模激光器输出端的中心轴线上； 

PIN光电管设置在分束片分出的一路光束的光轴上，PIN光电管的输出端与多通道并行计时仪的开始端相连； 

激光扩束镜设置在分束片分出的另一路光束的光轴上，且激光扩束镜与锁模激光器 输出端的距离为激光扩束镜输入负透镜的一倍焦距； 

望远镜的光轴与激光扩束镜的光轴相交； 

MCP像增强器和光纤阵列依次设置在望远镜的光轴上，MCP像增强器的荧光屏几何中心与光纤阵列的几何中心重合； 

光纤阵列的尾纤与雪崩光电二极管阵列的信号输入端相连； 

雪崩光电二极管阵列的信号输出端分别与多通道并行计时仪的停止端以及数据采集模块的数字输入端相连接； 

多通道并行计时仪的输出端与数据采集模块的数字输入端相连接； 

数据采集模块的输出端与计算机连接； 

光纤阵列由a×b个1×L光纤分束器构成，每个1×L光纤分束器的尾纤数量为L，a×b个1×L光纤分束器的输入端耦合成a×b面阵，a×b面阵与MCP像增强器荧光屏近贴耦合；雪崩光电二极管阵列由N个雪崩光电二极管组成，且a×b大于N。 

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明基于群试理论，设计出独特的光纤阵列和雪崩光电二极管连接方式，从而大量减少了雪崩光电二极管的数量，简化了3D激光成像雷达的结构，降低了成本；(2)本发明使用易于工艺实现的高像素光纤阵列代替大小受工艺制约的低像素APD阵列，提高了成像分辨率；(3)本发明采集的数据只有“0”和“1”两种状态，使系统具有良好的鲁棒性。 

附图说明

图1是本发明非扫描型3D激光成像雷达结构示意图。 

图2是本发明中光纤阵列和雪崩光电二极管阵列连接示意图。 

图3是是本发明中3×3的光纤阵列和雪崩光电二极管阵列连接示意图 

图4是本发明仿真实验中的待测目标的图像。 

图5是本发明仿真实验中利用本发明对图4所示的待测目标进行不同时间测量获得的图像。 

具体实施方式

一、本发明的组成和结构： 

如图1所示，本发明非扫描型3D激光成像雷达，包括锁模激光器1、分束片2、PIN光电管3、激光扩束镜4、多通道并行计时仪5、望远镜7、MCP像增强器8、光纤阵列 9、雪崩光电二极管阵列10、数据采集模块11和计算机12；其中， 

分束片2设置在锁模激光器1输出端的中心轴线上； 

PIN光电管3设置在分束片2分出的一路光束的光轴上，PIN光电管3的输出端与多通道并行计时仪5的开始端相连； 

激光扩束镜4设置在分束片2分出的另一路光束的光轴上，且激光扩束镜4与锁模激光器1输出端的距离为激光扩束镜4输入负透镜的一倍焦距； 

望远镜7的光轴与激光扩束镜4的光轴相交； 

MCP像增强器8和光纤阵列9依次设置在望远镜7的光轴上，MCP像增强器8的荧光屏几何中心与光纤阵列9的几何中心重合； 

光纤阵列9的尾纤与雪崩光电二极管阵列10的信号输入端相连； 

雪崩光电二极管阵列10的信号输出端分别与多通道并行计时仪5的停止端以及数据采集模块11的数字输入端相连接； 

多通道并行计时仪5的输出端与数据采集模块11的数字输入端相连接； 

数据采集模块11的输出端与计算机12连接； 

光纤阵列9由a×b个1×L光纤分束器构成，每个1×L光纤分束器的尾纤数量为L，a×b个1×L光纤分束器的输入端耦合成a×b面阵，a×b面阵与MCP像增强器8荧光屏近贴耦合；雪崩光电二极管阵列10由N个雪崩光电二极管组成，且a×b远大于N。 

二、光纤阵列9的尾纤与雪崩光电二极管阵列10的信号输入端的连接方式 

如图2，每个1×L光纤分束器的L个尾纤按群试采样原理设计、捆扎，连接到相应雪崩光电二极管阵列10的输入端，具体是：存在矩阵A，以每个1×L光纤分束器作为矩阵A的列元素，每个雪崩光电二极管作为矩阵A的行元素，按照矩阵A中元素A_i,j的取值决定光纤阵列9中的光纤分束器与雪崩光电二极管阵列10相应输入端是否进行连接，当A_i,j＝1时，将第j个1×L光纤分束器与第i个雪崩光电二极管相连；当A_i,j＝0时，则第j个1×L光纤分束器与第i个雪崩光电二极管不连接。 

所述矩阵A是d-分离矩阵。d-分离矩阵是满足矩阵中任意d+1列不能被其余d列所覆盖的矩阵。本发明采取基于中国剩余定理的Eppstein算法设计光纤阵列9中的光纤分束器与雪崩光电二极管阵列10相应输入端的连接方式，即设计d-分离矩阵A。具体设计方式为： 

首先，在素数(或其幂次方)域集合中，为第u个素数(或其 幂次方)，寻找s个素数(幂次方)，使其满足然后s个素数中的每一个素数(或其幂次方)构建一个大小为的矩阵A_s，由s个矩阵A_s组成d-分离矩阵A＝[A₁,A₂,...,A_s]^T。 

以下以3×3光纤阵列举例说明： 

如图3，光纤阵列9的大小为3×3，则n＝9，通过组合搜索，选择{5,2}构造1-分离矩阵A,则矩阵A的大小为7×9。 

$A=\left[\begin{array}{ccccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0& 1& 0& 1& 0& 1\\ 0& 1& 0& 1& 0& 1& 0& 1& 0\end{array}\right]$

此时，L＝2，即每个光纤分束器尾纤数目为2，每个尾纤连接到不同雪崩光电二极管。，上述矩阵A中第1列、第8列分别对应矩阵中的第1，第6和第3，第7行的值为1，即对应图3中，第1、第8个光纤分束器2个尾纤分别连接到第1，第6以及第3，第7个雪崩光电二极管。 

当阵列规模n不同以及设计的d值不同时，满足约束条件的排列组合有很多，选择不同的排列组合，导致矩阵A不同，则雪崩光电二极管数量不同，光纤分束器尾纤数L也不同。 

三、本发明的工作原理和过程： 

本发明非扫描型3D激光成像雷达工作时，待测目标6放置于望远镜7的光轴与激光扩束镜4的光轴的交汇点上； 

计算机12控制锁模激光器1发射单位脉冲，单位脉冲经分束片2分束成两路光束； 

其中一路光束由PIN光电管3接收后将光信号转换成电信号，并输出至多通道并行计时仪5的开始端，触发多通道并行计时仪5开始记录单位脉冲中光子的飞行时间； 

另一路光束经激光扩束镜4扩束后照射到待测目标6(m,n,h)上，m，n表示目标空间位置，h表示目标景深；经目标6(m,n,h)反射、大气吸收等因素后，望远镜7接收到待测目标6反射的激光回波往往是微弱光子信号，实现光信号量子表达 f(i,j,D)＝f*(m,n,h)，{f(i,j,D),i＝1,...,a,j＝1,...,b}，由MCP像增强器8对激光回波进行信号倍增，增强后的激光回波信号经光纤阵列9传输至雪崩光电二极管阵列10； 

雪崩光电二极管阵列10将光信号转换为相应的电信号，雪崩光电二极管阵列10可以将光信号转换为二进制的电信号，然后将电信号输出至数据采集模块11。因为雪崩光电二极管数量远小于光纤分束器数量，光纤阵列—雪崩光电二极管阵列系统等价于一个欠采样编码装置矩阵A，则r[n]＝Af(i,j)，其中i＝1,...,a,j＝1,...,b,n＝1,...,N,N＝a×b 

数据采集模块11接收到电信号后将电信号进行数据存储；同时，雪崩光电二极管阵列10将光信号转换为相应的电信号后将电信号输出至多通道并行计时仪5的停止端，触发多通道并行计时仪5停止记录单位脉冲中光子的飞行时间； 

多通道并行计时仪5根据记录单位脉冲中光子飞行的开始时间和停止时间获得单位脉冲中光子的飞行时间，然后将飞行时间数据输出至数据采集模块11进行数据存储；多通道并行计时仪5输出的时间是N维电信号形式。 

数据采集模块11将雪崩光电二极管阵列10输出的电信号数据和光子飞行时间数据上传到计算机12，计算机12对采集到的数据按照如下步骤进行处理，得到目标三维图像。过程为： 

步骤一：计算机根据雪崩光电二极管阵列10输出的N维电信号{r[n]:n＝1,...,N}，采用群试欠采样解码，计算出光纤阵列9的点燃像素分布{(i,j)^p:p＝1,...,P}，其中，N是雪崩光电二极管的数量，P计算得到的点燃像素数量。所述群试欠采样解码为  $x_e=\left\{\begin{array}{cc}1& r\∪a_e=r\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.,$ x_e表示每个光纤像元，a_e表示矩阵A的列向量。 

步骤二：根据通道数量与雪崩二极管数量相同的多通道并行计时仪5输出的N维光子飞行时间信号{t[n]:n＝1,...,N}，计算出步骤一中计算得到的光纤阵列9的点燃像素点景深(即相应的光子飞行距离)，计算方式为c是光速。 

步骤三：假设，根据精度要求，锁模激光器1共发射了K次单位激光脉冲，计算机12根据K个光纤阵列点燃像素分布{(i,j)^p(k):p＝1,...,P,k＝1,...K}和相应的光子飞行距离(即点燃像素点的景深) $D\left(k\right)=\frac{c\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}t\left[n\right]\left(k\right)}{2N}(k=1,...,K),$ 通过(i(k),j(k),D(k))＝f^-1(f(i,j,D)(k))拟合，恢复出待测目标三维信息。 

本发明的有益效果可以通过以下仿真实验进一步说明： 

1、搭建本发明所述非扫描型3D激光成像雷达，其中， 

锁模激光器1采用780nm飞秒光纤激光器，脉宽100fs，重复频率80MHz，功率50mW； 

分束片2采用Nd:YAG分光平片，波长为780nm，分光比为40:60，设计偏振为S偏振。 

PIN光电管3采用带有前置放大器的大面积光电二极管，输出特性阻抗为50欧姆。 

激光扩束镜4采用伽利略式固定型激光扩束镜，由输入负透镜和输出正透镜组成，扩大倍数为3倍，最大入光直径为3.8mm。 

多通道并行计时仪5采用8通道并行计时仪。 

望远镜7采用透镜口径为65mm的折射式望远镜(爱卡特(ACUTER)公司、型号:ST16-48X65)。 

MCP像增强器8采用NVT的25mm的超二代像增强器，分别率为1p/mm，有效输入直径24.5mm。 

光纤阵列9采用128×200的1×18的光纤分路器阵列。 

雪崩光电二极管阵列10采用446个分立的光电雪崩二极管。 

数据采集模块11采用NI数据采集模块，包含嵌入式控制器、TTL同步输输出端口以及数字信号采集输入端口。 

2、用上述搭建的硬件做实验 

本发明的仿真实验结果是由计算机对128×200的包含四种不同距离(以灰度值表示)的字母采用蒙特卡洛仿真所得，仿真主要参数为：构造基于中国剩余定理的Eppstein算法设计的446×25600的5-分离矩阵，光电雪崩二极管数量仅为总像素数的1.74％，L＝18，光纤阵列填充因子为80％，雪崩光电二极管量子效率80％，采样单位时间内随机到达光纤阵列的光子数由rand函数产生，数量不超过20，采样单位时间1ms。仿真所 用原始图片如图4所示。图5中(a),(b)，(c)，(d)分别代表采样时间是2.56s，12.8s，25.6s和128s所成图像。从图5中(a),(b)，(c)，(d)可以看出，该种非扫描型3D激光成像雷达及方法可以利用少量探测器实现高点云采集速率、高像素激光雷达3D成像，突破了APD阵列的限制，同时，采样时间越长，图像质量越好。 

Claims (3)

1.一种非扫描型3D激光成像雷达，其特征在于，包括锁模激光器(1)、分束片(2)、PIN光电管(3)、激光扩束镜(4)、多通道并行计时仪(5)、望远镜(7)、MCP像增强器(8)、光纤阵列(9)、雪崩光电二极管阵列(10)、数据采集模块(11)和计算机(12)；其中，

分束片(2)设置在锁模激光器(1)输出端的中心轴线上；

PIN光电管(3)设置在分束片(2)分出的一路光束的光轴上，PIN光电管(3)的输出端与多通道并行计时仪(5)的开始端相连；

激光扩束镜(4)设置在分束片(2)分出的另一路光束的光轴上，且激光扩束镜(4)与锁模激光器(1)输出端的距离为激光扩束镜(4)输入负透镜的一倍焦距；

望远镜(7)的光轴与激光扩束镜(4)的光轴相交；

MCP像增强器(8)和光纤阵列(9)依次设置在望远镜(7)的光轴上，MCP像增强器(8)的荧光屏几何中心与光纤阵列(9)的几何中心重合；

光纤阵列(9)的尾纤与雪崩光电二极管阵列(10)的信号输入端相连；

雪崩光电二极管阵列(10)的信号输出端分别与多通道并行计时仪(5)的停止端以及数据采集模块(11)的数字输入端相连接；

多通道并行计时仪(5)的输出端与数据采集模块(11)的数字输入端相连接；

数据采集模块(11)的输出端与计算机(12)连接；

光纤阵列(9)由a×b个1×L光纤分束器构成，每个1×L光纤分束器的尾纤数量为L，a×b个1×L光纤分束器的输入端耦合成a×b面阵，a×b面阵与MCP像增强器(8)荧光屏近贴耦合；雪崩光电二极管阵列(10)由N个雪崩光电二极管组成，且a×b大于N。

2.如权利要求1所述非扫描型3D激光成像雷达，其特征在于，确定光纤阵列(9)的尾纤与雪崩光电二极管阵列(10)的信号输入端的连接方式的方法为：

假设：存在d-分离矩阵A，以每个1×L光纤分束器作为矩阵A的列元素，每个雪崩光电二极管作为矩阵A的行元素，按照矩阵A中元素A_i,j的取值决定光纤阵列(9)中的光纤分束器与雪崩光电二极管阵列(10)相应输入端是否进行连接，当A_i,j＝1时，将第j个1×L光纤分束器与第i个雪崩光电二极管相连；当A_i,j＝0时，则第j个1×L光纤分束器与第i个雪崩光电二极管不连接；d-分离矩阵A的设计方式为：

首先，在素数或其幂次方域集合中寻找s个素数或其幂次方，使其满足其中为第u个素数或其幂次方；

然后，用s个素数中的每一个素数或其幂次方构建一个大小为的矩阵A_s，由s个矩阵A_s组成d-分离矩阵A＝[A₁,A₂,...,A_s]^T。

3.如权利要求1所述非扫描型3D激光成像雷达，其特征在于，计算机(12)根据采集到的数据计算获得目标三维图像的方法为：

步骤一：根据雪崩光电二极管阵列(10)输出的N维电信号{r[n]:n＝1,...,N}，采用群试欠采样解码，计算出光纤阵列(9)的点燃像素分布{(i,j)^p:p＝1,...,P}，其中，P计算得到的点燃像素数量；

步骤二：根据多通道并行计时仪(5)输出的N维光子飞行时间信号{t[n]:n＝1,...,N}，计算出步骤一中计算得到的光纤阵列(9)的点燃像素点景深，计算方式为c是光速；

步骤三：假设锁模激光器(1)共发射了K次单位激光脉冲，计算机(12)根据K个光纤阵列点燃像素分布{(i,j)^p(k):p＝1,...,P,k＝1,...K}和相应的K个光子飞行距离通过(i(k),j(k),D(k))＝f^-1(f(i,j,D)(k))拟合，恢复出待测目标三维信息。