CN105093235B - 一种同步扫描交会测量融合成像系统 - Google Patents

一种同步扫描交会测量融合成像系统 Download PDF

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Abstract

一种同步扫描交会测量融合成像系统，包括连续激光器(1)、脉冲激光器(2)、单反射镜(3)、合束镜(4)、左反射镜(5)、双面反射镜(6)、右反射镜(7)、接收透镜(8)、分光镜(9)、线阵相机(10)、光电探测器(11)、Y方向扫描伺服电机(12)、左反射镜齿轮(13)、X方向扫描伺服电机(14)、右反射镜齿轮(15)、驱动控制器(16)、第一传动齿轮(17)、第二传动齿轮(18)、步进电机(19)、左相机(20)、右相机(21)、数据处理单元(22)、条形反射镜(24)。本发明系统融合了双目视觉，激光雷达以及三角测距的同步扫描交会测量，可以获得三角测距的最高测量精度，同时满足被测物体表面横向、纵向测量范围和测量精度的要求。

Description

一种同步扫描交会测量融合成像系统
技术领域
本发明属于航天光学遥感领域，涉及一种交会测量系统，可用于测量目标的三维面型，并获得目标的位置与姿态信息。
背景技术
三维视觉测量技术已经广泛应用于各种领域，比如工业、航空、军事等。在非合作目标交会测量中，由于目标上不带有具有先验结构信息的发光标识器或者角反射器，目标的相对位置与姿态无法通过拍摄二维灰度图像来实现，因此需要获取目标的三维信息。主流的三维信息获取技术主要包括双目立体视觉技术、激光雷达技术和激光三角测距技术。
双目立体视觉的测量精度与距离的平方成反比，在近距离具有很高的测量精度，而且可以获得目标的二维灰度图像。但是其需要太阳光提供照明环境，不能全天时工作；另一方面，其瞬时视场较大且探测器响应谱段较宽，抗杂光能力也较弱。
扫描式激光雷达和激光三角测距均采用单色激光主动照明，可以全天时工作，由于在接收光路中附加窄带滤光片且瞬时视场很小，具有很好的抗杂光能力。扫描式激光雷达的测量精度与距离的远近无关，但其测量精度不高。激光三角测距的测量精度较高，但系统的横向扫描测量范围和纵向测距范围相互受限。
为了解决更远距离目标的探测问题，提出了将激光雷达技术和激光同步扫描三角测距成像系统融合的系统，相关的专利有“APPARATUS AND METHOD FOR TRACKING ANOBJECT”(专利号为US20090147239A1)、“IMAGING SYSTEM AND METHOD”(专利号为US20090195790A1)。但是在这一融合系统中，激光同步扫描三角测距成像系统的横向扫描测量范围、纵向测距范围、距离分辨率等都不能随被测目标的尺寸和距离变化而改变。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服双目视觉测量抗杂光性能差、激光雷达测量精度低、三角测距的测量范围和测量精度不能适应不同目标的问题，提出了一种融合双目视觉，激光雷达以及三角测距的同步扫描交会测量系统，可以根据被测物体的横向尺寸、表面最大最小距离范围，获得三角测距的最高测量精度，同时满足被测物体表面横向、纵向测量范围和测量精度的要求。
本发明的技术解决方案是：一种同步扫描交会测量融合成像系统，包括连续激光器、脉冲激光器、单反射镜、合束镜、左反射镜、双面反射镜、右反射镜、接收透镜、分光镜、线阵相机、光电探测器、Y方向扫描伺服电机、左反射镜齿轮、X方向扫描伺服电机、右反射镜齿轮、驱动控制器、第一传动齿轮、第二传动齿轮、步进电机、左相机、右相机、数据处理单元、条形反射镜；左反射镜与右反射镜相对于双面反射镜成左右对称分布，左反射镜的镜面垂直于XOZ平面，与OX轴成锐角θ，右反射镜的镜面垂直于XOZ平面，与OX轴成锐角θ，所述的XOZ平面为水平面，OY轴方向为竖直方向；步进电机带动第二传动齿轮顺时针或逆时针转动，第二传动齿轮带动左反射镜齿轮逆时针或顺时针转动，同时第二传动齿轮还带动第一传动齿轮逆时针或顺时针转动，第一传动齿轮再带动右反射镜齿轮顺时针或逆时针转动，第一传动齿轮和第二传动齿轮之间的传动比为1：1，第二传动齿轮与左反射镜齿轮的传动比等于第一传动齿轮与右反射镜齿轮的传动比；左反射镜固定在左反射镜齿轮上并跟随左反射镜齿轮的转动而转动，右反射镜固定在右反射镜齿轮上并跟随右反射镜齿轮的转动而转动；X方向扫描伺服电机驱动双面反射镜转动，Y方向扫描伺服电机驱动条形反射镜转动；左相机和右相机相对于双面反射镜对称放置；从连续激光器发出的连续准直激光束经过单反射镜反射后到达合束镜，与脉冲激光器发出的脉冲激光束在合束镜处合为一束光后，依次通过双面反射镜、左反射镜、条形反射镜的反射，到达被测物体表面上的某一点P，并发生漫反射，部分漫反射光经过条形反射镜、右反射镜、双面反射镜的反射后，由接收透镜汇聚，经过分光镜后，连续激光成像在线阵相机上，脉冲激光聚焦至光电探测器上；通过驱动控制器控制X方向扫描伺服电机和Y方向扫描伺服电机，实现光电P的光栅扫描；通过改变左反射镜与右反射镜的镜面角度，改变横向扫描测量范围、纵向距离测量范围、距离测量分辨率；数据处理单元接收线阵相机、光电探测器、左相机、右相机的图像数据，将从线阵相机或者光电探测器获得的三维图像映射到左相机或者右相机的本体坐标系下，与左相机或右相机的二维图像分别进行配准，实现图像融合。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1.本发明系统通过同步扫描偏转光路结构，将双目视觉、激光雷达以及三角测距融合在一个系统中，并在数据处理单元中实现了三者输出图像的融合。与传统的双目相机相比，本系统具有能够全天时工作、抗杂光干扰能力强的优点；与传统的激光雷达相比，本系统在近距离处具有更高的测量精度；与传统的三角测距系统相比，本系统具有更大的测量范围；
2.本发明系统将激光雷达、三角测距获得的三维点云映射到双目相机的本体坐标系下，实现了三维点云图像与相机二维灰度图像的融合，与传统的三维成像系统相比，有效地平滑了三维图像中的噪声和毛刺；
3.本发明系统通过齿轮传动机构改变了同步扫描系统中左右旁反射镜的安放角度，从而可以灵活改变三角测距的横向扫描测量范围、纵向距离测量范围以及距离测量分辨率。与传统的三角测距系统相比，本系统可以根据被测物体的横向尺寸、表面最大最小距离范围，适应性地调整左右旁反射镜的安放角度，从而获得最高的测量精度。
附图说明
图1为本发明成像系统的组成原理图；
图2为本发明的反射镜开或合转动的机械传动结构图。
图中，1：连续激光器；2：脉冲激光器；3：单反射镜；4：合束镜；5：左反射镜；6：双面反射镜；7：右反射镜；8：接收透镜；9：分光镜；10：线阵相机；11：光电探测器；12：Y方向扫描伺服电机；13：左反射镜齿轮；14：X方向扫描伺服电机；15：右反射镜齿轮；16：驱动控制器；17：第一传动齿轮，18：第二传动齿轮，19：步进电机，20：左相机，21：右相机，22：数据处理单元，23：被测物体，24：条形反射镜。
具体实施方式
本发明的基本思想是：利用同步扫描原理将激光雷达，三角测距以及双目视觉融合在一个系统中，克服单个敏感器的应用缺陷；另一方面通过改变同步扫描成像系统中的关键参数，改变测量范围和测量精度，满足不同被测物体的测量范围和测量精度要求。
如图1所示，本发明的同步扫描交会测量融合成像系统，包括连续激光器1、脉冲激光器2、单反射镜3、合束镜4、左反射镜5、双面反射镜6、右反射镜7、接收透镜8、分光镜9、线阵相机10、光电探测器11、Y方向扫描伺服电机12、左反射镜齿轮13、X方向扫描伺服电机14、右反射镜齿轮15、驱动控制器16、第一传动齿轮17、第二传动齿轮18、步进电机19、左相机20、右相机21、数据处理单元22、条形反射镜24。
左反射镜5与右反射镜7相对于双面反射镜6成左右对称分布，左反射镜5垂直XOZ平面，与OX轴锐角为θ，右反射镜7垂直XOZ平面，与OX轴锐角为θ。左反射镜5与右反射镜7可绕OY轴开或合等角度转动，实现θ值改变。这里的XOZ为水平面，OY轴方向为竖直方向，OZ轴方向为接收透镜8的光轴方向，OX轴方向为Y方向扫描伺服电机12的轴线方向。
如图2所示，步进电机19带动第二传动齿轮18顺时针或逆时针转动，第二传动齿轮18带动左反射镜齿轮13逆时针或顺时针转动，同时第二传动齿轮18还带动第一传动齿轮17逆时针或顺时针转动，第一传动齿轮17再带动右反射镜齿轮15顺时针或逆时针转动，第一传动齿轮17和第二传动齿轮18之间的传动比为1：1，第二传动齿轮18与左反射镜齿轮13的传动比等于第一传动齿轮17与右反射镜齿轮15的传动比，实现左反射镜齿轮13带动左反射镜5与右反射镜齿轮15带动右反射镜7绕Y轴等角度开或合转动。
(1)从连续激光器1发出的连续准直激光束经过单反射镜3反射后到达合束镜4，与脉冲激光器2发出的脉冲激光束在合束镜4处合为一束光后，依次通过双面反射镜6、左反射镜5、条形反射镜24的反射，到达被测物体23表面上的某一点P，并发生漫反射，部分漫反射光经过条形反射镜24、右反射镜7、双面反射镜6的反射后，由接收透镜8汇聚，经过分光镜9后，连续激光成像在线阵相机10上，根据三角测距原理，由汇聚成像光点落在线阵相机10上的位置值，可得P点坐标(Xp，Yp，Zp)，脉冲激光聚焦至光电探测器11上，根据脉冲飞行时间测距原理，也可得P点坐标(Xp，Yp，Zp)；
(2)X方向扫描伺服电机14驱动双面反射镜6快速来回摆动时，照在被测物体23表面上的光点P在X轴方向行扫描；Y方向扫描伺服电机12驱动条形反射镜24缓慢来回摆动时，照在被测物体23表面上的光点P在Y轴方向列扫描；驱动控制器16保证光点P在被测物体23表面作光栅扫描。双面反射镜6既是扫描发射光路中的反射镜，又是接收成像光路中的反射镜，构成同步扫描系统。光点P在被测物体23表面作光栅扫描，根据三角测距和脉冲飞行时间测距原理，得到每个点的坐标(Xp，Yp，Zp)，实现同步扫描三维成像。由于目标反射特性的差异，上述两种原理得到的坐标会出现不一致的情况，系统根据目标距离的远近选择测量精度高的原理，具体原则是近距离选用三角测距的结果，远距离选择脉冲飞行测距的结果，远近距离的分界点与系统参数有关。
(3)改变左反射镜5、右反射镜7与X轴所夹锐角θ，可以改变系统横向扫描测量范围、纵向距离测量范围、距离测量分辨率。系统对被测物体23测量范围和分辨率的适应性通过以下两步来实现：第一步，先调节左反射镜5、右反射镜7与X轴所夹锐角θ，使系统测量范围最大，获得被测物体23表面的横向范围、最大最小距离范围(指的是目标与测量系统之间的纵向距离，在图中，即OY方向的距离，因为线阵相机的长度是一定的，所以三角测距的纵向测量距离范围也是有限的，超过了最大最小距离范围，打到目标上的激光光斑就成像到线阵相机的光敏面之外了，不能进行有效探测)；第二步，再调节左反射镜5、左反射镜5与X轴所夹锐角θ，使得系统在满足被测物体23表面横向扫描范围、纵向测距范围前提下，三角测距系统具有最高测量精度。
(4)左相机20、右相机21相对于双面反射镜6对称放置，两个相机的视线方向具有一定的角度，被测物体23上P点在左相机20和右相机21上分别形成投影点Pd1和Pd2，根据双目立体视觉原理，可以解算得到P点的坐标(Xp，Yp，Zp)；
(5)数据处理单元22接收线阵相机10，光电探测器11，左相机20，右相机21的图像数据，对驱动控制器16进行同步控制并实时读取电机角度数据实现光栅扫描。数据处理单元22将图像数据与电机角度数据进行融合，得到被测物体的三维立体形状。数据处理单元22可实现以下4种方式的图像融合：左相机20与线阵相机10的融合，右相机21与线阵相机10的融合，左相机20与光电探测器11的融合，右相机21与光电探测器11的融合，融合方法均相同。以左相机20与线阵相机10的融合为例，具体的，数据处理单元22从线阵相机10获得像点的位置ρ，从驱动控制器16处获得两轴电机的运行角度数据(α，β)，通过三角测距原理建立标定模型，解算内外参数，可以得到目标P点在系统坐标系OXYZ的三维坐标(Xp，Yp，Zp)，将其转换到左相机20的本体坐标系OX1Y1Z1下，得到OX1Y1Z1坐标系下P点的坐标(Xp1，Yp1，Zp1)，然后通过左相机20成像镜头的物像关系计算得到相机探测器上的对应像点坐标(Xt，Yt)，最后找到与该像点欧式距离最短的相机探测器行列值(m，n)，从而形成三维点云到二维图像的映射，实现图像融合。左相机20与光电探测器11的融合和上述过程的差别在于三维坐标的获取方式，具体的，数据处理单元22从光电探测器11获得脉冲激光从出射至到达目标的飞行时间t，从驱动控制器16处获得两轴电机的角度数据(α，β)，通过激光雷达原理建立标定模型，解算内外参数，可以得到目标P点在系统坐标系OXYZ下的三维坐标(Xp，Yp，Zp)。右相机21在图像融合中的作用与左相机20完全一致，系统可任选其一进行图像融合。如前所述，线阵相机10和光电探测器11的选择与具体的系统参数，实际测量距离相关。这里，OZ1轴方向为左相机20成像镜头的光轴方向，OZ2轴方向为右相机21成像镜头的光轴方向，OX1轴方向和OX2轴方向都在XOZ平面。
实施例
连续激光器1采用型号为LU0845M150的连续半导体激光器，波长845nm，功率为150mW；脉冲激光器2采用型号为PYFL-K04-PK5D-FA的脉冲光纤激光器，波长为1064nm，峰值功率为5kW，脉冲宽度为6ns；接收透镜8为Edmund公司的非球面双胶合透镜，焦距为70mm；线阵相机10为Baslarral4096-80km相机，分辨率1×4096，最高采样频率80kHz，光敏面长度为28.672mm；光电探测器11为C30955EH-TC带制冷的雪崩光电二极管APD，响应度为34A/W，光敏面大小为1.5mm；左相机20和右相机21均为BaslaracA2040_25gm面阵相机，分辨率为2048×2048；双面反射镜6与X轴正方向初始角度成45°、左反射镜5和右反射镜7对于双面反射镜6成对称分布，垂直XOZ平面，与X轴初始锐角为45°；接收透镜8与XOY平面平行放置。激光束通过双面反射镜6、左反射镜5、条形反射镜24的反射，到达被测物体23表面，并发生漫反射；部分返回的漫反射光经条形反射镜24、右反射镜7、双面反射镜6，由接收透镜8汇聚，经过分光镜9后，连续激光成像在线阵相机10上，脉冲激光聚焦至APD探测器11上。
当步进电机19顺时针或逆时针转动一个角度时，该转角经过左反射镜齿轮13、右反射镜齿轮15、第一传动齿轮17、第二传动齿轮18组成的传动系统，使得左反射镜5与右反射镜7绕Y轴开或合转动。第一传动齿轮17和第二传动齿轮18之间的传动比为1：1，第二传动齿轮18与左反射镜齿轮13的传动比等于第一传动齿轮17与右反射镜齿轮15的传动比，该比例为10：1，左反射镜5与右反射镜7绕Y轴作等角度开或合的转动，转动角度为步进电机19转角的1/10。
双面反射镜6来回摆动频率为32Hz，摆动角度±7.5°，条形反射镜24来回摆动频率为0.125Hz，摆动角度±7.5°，实现同步扫描融合成像系统的扫描视场30°×30°、图像帧频0.25Hz；驱动控制器16每隔30°/256角度发出一脉冲信号，触发启动线阵相机10采集一幅图像，触发频率16kHz，实现三维成像系统图像分辨率为256×256。
对于反射率为0.4的漫反射目标，光电探测器11能接收到能量的最远距离为2km，此处的激光雷达测量精度为0.2m。
左相机20和右相机21之间的基线长度为300mm，两个相机的视线方向夹角为10°，双目相机在10m处的测量精度为9.8cm，在0.5m处的测量精度为0.8mm。
左反射镜5与右反射镜7两镜面中心距离为100mm。当左反射镜5与右反射镜7转到与X轴锐角为45°时，系统纵向测量范围为560mm～14154mm，最远处横向扫描测量范围为7624.9mm，最远处的距离测量分辨率为37.86mm。当左反射镜5与右反射镜7转到与X轴锐角为46°时，系统纵向距离测量范围为398mm～1213mm，最远处横向扫描测量范围为678.86mm，最远处的距离测量精度为0.28mm。当左反射镜5与右反射镜7转到与X轴锐角为47°时，系统纵向距离测量范围为308mm～631mm，最远处横向扫描测量范围为367.31mm，最远处的距离测量误差为0.08mm。
当左反射镜5与右反射镜7转到与X轴锐角为45°，被测物体距离与系统的距离为560mm～10000mm时，数据处理单元22进行左相机20和线阵相机10的图像融合，当被测物体距离与系统的距离为10m～200m时，数据处理单元22进行左相机20和光电探测器11的融合。对某一物体表面的实际测量表明，通过图像融合弥补了三维图像分辨率不足的缺点，并有效地消除了三维图像中的噪声和毛刺。
三角测距系统对被测物体测量范围和分辨率的适应性通过以下两步来实现：第一步，先将左反射镜5与右反射镜7转到与X轴锐角为45°，得到某一物体表面最小最大距离值范围为500mm～1000.26mm，物体横向尺寸为500mm；第二步，将左反射镜5与右反射镜7转到与X轴锐角为46°，测得物体表面最大距离值为1012.52mm，且整个物体全在横向扫描测量范围内。第二步测得的距离数据比第一步测得的距离数据有更高的分辨率，以第二步测得数据为准。在该实施例中，系统较好地满足被测物体测量范围和测量精度的要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种同步扫描交会测量融合成像系统，其特征在于包括：连续激光器(1)、脉冲激光器(2)、单反射镜(3)、合束镜(4)、左反射镜(5)、双面反射镜(6)、右反射镜(7)、接收透镜(8)、分光镜(9)、线阵相机(10)、光电探测器(11)、Y方向扫描伺服电机(12)、左反射镜齿轮(13)、X方向扫描伺服电机(14)、右反射镜齿轮(15)、驱动控制器(16)、第一传动齿轮(17)、第二传动齿轮(18)、步进电机(19)、左相机(20)、右相机(21)、数据处理单元(22)、条形反射镜(24)；左反射镜(5)与右反射镜(7)相对于双面反射镜(6)成左右对称分布，左反射镜(5)的镜面垂直于XOZ平面，与OX轴成锐角θ，右反射镜(7)的镜面垂直于XOZ平面，与OX轴成锐角θ，所述的XOZ平面为水平面，OY轴方向为竖直方向；步进电机(19)带动第二传动齿轮(18)顺时针或逆时针转动，第二传动齿轮(18)带动左反射镜齿轮(13)逆时针或顺时针转动，同时第二传动齿轮(18)还带动第一传动齿轮(17)逆时针或顺时针转动，第一传动齿轮(17)再带动右反射镜齿轮(15)顺时针或逆时针转动，第一传动齿轮(17)和第二传动齿轮(18)之间的传动比为1：1，第二传动齿轮(18)与左反射镜齿轮(13)的传动比等于第一传动齿轮(17)与右反射镜齿轮(15)的传动比；左反射镜(5)固定在左反射镜齿轮(13)上并跟随左反射镜齿轮(13)的转动而转动，右反射镜(7)固定在右反射镜齿轮(15)上并跟随右反射镜齿轮(15)的转动而转动；X方向扫描伺服电机(14)驱动双面反射镜(6)转动，Y方向扫描伺服电机(12)驱动条形反射镜(24)转动；左相机(20)和右相机(21)相对于双面反射镜(6)对称放置；从连续激光器(1)发出的连续准直激光束经过单反射镜(3)反射后到达合束镜(4)，与脉冲激光器(2)发出的脉冲激光束在合束镜(4)处合为一束光后，依次通过双面反射镜(6)、左反射镜(5)、条形反射镜(24)的反射，到达被测物体(23)表面上的某一点P，并发生漫反射，部分漫反射光经过条形反射镜(24)、右反射镜(7)、双面反射镜(6)的反射后，由接收透镜(8)汇聚，经过分光镜(9)后，连续激光成像在线阵相机(10)上，脉冲激光聚焦至光电探测器(11)上；通过驱动控制器(16)控制X方向扫描伺服电机(14)和Y方向扫描伺服电机(12)，实现光电P的光栅扫描；通过改变左反射镜(5)与右反射镜(7)的镜面角度，改变横向扫描测量范围、纵向距离测量范围、距离测量分辨率；数据处理单元(22)接收线阵相机(10)、光电探测器(11)、左相机(20)、右相机(21)的图像数据，将从线阵相机(10)或者光电探测器(11)获得的三维图像映射到左相机(20)或者右相机(21)的本体坐标系下，与左相机(20)或右相机(21)的二维图像分别进行配准，实现图像融合；数据处理单元(22)可实现以下4种方式的图像融合：左相机(20)与线阵相机(10)的融合，右相机(21)与线阵相机(10)的融合，左相机(20)与光电探测器(11)的融合，右相机(21)与光电探测器(11)的融合，融合方法均相同；左相机(20)与线阵相机(10)的融合方法为，数据处理单元(22)从线阵相机(10)获得像点的位置ρ，从驱动控制器(16)处获得两轴电机的运行角度数据(α，β)，通过三角测距原理建立标定模型，解算内外参数，得到目标P点在系统坐标系OXYZ的三维坐标(Xp，Yp，Zp)，将其转换到左相机(20)的本体坐标系OX1Y1Z1下，得到OX1Y1Z1坐标系下P点的坐标(Xp1，Yp1，Zp1)，然后通过左相机(20)成像镜头的物像关系计算得到相机探测器上的对应像点坐标(Xt，Yt)，最后找到与该像点欧式距离最短的相机探测器行列值(m，n)，从而形成三维点云到二维图像的映射，实现图像融合；左相机(20)与光电探测器(11)的融合方法和上述左相机(20)与线阵相机(10)的融合方法的差别在于三维坐标的获取方式，具体的，数据处理单元(22)从光电探测器(11)获得脉冲激光从出射至到达目标的飞行时间t，从驱动控制器(16)处获得两轴电机的角度数据(α，β)，通过激光雷达原理建立标定模型，解算内外参数，得到目标P点在系统坐标系OXYZ下的三维坐标(Xp，Yp，Zp)；右相机(21)在图像融合中的作用与左相机(20)完全一致，系统可任选其一进行图像融合；这里，OZ1轴方向为左相机(20)成像镜头的光轴方向，OZ2轴方向为右相机(21)成像镜头的光轴方向，OX1轴方向和OX2轴方向都在XOZ平面。
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