CN105785389A

CN105785389A - 三维成像激光雷达系统

Info

Publication number: CN105785389A
Application number: CN201610124074.5A
Authority: CN
Inventors: 刘博�; 陈臻; 彭章贤; 周向东
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2016-07-20

Abstract

本发明公开了一种基于高速电光调制技术的三维成像激光雷达系统。该系统包括主控电路模块、激光照明模块、激光发射光学系统、激光接收光学系统、高速电光调制模块，EMCCD成像模块和上位机。在主控电路模块的控制下，高速电光调制模块对激光接收光学系统探测到的回波信号进行调制，其中一路被调制为光强随时间单调递增的光信号，另一路被调制为光强随时间单调递减的光信号。这两路被调制后的光信号分别由两路具有光子探测能力的EMCCD相机同时采集后传输至上位机。上位机对这两幅图像进行处理，重构出目标场景的三维图像。该系统具有成像速度快，分辨率高等优点，尤其适用于高动态目标的三维探测成像。

Description

三维成像激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达，特别是一种基于电光调制的三维成像激光雷达。

背景技术

激光三维成像雷达技术能够同时获得方位、俯仰、距离、强度信息，且具有分辨率高、抗干扰能力强、隐蔽性能好等优点，能够用来进行距离测量、角度测量、角度跟踪、目标速度测量以及目标活动的指示、跟踪超低空飞行目标等。激光三维成像雷达的这些特质使得广泛应用于地形测绘、敌情侦察、目标跟踪等军事和民用领域。三维成像激光雷达技术从成像体制上可以分为相干成像和非相干成像两种，相干成像的距离分辨率高，可达毫米量级，但其探测距离很近，限制了其应用范围。非相干三维成像的激光雷达技术从扫描方式上又可以分为扫描成像和非扫描成像两大类。其中扫描成像利用激光单点测距，通过高重频的激光脉冲和快速扫描技术来实现对目标的激光点云成像，技术相对比较成熟，以民用的地形测绘激光雷达为代表，已经有成熟的产品问世。但对于单点扫描的激光雷达，其最大探测距离上光脉冲的往返飞行时间必须小于其脉冲间隔。对于远距离的探测，为提高系统的横向分辨率，需要尽可能高的激光重频，但高重频的脉冲间隔很短，又限制了其探测距离，并且扫描方式对高速运动的目标不适用，因此，无扫描三维成像的激光雷达技术日益成为当前研究的热点。

无扫描的三维成像激光雷达技术又分为基于雪崩光电二极管(avalanchephotodiode，APD)阵列探测器的“闪光式”成像和基于面阵探测器件调制成像两种。其中，APD阵列探测器中每个像元都单独工作，基于脉冲飞行时间测距，从而得到每一个像元上的距离信息，其优点是成像帧速高、图像无运动失真和抗背景光干扰能力强。但这一技术对元器件的要求很高，要求大面阵的APD阵列和高速的读出电路，国内尚无此类器件，并且国外对我国实行禁运。除此之外，其横向分辨率也受到器件的限制，当前最先进的林肯实验室正在研制APD阵列，其像元也只有256×256单元。这种情况下，基于面阵探测器件调制成像的三维成像方式就成为一种较好的选择。国内浙江大学和哈尔滨工程大学利用ICCD增益调制技术实现了一定距离上的三维成像，取得了一定成果。然而由于ICCD的成像是基于微通道板(MCP)、荧光屏和普通CCD三种器件，其成像信号经过光->电->光->电的多重转换过程，其中引入了较多的噪声，并且受限于MCP的分辨率以及与CCD耦合过程，其图像的传递函数较低，横向分辨率不高。

发明内容

为了能够较好的克服ICCD增益调制横向分辨率低的问题，本发明提出了一种基于高速电光调制的三维成像激光雷达。

根据本发明一方面，其提出了一种基于电光晶体调制的三维成像激光雷达系统，该激光雷达系统包括主控电路模块(100)、激光照明模块(200)、激光发射光学系统(300)、激光接收光学系统(400)、高速电光调制模块(500)、EMCCD成像模块(600)和上位机(700)；

其中，所述的主控电路模块(100)包括激光器外部触发信号发生器(110)、高速电光调制信号发生器(120)和EMCCD相机外部触发信号发生器(130)；所述的激光照明模块(200)包括激光器电源(210)和固体激光器(220)；该固体激光器产生的激光脉冲信号经由激光发射光学系统(300)发射，之后被目标散射后形成激光回波信号，该激光回波信号由激光接收光学系统(400)接收；所述的高速电光调制模块(500)包括第一线偏振片(510)、第一电光晶体(520)和偏振分光棱镜(530)，接收的所述激光回波信号经所述第一线偏振片(510)后被所述第一电光晶体(520)调制为偏振方向相互垂直且具有相位差的两束偏振分量，所述偏振分光棱镜(530)将调制后的所述激光回波信号分为两路，这两路信号同时被EMCCD成像模块(600)接收；所述的EMCCD成像模块(600)包括第一通道成像模块(610)和第二通道成像模块(620)，用于分别接收所述两路信号并采集成像；所述第一通道成像模块(610)包括第二线偏振片(611)、第二电光晶体(612)、成像透镜(613)和第一EMCCD相机(614)，第二通道成像模块包括成像透镜(621)和第二EMCCD相机(622)；所述第一通道成像模块(610)和第二通道成像模块(620)分别采集到的两幅图像被传输至上位机(700)，上位机对这两幅图像进行处理，根据两幅图像对应像素的灰度比值获得调制信号的时间信息，进而反演出目标的距离信息，由此重构出目标场景的三维图像

本发明的优点在于：

利用EMCCD代替ICCD，成像信号直接完成光->电一次转换，省去了ICCD成像中光->电->光->电的多重转换过程，极大地提高了信噪比。同时，一次转换直接成像也减少了像素间的耦合，极大地提高了图像的横向分辨率；

利用两路面阵成像器件同时成像，通过高速电光调制结合偏振分光，进而能够对图像上像素点的距离信息进行快速提取，仅发射一次激光脉冲即可实现三维图像的重建，具备“闪光”成像的能力，能够满足高动态目标探测成像的需要。

通过调整主控电路模块中的调制信号宽度，可以动态地调整激光雷达的有效成像距离，进而提高三维图像重建的分辨率。

附图说明

图1为本发明基于高速电光调制的三维成像激光雷达的结构示意图。

图2为本发明的高速电光调制技术工作原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

为了使本发明的目的、高速电光调制技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提出了一种基于电光晶体调制的三维成像激光雷达，该激光雷达系统包括主控电路模块100、激光照明模块200、激光发射光学系统300、激光接收光学系统400、高速电光调制模块500，EMCCD成像模块600和上位机700。

所述的主控电路模块100包括激光器外部触发信号发生器110、高速电光调制信号发生器120和电子倍增电荷耦合器件(ElectronMultiplyingCharge-CoupledDevice，EMCCD相机)外部触发信号发生器130；所述的激光器外部触发信号发生器110产生的外触发信号用于触发固体激光器220输出激光脉冲，所述的高速电光调制信号发生器120产生的信号用于控制第一电光晶体520从而实现电光调制，所述的EMCCD相机外部触发信号发生器130产生的触发信号用于触发第一EMCCD相机614和第二EMCCD相机622的曝光并控制曝光时间。

所述的激光照明模块200包括激光器电源210和固体激光器220；该固体激光器220产生的激光脉冲信号经由激光发射光学系统300发射，之后被目标散射后形成激光回波信号，该激光回波信号由激光接收光学系统400接收；

所述的激光接收光学系统400包括接收望远镜410、准直透镜420和窄带滤光片430；所述接收望远镜410接收到的所述激光回波信号，经所述准直透镜420准直后，进入所述窄带滤光片430进行滤光，其用于滤除干扰背景光；

所述的高速电光调制模块500包括第一线偏振片510、第一电光晶体520和偏振分光棱镜530，所述经滤光后的激光回波信号经第一线偏振片510后得到的线偏振光，被所述第一电光晶体520调制为偏振方向相互垂直且具有一定相位差θ的两束偏振分量，偏振分光棱镜530将调制后的激光回波信号的两束偏振分量分离为两路，这两路信号同时被EMCCD成像模块600的两个通道成像模块分别接收；

所述的EMCCD成像模块600包括第一通道成像模块610和第二通道成像模块620，而第一通道成像模块610包括第二线偏振片611、第二电光晶体612、成像透镜613和第一EMCCD相机614，第二通道成像模块包括成像透镜621和第二EMCCD相机622；其中第一通道成像模块610中的第二线偏振片611和第二电光晶体612起到光开关的作用，开关打开期间光强被cos²(θ/2)调制后由成像透镜613和第一EMCCD相机614进行成像，第二通道成像模块620中光强被sin²(θ/2)调制后由成像透镜621和第二EMCCD相机622进行成像。EMCCD成像模块600采集到的图像被传输至上位机700，上位机对这两幅图像进行处理，根据两幅图像对应像素的灰度比值获得调制信号的时间信息，进而反演出目标的距离信息，由此重构出目标场景的三维图像。

所述的激光器外部触发信号发生器110产生的方波信号，脉冲重复频率变化范围为1Hz～20Hz；所述的高速电光调制信号发生器120产生的调制信号，单调递增三角波的持续时间范围为0.1us～5us、重复频率变化范围为1Hz～20Hz；所述的EMCCD相机外部触发信号发生器130产生的方波信号，脉冲宽度可调范围为0.1us～5us、脉冲重复频率变化范围为1Hz～20Hz。另外，这三种信号发生器产生的信号延迟可调整，以保证各个模块的同步工作。

所述的激光发射光学系统300包括光学发射透镜和均化片，用于目标场景的均匀照明和光束发散角的控制。

所述的第一线偏振片510的偏振方向与激光器发射光束的偏振方向平行，这样，回波光束中只有激光被目标反射回来的部分能够通过线第一线偏振片，而其他光源(如太阳辐射等)被反射回来的部分则滤除，由此进一步提高系统探测的信噪比；

所述的第一电光晶体520根据高速电光调制信号发生器120产生的调制信号将透过第一线偏振片510的线偏光转换为偏振方向相互垂直且相位差与调制信号幅值成正比的偏振分量，所述的偏振分光棱镜530将两束偏振方向相互垂直且存在相位差的偏振分量分离出来。其中，所述的第一电光晶体520由主控电路模块提供调制信号，根据调制信号幅值的不同，产生的偏振方向相互垂直的两路偏振分量的相位差也不同，这样偏振分光棱镜分离出的光束强度也存在差异。由于调制信号为单调信号，因此分离出的两路偏振光分量其中第一通道的光强单调递增，第二通道的单调递减，并与调制信号存在一一对应关系；

所述的EMCCD成像模块600中的第一通道成像模块610和第二通道成像模块620分别采集偏振分光棱镜530分离出来的两束偏振方向相互垂直且存在相位差的线偏振光。第一通道成像模块610比第二通道模块620多出了第二线偏振片611和第二电光晶体612，第二线偏振片611与第一线偏振片510的偏振方向相互垂直，第二线偏振片611和第二电光晶体612的作用相当于一个电光开关，由主控电路模块120提供开关控制信号；而第二通道成像模块620通过借助于第一电光晶体520和偏振分光棱镜530，可以使该通道具备电光开关的能力，因此不需要额外的偏振片和电光晶体提供电光开关功能；

所述的EMCCD成像模块600中的第一EMCCD相机614和第二EMCCD相机622具有很高的像素数，极高的探测灵敏度，能够进行光子水平的极弱信号成像探测，可以为三维成像提供很好的横向分辨率，但是EMCCD本质上还是一种时间积分器件，不能实现高速门控，其本身不能提供高的时间分辨率。这里由电光晶体与其配合使用，有利于电光晶体的高速调制特性来提供时间-距离分辨。

所述的上位机700对EMCCD成像模块600采集到的两幅分别被cos²(θ/2)和sin²(θ/2)调制后的图像进行处理，由此计算出相位差θ，在根据距离与相位差之间的一一对应关系得到激光雷达与探测目标之间的距离，最终重构出目标场景的三维图像。

图2为本发明的高速电光调制技术工作原理示意图。首先，根据三角波调制信号持续时间确定激光雷达的成像距离范围(R₀～R₀+L)，这里的R₀为最近成像点，L为最近成像点与最远成像点之间的距离，因此(R₀+L)即为最远成像点。假设探测目标与最近成像点之间的距离为D，则激光雷达与探测目标之间的距离为

R＝R₀+D

对电光晶体时间线性调制电压V(t)，这样当线偏振光入射到晶体后被分解为两个相互垂直的偏振分量并产生相位差θ，其大小与施加在晶体上的电压有关，具体关系由下式给出。

θ = \frac{2 π}{λ} n_{o}^{3} γ_{63} V (t)

其中的λ为激光波长，n_o为晶体折射率，γ₆₃为晶体电光张量系数。电光晶体的线性调制电压V(t)由下式给出

V (t) = \frac{V_{π}}{T_{G}} t, (0 \leq t \leq T_{G})

其中T_G为调制电压持续时间，V_π为电光晶体的半波电压，半波电压的计算公式由下式给出

V_{π} = \frac{λ}{2 n_{o}^{3} γ_{63}}

于是就得到相位差θ与距离D之间的关系为

θ = π \cdot \frac{D}{L}, (0 \leq D \leq L)

通过偏振分光棱镜后，两路光束的光强与相位差θ之间的关系分别为

\{\begin{matrix} I_{X} = I_{R E C} c o s^{2} (\frac{θ}{2}) \\ I_{Y} = I_{R E C} \sin^{2} (\frac{θ}{2}) \end{matrix}

其中I_REC为激光回波信号光强，I_X和I_Y分别为两路EMCCD成像模块探测到的光强，根据EMCCD的灰度值即可实现距离D的重建。

D = \frac{2 L}{π} \arctan (\sqrt{\frac{I_{Y}}{I_{X}}})

最后即可得到探测目标与激光雷达系统之间的距离。

R = R_{0} + \frac{2 L}{π} \arctan (\sqrt{\frac{I_{Y}}{I_{X}}})

另外，由两路光束的光强计算公式可知，两路EMCCD的灰度值相加等于激光雷达系统接收到的回波信号光强，也就是说，两路EMCCD的灰度值相加可得到探测目标的强度图像。

I_X+I_Y＝I_REC

本发明根据EMCCD相机和ICCD相机不同的光电转换机理提出了利用EMCCD代替ICCD的方案，成像信号由第一EMCCD相机614和第二EMCCD相机622直接完成光->电一次转换，省去了ICCD成像中光->电->光->电的多重转换过程，极大地提高了信噪比。同时，一次转换直接成像也减少了像素间的耦合，极大地提高了图像的横向分辨率；

利用第一EMCCD相机614和第二EMCCD相机622同时成像，通过第一电光晶体520高速电光调制结合偏振分光棱镜530，进而能够对图像上像素点的距离信息进行快速提取，仅发射一次激光脉冲并采集一帧图像即可实现三维图像的重建，具备“闪光”成像的能力，能够满足高动态目标探测成像的需要。

通过调整主控电路模块中的调制信号宽度(图2中的V(t)信号，实质上是延长接收激光回波信号的时长)，可以动态地调整激光雷达的有效成像距离L，进而提高三维图像重建的分辨率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于电光晶体调制的三维成像激光雷达系统，其特征是：该激光雷达系统包括主控电路模块(100)、激光照明模块(200)、激光发射光学系统(300)、激光接收光学系统(400)、高速电光调制模块(500)、EMCCD成像模块(600)和上位机(700)；

其中，所述的主控电路模块(100)包括激光器外部触发信号发生器(110)、高速电光调制信号发生器(120)和EMCCD相机外部触发信号发生器(130)；所述的激光照明模块(200)包括激光器电源(210)和固体激光器(220)；该固体激光器产生的激光脉冲信号经由激光发射光学系统(300)发射，之后被目标散射后形成激光回波信号，该激光回波信号由激光接收光学系统(400)接收；所述的高速电光调制模块(500)包括第一线偏振片(510)、第一电光晶体(520)和偏振分光棱镜(530)，接收的所述激光回波信号经所述第一线偏振片(510)后被所述第一电光晶体(520)调制为偏振方向相互垂直且具有相位差的两束偏振分量，所述偏振分光棱镜(530)将调制后的所述激光回波信号分为两路，这两路信号同时被EMCCD成像模块(600)接收；所述的EMCCD成像模块(600)包括第一通道成像模块(610)和第二通道成像模块(620)，用于分别接收所述两路信号并采集成像；所述第一通道成像模块(610)包括第二线偏振片(611)、第二电光晶体(612)、成像透镜(613)和第一EMCCD相机(614)，第二通道成像模块包括成像透镜(621)和第二EMCCD相机(622)；所述第一通道成像模块(610)和第二通道成像模块(620)分别采集到的两幅图像被传输至上位机(700)，上位机对这两幅图像进行处理，根据两幅图像对应像素的灰度比值获得调制信号的时间信息，进而反演出目标的距离信息，由此重构出目标场景的三维图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述的激光器外部触发信号发生器(110)产生的方波信号，脉冲重复频率变化范围为1Hz～20Hz；所述的高速电光调制信号发生器(120)产生的调制信号，单调递增三角波的持续时间范围为0.1us～5us、重复频率变化范围为1Hz～20Hz；所述的EMCCD相机外部触发信号发生器(130)产生的方波信号，脉冲宽度可调范围为0.1us～5us、脉冲重复频率变化范围为1Hz～20Hz；激光器外部触发信号发生器(110)、高速电光调制信号发生器(120)和EMCCD相机外部触发信号发生器(130)产生的信号延迟可调整。

3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征是：所述的激光发射光学系统(300)包括光学发射透镜和均化片，用于目标场景的均匀照明和光束发散角的控制。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述的第一线偏振片(510)的偏振方向与所述固体激光器(210)的偏振方向平行，所述的第一电光晶体(520)根据高速电光调制信号发生器(120)产生的调制信号将透过第一线偏振片(510)的线偏光转换为偏振方向相互垂直且相位差与调制信号幅值成正比的两束偏振分量，所述的偏振分光棱镜(530)将两束偏振方向相互垂直且存在相位差的偏振分量分离出来。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述的EMCCD成像模块(600)中的第一通道成像模块(610)和第二通道成像模块(620)分别采集偏振分光棱镜(530)分离出来的两束偏振分量，所述第二线偏振片(611)与第一线偏振片(510)的偏振方向相互垂直，第二线偏振片(611)和第二电光晶体(612)的作用相当于一个电光开关，由主控电路模块(120)提供开关控制信号；而第二通道成像模块(620)通过借助于第一电光晶体(520)和偏振分光棱镜(530)，使所述第二通道成像模块具备电光开关的能力。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述的激光接收光学系统(400)包括接收望远镜(410)、准直透镜(420)和窄带滤光片(430)；所述接收望远镜(410)接收到的所述激光回波信号，经所述准直透镜(420)准直后，进入所述窄带滤光片430进行滤光。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述的激光器外部触发信号发生器(110)产生的外触发信号用于触发固体激光器(220)输出激光脉冲，所述的高速电光调制信号发生器(120)产生的信号用于控制第一电光晶体(520)从而实现电光调制，所述的EMCCD相机外部触发信号发生器(130)产生的触发信号用于触发第一EMCCD相机(614)和第二EMCCD相机622的曝光并控制曝光时间。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述上位机根据下式得到目标的距离信息：

R = R_{0} + \frac{2 L}{π} \arctan (\sqrt{\frac{I_{Y}}{I_{X}}})

其中，R为所述三维成像激光雷达系统与目标之间的距离，R₀为最近成像点；L为最近成像点与最远成像点之间的距离；I_X和I_Y分别为第一通道成像模块和第二通道成像模块探测到的两路信号的光强。

9.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征是：所述两路信号的光强与所述相位差之间的关系为：

\{\begin{matrix} I_{X} = I_{R E C} \cos^{2} (\frac{θ}{2}) \\ I_{Y} = I_{R E C} \sin^{2} (\frac{θ}{2}) \end{matrix}

其中，θ为所述两束偏振分量的相位差。