CN105182360A - 一种非扫描高速激光三维成像方法及系统 - Google Patents

一种非扫描高速激光三维成像方法及系统 Download PDF

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曹国鹏
吴劲峰
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
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Abstract

本发明公开了一种非扫描高速激光三维成像方法及系统，它是通过激光发射阵列发射调制的激光束来照射被照对象，被照对像将激光束漫反射回去，再由激光接收面阵获取激光束的距离数据云和角度数据云，并通过基于FPGA控制器对激光束的距离数据云和角度数据云进行运算，获得各个激光点的三维数据，从而得到一个三维图像的数据。本发明是一种全新的激光三维成像技术，具有结构简单、成像速率快、测量精度高的特点，与传统的扫描式激光三维成像仪在工作原理、系统结构、性能指标和适用领域等方面存在着很大的差异，在激光成像技术的发展中具有划时代的意义，是一次跨越式的进步。

Description

一种非扫描高速激光三维成像方法及系统
技术领域
本发明涉及一种激光主动成像系统，特别是一种非扫描高速激光三维成像方法及成像系统，属于激光雷达技术领域。
背景技术
目前的激光三维（3D）成像技术主要为扫描式激光三维成像仪，它是采用单元探测器或线阵探测器，利用二维逐点扫描方式或一维逐线扫描方式测量并获取视场内各点的高度信息，最终合成处理。这种扫描式激光三维成像仪存在着成像速率慢、激光器工作频率高、功耗大、数据拼接精度低等缺点。在数百米最大距离工作时，为在30°×30°视场范围内达到0.1m的分辨率，需要使激光器在上兆赫兹的频率下工作，才能在数秒钟内得到一幅三维数据，在数秒钟内飞行器视场所包含的区域也在变化，再加上飞行器平台的振动或抖动，容易造成数据拼接困难、测量精度低等问题，所以扫描式激光三维成像仪不适于要求精度高、平台有振动和抖动的应用中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、成像速度快、测量精度高的非扫描高速激光三维成像方法及非扫描高速激光三维成像系统，从而克服上述现有技术的不足。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种非扫描高速激光三维成像方法，该方法是通过激光发射阵列发射调制的激光束来照射被照对象，被照对像将激光束漫反射回去，再由激光接收面阵获取激光束的距离数据云和角度数据云，并通过基于FPGA控制器对激光束的距离数据云和角度数据云进行运算，获得各个激光点的三维数据，从而得到三维图像的数据。
上述的非扫描高速激光三维成像方法中，所述的基于FPGA控制器用于对激光阵列进行脉冲调制和控制发射和接收，其速度可以达到1秒钟1000幅图片，且精度在控制距离内可以达到毫米级。
一种非扫描高速激光三维成像系统，其构成包括激光发射阵列、激光发射光学结构、激光发射调制器、激光接收面阵、激光接收光学结构、激光接收解调器、基于FPGA控制器和数据传输接口，激光发射阵列连接激光发射光学结构，激光发射调制器连接激光发射阵列；激光接收面阵连接激光接收光学结构，激光接收解调器连接激光接收面阵；激光发射调制器和激光接收解调器连接基于FPGA控制器；基于FPGA控制器连接数据传输接口。
上述的非扫描高速激光三维成像系统中，激光发射光学结构是由激光发射阵列腔体、激光调焦支架和激光聚焦镜头构成，激光发射阵列腔体连接激光调焦支架，激光聚焦镜头安装在激光调焦支架上。
上述的非扫描高速激光三维成像系统中，所述的激光接收光学结构是由激光接收面阵腔体、滤光镜片、接收镜片支架、接收激光平透镜构成，滤光镜片装在激光接收面阵腔体内，接收镜片支架连接激光接收面阵腔体，接收激光平透镜固定安装在接收镜片支架上。
上述的非扫描高速激光三维成像系统中，所述的数据传输接口优选为网络数据传输接口，也可以根据需要采用其他数据传输接口。
有益效果：本发明的非扫描三维成像技术是利用激光一次照射整个目标，目标上每个像元的深度信息通过面阵探测器一次被测量出来，具有成像速率快、测量精度高的特点。这种非扫描激光三维成像技术是一种全新的激光三维成像技术，它与传统的扫描式激光三维成像仪在工作原理、系统结构、性能指标和适用领域等方面存在着很大的差异，它的出现在激光成像技术的发展中具有划时代的意义，是一次跨越式的进步。与现有技术相比，本发明没有扫描装置，不需要扫描的机械传动部分，结构简单，减少了机械故障发生概率，操作更加方便，而且从发射到接收都是采用电子控制，获取三维图像的速度更快，精度更高。本发明应用在智能设备上，可使智能设备在视觉方面更加的灵敏，精度更高；应用在机器视觉方面，可提高机器人识别物体的反应速度和精度，应用在3D打印机方面，可以使前期的测绘工作更加快速和简便，不需要人工去画图和设计；应用在军事上可以测出动态爆炸物的运动轨迹；应用在汽车上可以设计成防碰撞系统，对目标识别比超声波识别更快捷更灵敏和安全。
附图说明
图1是本发明的结构原理图；
图2是本发明的激光发射光学结构示意图；
图3是本发明的激光接收光学结构示意图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，包括激光发射阵列1、激光发射光学结构2、激光发射调制器3、激光接收面阵4、激光接收光学结构5、激光接收解调器6、基于FPGA控制器7和数据传输接口8，基于FPGA控制器用于对激光阵列进行脉冲调制和控制发射和接收，其速度可以达到1秒钟1000幅图片，且精度在控制距离内可以达到毫米级。激光发射阵列1连接激光发射光学结构2，激光发射调制器3连接激光发射阵列1；激光接收面阵4连接激光接收光学结构5，激光接收解调器6连接激光接收面阵4；激光发射调制器3和激光接收解调器6连接基于FPGA控制器7；基于FPGA控制器7连接数据传输接口8，数据传输接口8为网络数据传输接口，也可根据需要选择其他类型的数据传输接口。激光发射光学结构2由激光发射阵列腔体9、激光调焦支架10和激光聚焦镜头11构成（如图2所示），激光发射阵列腔体9连接激光调焦支架10，激光聚焦镜头11固定安装在激光调焦支架10上。激光接收光学结构5由激光接收面阵腔体12、滤光镜片13、接收镜片支架14、接收激光平透镜15构成（如图3所示），滤光镜片13装在激光接收面阵腔体12内，接收镜片支架14连接激光接收面阵腔体12，接收激光平透镜15固定安装在接收镜片支架14上。
工作原理：通过激光发射阵列1和激光发射调制器3发射调制的激光束来照射被照对象，然后调节激光发射光学结构2中的激光调焦支架10和激光接收光学结构5中的接收镜片支架14，使焦距和光圈得到物体的清晣图像，然后通过基于FPGA控制器7控制激光接收面阵4和激光接收解调器6，获取激光束的距离数据云和角度数据云，并通过基于FPGA控制器7对激光束的距离数据云和角度数据云进行运算，获得各个激光点的三维数据，再通过数据传输接口8得到物体的三维图像数据。

Claims (6)

1.一种非扫描高速激光三维成像方法，其特征在于：它是通过激光发射阵列发射调制的激光束来照射被照对象，被照对像将激光束漫反射回去，再由激光接收面阵获取激光束的距离数据云和角度数据云，并通过基于FPGA控制器对激光束的距离数据云和角度数据云进行运算，获得各个激光点的三维数据，从而得到一个三维图像的数据。
2.根据权利要求1所述的非扫描高速激光三维成像方法，其特征在于：所述的基于FPGA控制器用于对激光阵列进行脉冲调制和控制发射和接收，其速度达到1秒钟1000幅图片且精度在控制距离内可以达到毫米级。
3.一种非扫描高速激光三维成像系统，包括激光发射阵列（1）、激光发射光学结构（2）、激光发射调制器（3）、激光接收面阵（4）、激光接收光学结构（5）、激光接收解调器（6）、基于FPGA控制器（7）和数据传输接口（8），其特征在于：所述的激光发射阵列（1）连接激光发射光学结构（2），激光发射调制器（3）连接激光发射阵列（1）；激光接收面阵（4）连接激光接收光学结构（5），激光接收解调器（6）连接激光接收面阵（4）；激光发射调制器（3）和激光接收解调器（6）连接基于FPGA控制器（7）；基于FPGA控制器（7）连接数据传输接口（8）。
4.根据权利要求3所述的非扫描高速激光三维成像系统，其特征在于：所述的激光发射光学结构（2）由激光发射阵列腔体（9）、激光调焦支架（10）和激光聚焦镜头（11）构成，激光发射阵列腔体（9）连接激光调焦支架（10），激光聚焦镜头（11）固定安装在激光调焦支架（10）上。
5.根据权利要求3所述的非扫描高速激光三维成像系统，其特征在于：所述的激光接收光学结构（5）由激光接收面阵腔体（12）、滤光镜片（13）、接收镜片支架（14）、接收激光平透镜（15）构成，滤光镜片（13）装在激光接收面阵腔体（12）内，接收镜片支架（14）连接激光接收面阵腔体（12），接收激光平透镜（15）固定安装在接收镜片支架（14）上。
6.根据权利要求3所述的非扫描高速激光三维成像系统，其特征在于：所述的数据传输接口（8）为网络数据传输接口。
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