CN107202993B - 基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统，包括激光光源模块、级联声光扫描发射接收光学模块、多路高速激光探测模块、总控模块、上位机、电源模块。通过对激光回波信号的波形采样、分析、处理，提取目标的激光回波信号所反映出的回波信息，相对于传统的阈值甄别提取法，目标的激光回波信号提取方法更加智能，提升了系统的抗环境干扰能力，如雾霾、灰尘、伪装网遮蔽等，拓展了激光三维成像系统的适用范围。使用级联声光扫描器件，与传统机械扫描方式相比，具有偏转速度快、无机械振动、驱动控制方式灵活等优点，使激光三维成像系统在俯仰方向上分辨率灵活调节，可以实现对不同距离目标的不同分辨率探测。

Description

基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统

技术领域

本发明涉及激光三维成像技术领域，具体涉及基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统。

背景技术

激光三维成像技术能够实时感知周边环境的立体信息，具有成像速度快、有一定的作用距离和成像范围、测量精度高等优点，能够同时获得目标的距离、方位、相对运动速度等信息，在无人驾驶、机器视觉等领域广泛应用。现有无人驾驶、机器视觉的激光三维成像技术多在基于飞行时间测量原理的多线扫描激光雷达上应用，抗环境干扰能力弱，且作用距离较近，在俯仰方向上，其角分辨率固定，导致远距离目标分辨率低，不利于障碍物检测识别，极大得限制了该技术的应用，同时，也给无人驾驶车辆带来安全隐患。

为扩展激光三维成像技术的应用范围，需要提升现有激光三维成像系统的抗环境干扰能力、作用距离和角分辨率调节能力，增强激光三维成像技术的可靠性。为此，有必要对现有激光三维成像系统的探测和扫描方式进行改进

发明内容

为解决现有的技术问题，本发明提供基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统，包括激光光源模块、级联声光扫描发射接收光学模块、多路高速激光探测模块、总控模块、上位机、电源模块，

所述激光光源模块，为高重频脉冲激光器，为系统提供激光光源；

所述级联声光扫描发射接收光学模块，包括级联声光扫描驱动模块、级联声光扫描器件、发射光学系统、高精度扫描电机和接收光学系统；

所述的多路高速激光探测模块包括多路探测模块、多路高速并行采样模块和数据处理模块；

所述的总控模块包括FPGA主控芯片、激光器控制模块、级联声光扫描控制模块、扫描电机控制模块、数据采集模块和数据通信模块；

所述的总控模块的FPGA主控芯片控制激光器控制模块向高重频脉冲激光器周期性地输出触发脉冲，高重频脉冲激光器收到触发脉冲后，输出激光脉冲，激光脉冲分为两路，一路激光脉冲经过级联声光扫描器件，扫描出射，另一路激光脉冲输出至多路激光探测模块，形成激光出射起始时刻计时起点；FPGA主控芯片在控制输出触发脉冲的同时，控制所述的级联声光扫描控制模块输出控制指令至级联声光驱动模块，驱动级联声光扫描器件的激光的出射方向，FPGA主控芯片在每次控制输出触发脉冲的同时，改变级联声光扫描器件的驱动信号，实现激光出射方向的调整，从而实现激光俯仰方向的扫描；FPGA主控芯片在控制激光俯仰方向扫描的同时，通过扫描电机控制模块，控制高精度扫描电机带动发射光学系统在水平方向旋转，从而实现激光水平方向上的扫描；扫描出射的激光脉冲在接触到物体表面后，产生激光回波信号，激光回波信号被接收光学系统接收后,被多路激光探测模块探测，产生回波电信号，回波电信号被多路高速并行采样模块采集，再经过数据处理模块进行算法处理，得到目标的回波信息，结合激光出射起始时刻计时起点，得到激光回波信号的到达时刻，进而得到目标距离测量值；FPGA主控芯片控制数据采集模块采集目标距离测量值，在FPGA主控芯片完成数据采集后，数据通信模块将目标距离测量值、激光俯仰方向出射角度信息和高精度扫描电机反馈的激光水平方向出射角度信息的数据打包，上传至上位机进行处理，从而反演出周边环境的三维图像。

优选地，所述的高重频脉冲激光器为脉冲半导体激光器或者脉冲光纤激光器。

具体地，所述级联声光扫描驱动模块包括数字频率合成器DDS、信号放大模块，FPGA主控芯片通过级联声光扫描控制模块将并行的多路频率控制字分别发送至不同通道的数字频率合成器DDS，数字频率合成器DDS生成特定频率的正弦电信号，经信号放大模块分别放大后，传送至级联声光扫描器件。

具体地，所述级联声光扫描器件是利用声光偏转效应，通过快速改变通过声光晶体的声频率，使通过声光晶体的光束实现高速偏转，所述的级联声光扫描器件由多个声光扫描器件并行拼接而成，实现更大角度范围的扫描。

具体地，所述的发射光学系统包括由高精度扫描电机驱动的转镜，实现水平方向上的大范围扫描,扫描角度范围达到360°。

具体地，所述接收光学系统包括大视场短焦接收光学系统和滤光片。

具体地，所述多路探测模块为多元雪崩光电二极管或多元光电倍增管或多元单光子探测器。

具体地，所述多路高速并行采样模块为多路并行采样的高速AD采样电路。

本发明的基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统，通过对激光回波信号的波形采样、分析、处理，提取目标的激光回波信号所反映出的回波信息，相对于传统的阈值甄别提取法，目标的激光回波信号提取方法更加智能，提升了系统的抗环境干扰能力，如雾霾、灰尘、伪装网遮蔽等，拓展了激光三维成像系统的适用范围。

本发明使用级联声光扫描器件，与传统机械扫描方式相比，具有偏转速度快、无机械振动、驱动控制方式灵活等优点，使激光三维成像系统在俯仰方向上分辨率灵活调节，可以实现对不同距离目标的不同分辨率探测。传统的多线扫描三维成像激光雷达由于俯仰方向分辨率固定，通常对远距离目标探测时，俯仰方向上测量点稀疏，造成目标探测识别困难，该技术使激光三维成像系统具备对远距离目标的高分辨成像能力。

本发明基于多路高速激光探测模块进行多路并行扫描和探测的三维成像方式，有效提升了探测速率，容易实现高速率的探测；与现有的多线扫描探测的三维成像方式比，由于本发明的激光三维成像系统探测通道数量只需几个，代替原多线扫描探测技术的几十个甚至上百个通道，实现原多线扫描探测技术要求的几十甚至上百个通道才能达到的效果，降低了对激光功率和器件规模要求，具有成本低、功耗低的特点，在相同的激光功率下，具有成像距离远的优势。

附图说明

图1是本发明的激光三维成像系统的组成示意框图；

图2是本发明的激光三维成像系统的透反类介质环境下激光回波信号波形示意图；

图3是本发明激光三维成像系统的级联声光扫描控制模块、级联声光扫描驱动模块和级联声光扫描器件的结构关系和控制驱动过程示意图。

其中，A点为本发明实施例的激光三维成像系统成像目标(坦克)的激光回波信号尖峰位置。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应该以此限制本发明的保护范围。

本发明以某场合下的对物体的三维视频成像为实施例，采用重频为200KHz、脉宽为3ns的光纤激光器为光源，采用全波形采样技术结合滤波算法，实现雾霾环境三维成像，同时，采用级联声光扫描器件，实现扫描分辨率可调，实现对不同距离目标不同分辨率的三维成像。同时把全波形采样技术和级联声光扫描技术结合使用，能提升现有激光三维成像雷达的抗环境干扰能力、作用距离和角分辨率调节能力。

图1为本发明基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统，包括激光光源模块100、级联声光扫描发射接收光学模块200、多路高速激光探测模块300、总控模块400、上位机500、电源模块600；

激光光源模块100，为高重频脉冲激光器，根据作用距离需求不同，具体地高重频脉冲激光器可以为脉冲半导体激光器或者脉冲光纤激光器，本实施例中为脉冲光纤激光器，为系统提供激光光源，此激光器光源的重复频率可达几百～几千KHZ，体积小，电光效率高；

级联声光扫描发射接收光学模块200，包括级联声光扫描驱动模块201、级联声光扫描器件202、发射光学系统203、高精度扫描电机204和接收光学系统205；级联声光扫描驱动模块201包括数字频率合成器DDS、信号放大模块；级联声光扫描器件202是利用声光偏转效应，通过快速改变通过声光晶体的声频率，使通过声光晶体的光束实现高速偏转，级联声光扫描器件202由多个声光扫描器件并行拼接而成，实现更大角度范围的扫描，本实施例通过4路拼接，可使俯仰方向扫描角度范围达到30°,角分辨率可调，调节范围为0.1°～2°；发射光学系统203包括由高精度扫描电机204驱动的转镜，本实施例中，转镜包括发射透镜和光学反射镜；实现水平方向上的大范围扫描,扫描角度范围达到360°；接收光学系统205包括大视场短焦接收光学系统和滤光片，大视场短焦光学系统主要包括短焦距非球面光学凸透镜，如市购Thorlabs公司的ACL4532U非球面透镜；

多路高速激光探测模块300包括多路探测模块301、多路高速并行采样模块302和数据处理模块303；多路探测模块301可以为多元雪崩光电二极管或多元光电倍增管或多元单光子探测器，本实施例中为多元单光子探测器；所述多路高速并行采样模块302为多路并行采样的高速AD采样电路；

总控模块400包括FPGA主控芯片401、激光器控制模块402、级联声光扫描控制模块403、扫描电机控制模块404、数据采集模块405和数据通信模块406；FPGA主控芯片401通过级联声光扫描控制模块403将并行的多路频率控制字分别发送至不同通道的数字频率合成器DDS，数字频率合成器DDS生成特定频率的正弦电信号，经信号放大模块分别放大后，传送至级联声光扫描器件202，频率控制字代表激光俯仰方向的出射角度信息；

总控模块400的FPGA主控芯片401控制激光器控制模块402向高重频脉冲激光器周期性地输出触发脉冲，高重频脉冲激光器收到触发脉冲后，输出激光脉冲，激光脉冲分为两路，一路激光脉冲经过级联声光扫描器件202，扫描出射，另一路激光脉冲输出至多路激光探测模块301，形成激光出射起始时刻计时起点；FPGA主控芯片401在控制输出触发脉冲的同时，控制所述的级联声光扫描控制模块403输出控制指令至级联声光驱动模块201，驱动级联声光扫描器件202的激光的出射方向，FPGA主控芯片401在每次控制输出触发脉冲的同时，改变级联声光扫描器件202的驱动信号，实现激光出射方向的调整，从而实现激光俯仰方向的扫描；FPGA主控芯片401在控制激光俯仰方向扫描的同时，通过扫描电机控制模块404，控制高精度扫描电机204带动发射光学系统203在水平方向旋转，从而实现激光水平方向上的扫描；扫描出射的激光脉冲在接触到物体表面后，产生激光回波信号，激光回波信号被接收光学系统205接收后,被多路激光探测模块301探测，产生回波电信号，回波电信号被多路高速并行采样模块302采集，再经过数据处理模块303进行算法处理，得到目标的回波信息，结合激光出射起始时刻计时起点，得到激光回波信号的到达时刻，进而得到目标距离测量值；FPGA主控芯片401控制数据采集模块405采集目标距离测量值，在FPGA主控芯片401完成数据采集后，数据通信模块406将目标距离测量值、激光俯仰方向出射角度信息和高精度扫描电机204反馈的激光水平方向出射角度信息的数据打包，上传至上位机500进行处理，上位机500是实现系统指令下发、数据采集、数据处理和显示的模块，包含硬件平台和软件两部分，最后反演出周边环境的三维图像。电源模块600为系统提供工作电流。

图2为本发明的激光三维成像系统的雾霾环境下激光回波信号波形示意图，传统基于阈值甄别的信号提取方式会提取多个激光回波信号，导致激光三维成像系统在类似雾霾的透反类介质中使用时容易被干扰，本发明的激光三维成像系统可采集激光回波信号波形，通过对激光回波波形的算法分析，可得到最后一个尖峰脉冲激光回波信号的位置A点，图2中A点为本发明实施例的激光三维成像系统成像目标(坦克)的激光回波信号尖峰位置，去除了环境因素造成的干扰。

图3为本发明的激光三维成像系统的级联声光扫描控制模块403、级联声光扫描驱动模块201和级联声光扫描器件202的结构关系和控制驱动过程示意图，FPGA主控芯片401通过级联声光扫描控制模块403将并行的多路频率控制字分别发送至不同通道(n个不同通道)的数字频率合成器DDS(即是图3中的直接数字频率合成器1、直接数字频率合成器2......直接数字频率合成器n)，数字频率合成器DDS生成特定频率的正弦电信号，经信号放大模块(即是图3中的信号放大模块1、信号放大模块2......信号放大模块n)分别放大后，传送至级联声光扫描器件202，实现激光光束的扫描。

本实施例采用的器件有：重频为200KHz、脉宽为3ns的光纤脉冲激光器100；级联声光扫描器件202为AA.DTS.X-400；多路高速并行采样模块302采用高速12位AD采集芯片C6713；数据处理模块303和FPGA主控芯片401都采用时钟频率为40MHz的CycloneⅡ系列的EP2C8Q208I8芯片；USB数据通信模块406采用的器件为CYPRESS的C7Y68013A-AXC100，支持USB2.0协议，内嵌增强型的8051处理器。

结合图1，本实施例的激光三维成像系统的工作过程是：

步骤1、参数设置和器件准备：

编写FPGA主控程序并烧入FPGA主控芯片401，设置系统的初始状态：激光器控制模块402触发脉冲无输出，级联声光扫描控制模块403输出为0，总控模块400采用LVTTL电平；

步骤2、FPGA主控芯片401控制激光器控制模块402输出触发脉冲的，触发脉冲触发激光器输出激光脉冲，同时，FPGA主控芯片401通过级联声光扫描控制模块403将并行的多路频率控制字分别发送至不同通道的数字频率合成器DDS，DDS生成特定频率的正弦电信号，经信号放大模块分别放大后，传送至级联声光扫描器件202，利用声光偏转效应实现激光偏转角度的控制；在FPGA主控芯片401每次控制激光器控制模块402输出触发脉冲的同时，改变不同通道的数字频率合成器DDS的频率控制字，实现激光二维扫描的控制。

步骤3、多路高速并行采样模块302在接收到多路探测模块301探测到的激光出射起始信号后，开始进行高速采样，直至一个工作周期结束，得到激光回波信号的原始波形信息；

步骤4、数据处理模块303在接收到多路探测模块301探测到的激光出射起始信号后，开始时钟计数，在接收到多路高速并行采样模块302输出的激光回波信号后，通过算法，提取目标激光回波信号的下降沿，终止时钟计数，得到目标距离。

步骤5、USB数据通信模块406将测量得到的目标距离、设置的激光俯仰方向出射角度信息和高精度扫描电机反馈的水平方向激光出射角度信息数据打包，上传至上位机500进行处理。

步骤6、上位机500程序处理模块根据反馈信息分别计算激光在X、Y方向上的出射角，利用激光出射角和每个像点的距离，建立三维坐标系，从而反演出物体三维图像。由于激光器的重频为200KHz，级联声光扫描器件为4路，若图像的俯仰分辨率为64，则可实现10帧/s的帧频输出，水平角分辨率为5mrad，俯仰角分辨率为5.4mrad，作用距离达到200m，满足无人驾驶、机器视觉等领域的应用。

Claims (8)

1.基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统，其特征在于：所述系统包括激光光源模块(100)、级联声光扫描发射接收光学模块(200)、多路高速激光探测模块(300)、总控模块(400)、上位机(500)、电源模块(600)，

所述激光光源模块(100)，为高重频脉冲激光器，为系统提供激光光源；

所述级联声光扫描发射接收光学模块(200)，包括级联声光扫描驱动模块(201)、级联声光扫描器件(202)、发射光学系统(203)、高精度扫描电机(204)和接收光学系统(205)，所述级联声光扫描器件(202)特征在于声光扫描器件并行拼接，配合高速激光探测模块(300)实现俯仰角分辨率调节的并行扫描和探测；

所述多路高速激光探测模块(300)包括多路探测模块(301)、多路高速并行采样模块(302)和数据处理模块(303)，所述多路探测器模块(301)特征在于多路探测器模块(301)配合大视场接收光学系统(205)和级联声光扫描器件(202)实现多路并行扫描和探测；

所述多路高速激光探测模块(300)特征在于多路探测模块(301)采集激光回波信号的全波形，数据处理模块(303)完成波形分析、处理，提取目标的激光回波信号所反映出的回波信息；

所述的总控模块(400)的FPGA主控芯片(401)控制激光器控制模块(402)向高重频脉冲激光器周期性地输出触发脉冲，高重频脉冲激光器收到触发脉冲后，输出激光脉冲，激光脉冲分为两路，一路激光脉冲经过级联声光扫描器件(202)，扫描出射，另一路激光脉冲输出至多路激光探测模块(301)，形成激光出射起始时刻计时起点；FPGA主控芯片(401)在控制输出触发脉冲的同时，控制所述的级联声光扫描控制模块(403)输出控制指令至级联声光驱动模块(201)，驱动级联声光扫描器件(202)的激光的出射方向，FPGA主控芯片(401)在每次控制输出触发脉冲的同时，改变级联声光扫描器件(202)的驱动信号，实现激光出射方向的调整，从而实现激光俯仰方向的扫描；FPGA主控芯片(401)在控制激光俯仰方向扫描的同时，通过扫描电机控制模块(404)，控制高精度扫描电机(204)带动发射光学系统(203)在水平方向旋转，从而实现激光水平方向上的扫描；扫描出射的激光脉冲在接触到物体表面后，产生激光回波信号，激光回波信号被接收光学系统(205)接收后,被多路激光探测模块(301)探测，产生回波电信号，回波电信号被多路高速并行采样模块(302)采集，再经过数据处理模块(303)进行算法处理，得到目标的回波信息，结合激光出射起始时刻计时起点，得到激光回波信号的到达时刻，进而得到目标距离测量值；FPGA主控芯片(401)控制数据采集模块(405)采集目标距离测量值，在FPGA主控芯片(401)完成数据采集后，数据通信模块(406)将目标距离测量值、激光俯仰方向出射角度信息和高精度扫描电机(204)反馈的激光水平方向出射角度信息的数据打包，上传至上位机(500)进行处理，从而反演出周边环境的三维图像。

2.根据权利要求1所述的激光三维成像系统，其特征在于所述的高重频脉冲激光器为脉冲半导体激光器或者脉冲光纤激光器。

3.根据权利要求2所述的激光三维成像系统，其特征在于所述级联声光扫描驱动模块(201)包括数字频率合成器DDS、信号放大模块，FPGA主控芯片(401)通过级联声光扫描控制模块(403)将并行的多路频率控制字分别发送至不同通道的数字频率合成器DDS，数字频率合成器DDS生成特定频率的正弦电信号，经信号放大模块分别放大后，传送至级联声光扫描器件(202)。

4.根据权利要求3所述的激光三维成像系统，其特征在于所述级联声光扫描器件(202)是利用声光偏转效应，通过快速改变通过声光晶体的声频率，使通过声光晶体的光束实现高速偏转，所述的级联声光扫描器件由多个声光扫描器件并行拼接而成，实现更大角度范围的扫描。

5.根据权利要求4所述的激光三维成像系统，其特征在于所述的发射光学系统(203)包括由高精度扫描电机(204)驱动的转镜，实现水平方向上的大范围扫描,扫描角度范围达到360°。

6.根据权利要求5所述的激光三维成像系统，其特征在于所述接收光学系统(205)包括大视场短焦接收光学系统和滤光片。

7.根据权利要求6所述的激光三维成像系统，其特征在于所述多路探测模块(301)为多元雪崩光电二极管或多元光电倍增管或多元单光子探测器。

8.根据权利要求7所述的激光三维成像系统，其特征在于所述多路高速并行采样模块(302)为多路并行采样的高速AD采样电路。