CN104535983A - 一种基于led光源的3d成像光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于LED光源的3D成像光雷达系统，用于降低现有3D成像光雷达系统成本。该成像光雷达系统包括大功率高速LED光发射组件、高速旋转调制盘、单色CCD传感器、三单元光学成像镜头、转换成像镜头、滤光片及数据处理模块，大功率高速LED光发射组件按方波驱动，对成像视场内的目标区进行泛光照明，经目标反射的回波光束经滤光片后到达三单元光学成像镜头，经过三单元光学成像镜头成像到高速旋转调制盘上，经过调制光波经转换成像镜头后成像到单色CCD传感器上，单色CCD传感器输出端连接数据处理模块。本发明通过合理的3D成像机制，采用成本低廉的大功率高速LED和CCD传感器，使整个成像雷达的成本大幅度降低，并能对运动目标成像。

Description

一种基于LED光源的3D成像光雷达系统

技术领域

本发明涉及到成像光雷达技术，主要涉及到利用2D传感器实现3D成像的光雷达技术，具体为一种基于LED光源的3D成像光雷达系统。

背景技术

光学成像雷达(Lidar)基本上都采用激光作为发射光源，这是与激光的特性分不开的。激光成像雷达能够获取目标的3D图像，具有重要的应用价值。国内外利用各种扫描机制已研制出多种不同用途的激光成像雷达。近年来的研究热点是无扫描成像，主要又朝着两个方向发展，一个方向是研制3D传感器，另一个方向是采用2D传感器实现3D成像。前者最具代表性的是林肯实验室研制的FLASH雷达，其重点即是研制具有三维成像功能的FLASH器件，该器件是一个二维像素阵列器件，每个像素具有了独立测距功能，FLASH器件技术已日趋成熟，如果像素规模做大并能将成本降到较低，其前景将是不可估量的，目前它的成本还比较高，且像素规模还远不如2D传感器的水平。另外，3D传感器的实现需要高水平的微电子技术基础，国内外都在投入大力研究。利用2D成像器件来实现3D成像有一定的优势，由于2D成像器件已经非常成熟，像素规模也比较大，易于实现较大视场范围内的具有高角分辨率的距离像。2D成像器件实现3D成像，近几年就有数种方案，一种是相位测距原理，发射的是经过调制的正弦波，接收时，对二维器件ICCD进行增益调制，以实现混频的目的，处理所得到的图像，即获得目标的三维像。这种成像体制要求发射连续波调制激光，并需要对ICCD的增益进行准确的控制，同时由于需要至少三帧数据，因此不能对运动目标成像。也有采用线性调频波调制激光，利用线性调频波的测距能力实现测距，或者采用其它的波形，但原理与相位法测距基本相似，只是信号处理上有所不同。另一种方案是发射脉冲激光，用两路ICCD去接收，一路增益不变，另一路增益线性变化，距离不同的目标点的回波在增益变化的ICCD上会获得不同的增益，通过两幅图像比较获得三维像，这种成像方案由于积分时间短，能够大幅度抑制背景光的影响，并能获得较远的成像距离。无论如何，由于需要对回波调制(实际上是增益调制)，因此都需要用到昂贵的ICCD器件，前一种需要大功率高调制速率的激光器，后一种还要用到固体脉冲激光器，这些因素都直接导致了其成本上难以降低。另外，这些利用2D传感器实现3D成像的方案基本上还处于理论和实验研究阶段，离工程化还有一定的距离，还有较多的理论和技术问题需要解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于LED光源的3D成像光雷达系统，该成像光雷达系统采用廉价的LED光源，且仅需使用单色CCD传感器，有效降低了光雷达系统的成本，并能够对运动目标成像。

本发明的方案是：基于LED光源的3D成像光雷达系统，其特征在于所述成像光雷达系统包括大功率高速LED光发射组件、高速旋转调制盘、单色CCD传感器、三单元光学成像镜头、转换成像镜头、滤光片及数据处理模块，大功率高速LED光发射组件按方波驱动，对成像视场内的目标区进行泛光照明，经目标反射的回波光束经滤光片后到达三单元光学成像镜头，经过三单元光学成像镜头成像到高速旋转调制盘上，经过调制光波经转换成像镜头后成像到单色CCD传感器上，单色CCD传感器输出端连接数据处理模块，数据处理模块同时还连接大功率高速LED光发射组件和高速旋转调制盘的控制端。

进一步的，所述高速旋转调制盘上具有三圈调制区和一圈位置检测区，均为不满圈的占空比为50％的交替透过与不透过图案，由高速电机带动旋转。所述高速旋转调制盘上的三圈调制区，在转过相同个数周期图案时各自圈内半径为最大半径与最小半径之和的二分之一的圆上的点所经过的圆弧路径等长，且各圈有效图案所占据的方向区域之间互不重叠，没有图案的区域都为完全不透。

所述高速旋转调制盘的位置检测区上设计有不同的圈内分区，随着角度的变化表现为透过或不透过，内圈的图案中包含基本位置识别图案和50％占空比的图案，前者主要是提取基本位置信息，而后者用于转速反馈；内圈图案的信号提取通过一个LD组件和PIN探测器来完成，LD组件和PIN探测器均连接于数据处理模块，LD组件产生一个会聚的光点照射在高速调制盘的内圈，通过处理PIN探测器的输出信号即提取内圈图案信号。

更进一步的，所述三单元光学成像镜头由三套完全一样且紧邻的光学成像镜头制成，三个单元的横向位置与旋转调制盘的调制区相对应。

本发明的工作原理为：采用大功率高速LED光发射组件对成像视场内的目标区进行泛光照明，LED光发射组件按方波驱动，驱动频率与高速旋转调制盘的转速和图案相关。回波经过一套三单元成像镜头将目标区在高速旋转调制盘的盘面上成三个相同的像，再经过一个转换成像镜头将这三个像转换到CCD传感器的传感面上，CCD传感器的输出将分出三个区，每个分区对应一个像，有效的3D视场与单个区的视场相对应；调制盘采用特别设计的透过率图案，具有三圈调制区和一圈位置检测区，均为不满圈的占空比为50％的交替透过与不透过图案，所述高速旋转调制盘上的三圈调制区，在转过相同个数周期图案时各自圈内半径为最大半径与最小半径之和的二分之一的圆上的点所经过的圆弧路径等长，使得三圈调制区中每圈图案调制效果近似相同，误差在允许范围内，且各圈有效图案所占据的方向区域之间互不重叠，没有图案的区域都为完全不透；CCD传感器的快门打开时间要包含这三个分区总的有效期，使得CCD传感器上的三个分区依次在三个不同的期间有光进入；同时，通过数据处理模块的控制，大功率高速LED光发射组件的驱动方波信号在三个不同时期具有和各对应分区相同的调制频率和对应的相位，保证了CCD传感器三个分区中同一对应像素的解调结果反应的相位两两之间的差值为120度；最后由CCD传感器输出三个分区中的2D像数据解算出各个像素对应的目标距离，从而获得3D像。

本发明的有益效果是：通过合理的3D成像机制，使照射光源可以采用成本低廉的大功率高速LED。由于采用高速旋转调制盘来实现相位解调，因此可以采用CCD而不是ICCD，从而使整个成像雷达的成本大幅度降低。调制盘的特殊的透过率图案设计，使得可以采用单个CCD通过单帧2D成像即获取解算3D像需要的多个2D像数据，使信号处理变得更为简单，并能对运动目标成像。

附图说明

图1是基于LED光源的3D成像光雷达系统原理示意图，其中，1为大功率高速LED光发射组件，2为高速旋转调制盘，3为CCD传感器，4为三单元光学成像镜头，5为滤波片，6为转换成像镜头，7为数据处理模块，8为LD组件，9为PIN探测器。

图2是回波解调数据获取过程示意图。

图3是调制盘上像素分区示意图。

图4是调制盘图案分布示意图。

图5是三个调制区的图案基本结构比较示意图。

具体实施方式

下面结合实施例作进一步的说明。

如图1所示，为基于LED光源的3D成像光雷达系统原理示意图。

回波经过一个三单元成像镜头将目标区在高速旋转调制盘的盘面上成三个相同的像，再经过一个成像镜头将这三个像转换到CCD传感器的传感面上，CCD传感器的输出将分出三个区，每个分区对应一个像，有效的3D视场与单个区的视场相对应。以一种CCD传感器为例，其芯片尺寸为5.8mm×5mm，像素数为1077×788，因此可以分出三个5mm×1.8mm的分区，调制盘图案依此进行设计，具有前述设计特征。

大功率高速LED光发射组件对成像视场内的目标区进行泛光照明，LED光发射组件按方波驱动，驱动频率与高速旋转调制盘的转速和图案相关。大功率高速LED光发射组件可以采用多个封装好的聚光高速直插LED焊接在同一块PCB板上，并在PCB板上配置相应的驱动电路，可以采用一路驱动电路同时驱动多个串接的LED，通过多路组合，构建一个照射视场与成像视场相匹配(能略大但不能小)的LED光发射组件。比如采用10个一路驱动，组合10路构建出100个LED灯同时照射一个视场，如果每个灯的峰值功率为150mW，则总的峰值功率可达到15W，LED灯间的空间间隔按照6mm，则只需要60mm×60mm的空间位置。如果需要更远的作用距离，还可以采用更多的LED组合以达到更大的功率。LED光发射组件也可以采用LED芯片封装成阵列再配置发射镜头来实现。

高速旋转调制盘采用转速60000rpm高速电机带动玻璃材质调制盘制成，调制盘按前述原理设计图案，通过镀金属膜的工艺实现。调制盘中间分区对应的一圈按照一个周期1.8°进行设计，共计40个周期，另外两圈按照调制盘要求进行设计，各取20个周期。中间分区对应的图案每个周期所占用的时间为5μs，模糊距离为750m。

滤光片具有与LED的发射波长相对应的通带，用来大幅度抑制背景光的干扰。CCD的积分时间取为700μs，CCD传感器的输出经过放大和A/D采集送入数据处理器，再送入到PC机进行处理提取3D像，也可以直接采用嵌入式的处理器，在处理器中直接生成3D像的数据，再送入到PC机或输出给后端的设备使用。

从原理基础上，一个具有50％占空比的高速旋转单圈调制盘，对投射到调制区内的任一像点均会产生方波调制作用。如果发射同频率且具有已知相位的调制光波去照射目标，点目标的回波就会由于调制盘的方波调制作用而产生相位解调效果，如果在调制盘条件不变而改变发射光的相位，相位改变量为120°和240°，就会产生另外两个解调结果。上述过程示意如图2所示，a)、b)、c)分别代表了光发射组件按三种不同的相位驱动的情况，a)、b)、c)各自的上一行波形代表光发射组件发射波形，中间一行波形代表调制盘的调制波形，下一行代表的是作用的结果，CCD反应的实际上是作用结果的积分。由于目标点的强度是不确定的，因此，利用单个解调结果并不能提取出相位，但利用三个解调结果就可以提取出相位。解算的过程并不复杂，这里就不赘述。

上述原理中，如果调制盘的旋转速度发生变化，则只需要相就地调整发射光的频率与调制盘调制频率相同，即可产生同样的解调效果，仅考虑在调制波形有限的情况下，需要考虑一个积分比例因子，不影响原理。

每个像实际上是多个像素点的集合，能够处理出每个像素点的相位，便能获得3D像。如图3所示，通过一个三单元成像镜头，在调制盘面形成三个完全一样的像，再通过一个转换成像透镜将之转换到CCD上的三个区，CCD按照通用流程操作，仅在数据处理时进行分区。三单元成像镜头是三套完全一样的单套镜头紧邻构成，为了增大有效的接收回波能量，每套成像镜头的外形可以是长方形结构，为圆形结构磨制而成。三个单元的横向位置与其后的光栅调制盘的调制区相对应。为避免三个像之间的重叠，需要三单元成像镜头到调制盘之间设置一个超薄的隔离结构，或者使LED光发射组件的投射视场严格地限制。在调制盘尺寸受限的情况下，为增大接收回波能量，以获得更远的作用距离，还可以采用更大的接收尺寸配上转折光路的场镜，当然需要同时满足设计的视场要求。

调制盘面的设计是本发明的关键之一。如图4所示，三个像分别被三圈不满圈的占空比为50％的交替透过与不透过的调制图案调制。所述高速旋转调制盘上的三圈调制区，在转过相同个数周期图案时各自圈内半径为最大半径与最小半径之和的二分之一的圆上的点所经过的圆弧路径等长，且各圈有效图案所占据的方向区域之间互不重叠，没有图案的区域都为完全不透。如图4中，三圈调制区在转过9个周期图案时各自圈内半径为最大半径与最小半径之和的二分之一的圆上的点所经过的圆弧路径都为L；使得对三个像而言，三个像上的同一像点经历的调制效果近似，误差在允许范围内，可忽略。图5示出了三圈上图案的基本结构，它是将三圈通过旋转放在一起以便于比较，实际图案示意当如图4。

为了避免每个分区各自解调时影响到另外的两个分区，将三个分区图案设计成了按照角度分开的方式。如图4所示，一个分区被解调时，另两个分区不透光。基于CCD的积分特性，只要三个区被解调总的时间段内快门是打开的，就不会影响CCD三个分区各自数据的正常取得。三个分区各自解调时，由于是分时完成的，因此LED光发射组件可以分成三个阶段发射，具备各自对应的频率，并具有各自对应的初始相位，初始相位符合解调原理的要求。

3D像的解算过程为：通过CCD输出的2D数据依系统参数先进行分区，得到三个2D数据矩阵，然后处理这三个2D数据矩阵。依据系统参数，给出一个空间位置引起的相位数据阵列。对同行同列的三个数据进行处理，得到该行该列对应像素点的相位，按照基本的算法规则消除掉空间位置引起的相位，得到该像素点由距离引起的相位。操作完所有各行各列的像素点，得到一个纯与距离相关的相位矩阵，再结合相位与距离的比例关系，得到纯距离矩阵，由此得到3D像。在设计调制盘外圈的调制频率时，即要考虑模糊距离，它要求远大于实际能作用的距离。

采用本发明制作的3D成像雷达，若采用像素分辨率很高的CCD传感器，其角分辨率仍然可以做到较高，照射采用LED光源，接收采用CCD而非ICCD，成本很低。

Claims (5)

1.一种基于LED光源的3D成像光雷达系统，其特征在于所述成像光雷达系统包括大功率高速LED光发射组件(1)、高速旋转调制盘(2)、单色CCD传感器(3)、三单元光学成像镜头(4)、转换成像镜头(6)、滤光片(5)及数据处理模块(7)，大功率高速LED光发射组件(1)按方波驱动，对成像视场内的目标区进行泛光照明，经目标反射的回波光束经滤光片(5)后到达三单元光学成像镜头(4)，经过三单元光学成像镜头(4)成像到高速旋转调制盘(2)上，经过调制光波经转换成像镜头(6)后成像到单色CCD传感器(3)上，单色CCD传感器(3)输出端连接数据处理模块，数据处理模块同时还连接大功率高速LED光发射组件和高速旋转调制盘的控制端。

2.按权利要求1所述基于LED光源的3D成像光雷达系统，其特征在于，所述高速旋转调制盘(2)上具有三圈调制区和一圈位置检测区，均为不满圈的占空比为50％的交替透过与不透过图案，由高速电机带动旋转。

3.按权利要求2所述基于LED光源的3D成像光雷达系统，其特征在于，所述高速旋转调制盘(2)上的三圈调制区，在转过相同个数周期图案时各自圈内半径为最大半径与最小半径之和的二分之一的圆上的点所经过的圆弧路径等长，且各圈有效图案所占据的方向区域之间互不重叠，没有图案的区域都为完全不透。

4.按权利要求2所述基于LED光源的3D成像光雷达系统，其特征在于，所述高速旋转调制盘(2)的位置检测区上设计有不同的圈内分区，随着角度的变化表现为透过或不透过，内圈的图案中包含基本位置识别图案和50％占空比的图案，前者主要是提取基本位置信息，而后者用于转速反馈；内圈图案的信号提取通过一个LD组件(8)和PIN探测器(9)来完成，LD组件(8)产生一个会聚的光点照射在高速调制盘(2)的内圈，通过处理PIN探测器(9)的输出信号即提取内圈图案信号。

5.按权利要求2所述基于LED光源的3D成像光雷达系统，其特征在于，所述三单元光学成像镜头(4)由三套完全一样且紧邻的光学成像镜头制成，三个单元的横向位置与旋转调制盘(2)的调制区相对应。