CN108387907A - 闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统和方法，该方法所采用的装置包括：仿真计算机、粗控延时器、激光器、耦合光纤、分束器、能量调制模块、精控延时模块、激光雷达目标点源生成计算机、图像转换模块、图像复合器和光学投影模块组成。本发明将回波信号不同模拟精度的部分进行分离，即激光雷达和目标的距离由粗控延时模拟，目标在距离维度的细节表现由精控延时模拟。每一个切片是二维的，表征了目标在该距离下的回波图像。将传统空间域所需的与像元数匹配的M×N个通道数量减少为时间域的K个通道。在空间上采用微光学器件能够满足高分辨率和高集成度，且结构更紧凑。

Description

闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统和方法
技术领域
本发明涉及一种激光雷达回波信号模拟系统，特别是涉及一种闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统。
背景技术
激光雷达已开始广泛应用于地理遥感、地质监测、无人驾驶、无人机、家用电气等国民经济各领域。尤其是闪光式激光雷达没有扫描机构，可以对目标一次抓拍成像，经过图像处理生成“角度—角度—距离”或“坐标X—坐标Y—距离Z”的三维图像。为了能够在实验室内模拟激光雷达发射光波与目标作用后的回波信号，使闪光式激光雷达“看”到一幅三维图像，假设激光雷达有M×N个像素，要完全模拟激光雷达的回波信号则需要M×N个通道，即每个通道需要延时精确控制和能量精确衰减的模拟。随着高速APD阵列探测器的发展，闪光式激光雷达成像像素规模不断增加，导致回波信号模拟的难度也越来越大，所需通道数量与阵列规模成正比，回波信号模拟的成本急剧增加。如果将三维目标沿距离维进行切片，时间切片的间距由精控延时模拟，每个切片的图案由微快门阵列器件模拟，激光雷达到目标的距离由粗控延时模拟，将传统二维空间域所需的与像元数匹配的M×N个通道数量减少为时间域的K个通道(K是正整数，且K<<M×N)即可近似模拟激光雷达的回波信号。为此本发明提出一种新型闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统和方法。
根据本发明提供的一种闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟方法，包括：
将三维目标沿距离维进行切片，时间切片的间距由精控延时模拟，每个切片的图案由微快门阵列器件模拟，激光雷达到目标的距离由粗控延时模拟，通过时间域的K个通道，近似模拟激光雷达的回波信号。
优选地，按照距离维度，将不同模拟精度的部分进行分离，即激光雷达和目标的距离由粗控延时模拟，目标在距离维度的细节表现由精控延时模拟；每一个切片是二维的，表征了目标在该距离下的回波图像；空域上：通过多个微快门阵列器件，满足激光雷达对回波图像模拟的空间分辨率要求；时域上：对与微快门阵列器件相对应的通道在时间维进行切片或精确延时，实现图像序列在时间维的模拟。
根据本发明提供的一种闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统，包括：仿真计算机、粗控延时器、激光器、耦合光纤、分束器、能量调制模块、精控延时模块、激光雷达目标点源生成计算机、图像转换模块、图像复合器、光学投影模块；
来自被测激光雷达的时钟同步信号或触发信号通过电缆传输至仿真计算机、能量调制模块、激光雷达目标点云生成计算机、精控延时模块、图像转换模块；仿真计算机通过计算机板卡接口或电缆与粗控延时器连接；粗控延时器通过电缆与激光器连接；激光器发出的激光经耦合光纤与分束器连接；分束器将激光信号进行K路分束，并通过光纤与衰减器连接，衰减器输出的激光信号仍经过光纤传输进入精控延时器，精控延时器输出激光信号再次进入光纤并经光纤准直器准直输出，每一路经过准直的激光信号由K个微快门阵列调制，经图像复合器进行图像的复合，由光学投影模块进行图像的空间准直输出，与激光雷达光学系统匹配。
优选地，能量控制模块包括衰减器和能量调制驱动器；仿真计算机发出的控制信号通过电缆传输到能量驱动器，激光雷达目标点源生成计算机的控制信号通过电缆传输到能量驱动器；能量调制驱动器通过电缆输出的驱动信号控制每个衰减器的衰减量。
优选地，精控延时模块包括精控延时驱动器和精控延时器；来自激光雷达目标点云生成计算机的信号通过电缆传输至精控延时驱动器，精控延时驱动器的驱动信号通过电缆控制每一路精控延时器。
优选地，图像转换模块包括微快门阵列驱动、K个微快门阵列、K路光纤准直器；微快门阵列驱动器通过电缆从激光雷达目标点云生成计算机获取数字图像信号，转换为微快门阵列的驱动信号，通过电缆控制每个微快门阵列。
优选地，
所述的粗控延时器是电延时芯片或板卡；
所述的激光器是调Q激光器或增益开关式的连续运转激光器，激光器的运转波长与激光雷达的发射和接收激光波长一致；
所述的精控延时器选用光纤延时线；
所述的微快门阵列选用MEMS器件；
所述的图像复合器选用微棱镜阵列或微透镜阵列等器件，将微快门阵列调制后的信号进行空间的复合。
优选地，当激光雷达发射机发射一个脉冲的同时会产生一个触发信号，仿真计算机进行解算获得激光雷达和目标的相对距离确定粗控延时量，该触发信号经过粗控延时器相应的电延时后触发激光器；激光器输出一个激光脉冲信号，由耦合光纤经分束器均分为K路，对每一路通过控制衰减器对光信号进行能量的衰减；
激光雷达发射一个脉冲的同时，激光雷达目标点云生成计算机对这一帧回波信号点云数据按时间细分为K个切片图像，解算出每个通道的能量控制信息，同时N个切片图像的时间差用时间精控延时模块控制激光脉冲延时时间；衰减器和精控延时器的驱动信号分别来自于能量调制驱动器和精控延时驱动器，控制信号由激光雷达目标点云生成计算机和仿真计算机的模型解算获得；
K路输出的光脉冲分别经过K个光纤准直器均匀照射到K个微快门阵列；其中每个微快门阵列具有M×N的像元，并由微快门阵列驱动器驱动；按照对应序列对切片图像加载；K个脉冲按照精确延时依次抵达，先后生成的图像经过图像复合器使激光雷达能够按照既定的时间序列接收到来自同一方向的图像序列；图像复合器的输出需要经过光学投影模块准直后与被测激光雷达的光学系统进行匹配；激光雷达就能够根据接收的图像序列，进行处理后生成一帧具有M×N×K像元的3D图像。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明采用延时粗控和精控及时间切片技术相结合，将传统空间域所需的与像元数匹配的M×N个通道数量减少为时间域的K个通道。在空间上采用微光学器件能够满足高分辨率和高集成度，且结构更紧凑。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是新型闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统原理图。
图2是图像序列与激光雷达探测到的3D图像示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提出了一种新型闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟装置，原理如图1所示：所述闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟装置，包括：仿真计算机2、粗控延时器3、激光器5、耦合光纤6、分束器7、能量调制模块8、精控延时模块12、激光雷达目标点源生成计算机11、图像转换模块18、图像复合器19、光学投影模块20；
来自被测激光雷达的时钟同步信号或触发信号1通过电缆传输至仿真计算机2、能量调制模块8、激光雷达目标点云生成计算机11、精控延时模块12、图像转换模块18；仿真计算机2通过计算机板卡接口或电缆与粗控延时器3连接；粗控延时器3通过电缆与激光器5连接；激光器5发出的激光经耦合光纤6与分束器7连接；分束器7将激光信号进行K路分束，并通过光纤与衰减器9连接，衰减器9输出的激光信号仍经过光纤传输进入精控延时器13，精控延时器13输出激光信号再次进入光纤并经光纤准直器16准直输出，每一路经过准直的激光信号由K个微快门阵列17调制，经图像复合器19进行图像的复合，最后由光学投影模块20进行图像的空间准直输出，与激光雷达光学系统匹配。
能量控制模块8包括衰减器9和能量调制驱动器10；仿真计算机2发出的控制信号通过电缆传输到能量驱动器10，激光雷达目标点源生成计算机11的控制信号通过电缆传输到能量驱动器10；能量调制驱动器10通过电缆输出的驱动信号控制每个衰减器9的衰减量。
精控延时模块12包括精控延时驱动器14和精控延时器13；来自激光雷达目标点云生成计算机11的信号通过电缆传输至精控延时驱动器14，精控延时驱动器14的驱动信号通过电缆控制每一路精控延时器13。
图像转换模块18包括微快门阵列驱动15、K个微快门阵列17、K路光纤准直器16；微快门阵列驱动器15通过电缆从激光雷达目标点云生成计算机11获取数字图像信号，转换为微快门阵列的驱动信号，通过电缆控制每个微快门阵列17。
所述的粗控延时器3可以是电延时芯片或板卡。
所述的激光器5是调Q激光器或增益开关式的连续运转激光器，激光器的运转波长应当与激光雷达的发射和接收激光波长一致。
所述的精控延时器13可以选用光纤延时线。
所述的微快门阵列17可以选用MEMS器件例如数字微镜阵列、可变形镜，或液晶器件等光调制器。
所述的图像复合器19可以选用微棱镜阵列或微透镜阵列等器件，将微快门阵列17调制后的信号进行空间的复合。
工作过程如下：
当激光雷达发射机发射一个脉冲的同时会产生一个触发信号1，仿真计算机2进行解算获得激光雷达和目标的相对距离确定粗控延时量，该信号经过粗控延时器3相应的电延时后触发激光器5。激光器5输出一个激光脉冲信号，由耦合光纤6经分束器7均分为K路，对每一路通过控制衰减器9对光信号进行能量的衰减。
激光雷达发射一个脉冲的同时，激光雷达目标点云生成计算机11的模型对这一帧回波信号点云数据按时间细分为K个切片图像，解算出每个通道的能量控制信息，同时K个切片图像的时间差用时间精控延时模块12控制激光脉冲延时时间。衰减器9和精控延时器13的驱动信号分别来自于能量调制驱动器10和精控延时驱动器14，控制信号由激光雷达目标点云生成计算机11和仿真计算机2的模型解算获得。
K路输出的光脉冲分别经过K个光纤准直器16均匀照射到K个微快门阵列17。其中每个微快门阵列17具有M×N的像元，并由微快门阵列驱动器15驱动。按照对应序列对切片图像加载，请参阅图2并结合图1所示，第1个微快门阵列对应第1幅断层图像，第K个微阵列对应第K幅切片图像。K个脉冲按照精确延时依次抵达，由于K幅图像由K个微快门阵列17生成，空间上必定不重合，为此先后生成的图像经过图像复合器19使激光雷达能够按照既定的时间序列接收到来自同一方向的图像序列。图像复合器19的输出需要经过光学投影模块20准直后与被测激光雷达的光学系统进行匹配。激光雷达就能够根据接收的图像序列，进行处理后生成一帧具有M×N×K像元的3D图像。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟方法，其特征在于，包括：
将三维目标沿距离维进行切片，时间切片的间距由精控延时模拟，每个切片的图案由微快门阵列器件模拟，激光雷达到目标的距离由粗控延时模拟，通过时间域的K个通道，近似模拟激光雷达的回波信号。
2.根据权利要求1所述的闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟方法，其特征在于，按照距离维度，将不同模拟精度的部分进行分离，即激光雷达和目标的距离由粗控延时模拟，目标在距离维度的细节表现由精控延时模拟；每一个切片是二维的，表征了目标在该距离下的回波图像；空域上：通过多个微快门阵列器件，满足激光雷达对回波图像模拟的空间分辨率要求；时域上：对与微快门阵列器件相对应的通道在时间维进行切片或精确延时，实现图像序列在时间维的模拟。
3.一种闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统，其特征在于，包括：仿真计算机(2)、粗控延时器(3)、激光器(5)、耦合光纤(6)、分束器(7)、能量调制模块(8)、精控延时模块(12)、激光雷达目标点源生成计算机(11)、图像转换模块(18)、图像复合器(19)、光学投影模块(20)；
来自被测激光雷达的时钟同步信号或触发信号(1)通过电缆传输至仿真计算机(2)、能量调制模块(8)、激光雷达目标点云生成计算机(11)、精控延时模块(12)、图像转换模块(18)；仿真计算机(2)通过计算机板卡接口或电缆与粗控延时器(3)连接；粗控延时器(3)通过电缆与激光器(5)连接；激光器(5)发出的激光经耦合光纤(6)与分束器(7)连接；分束器(7)将激光信号进行K路分束，并通过光纤与衰减器(9)连接，衰减器(9)输出的激光信号仍经过光纤传输进入精控延时器(13)，精控延时器(13)输出激光信号再次进入光纤并经光纤准直器(16)准直输出，每一路经过准直的激光信号由K个微快门阵列(17)调制，经图像复合器(19)进行图像的复合，由光学投影模块(20)进行图像的空间准直输出，与激光雷达光学系统匹配。
4.根据权利要求3所述的闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统，其特征在于，能量控制模块(8)包括衰减器(9)和能量调制驱动器(10)；仿真计算机(2)发出的控制信号通过电缆传输到能量驱动器(10)，激光雷达目标点源生成计算机(11)的控制信号通过电缆传输到能量驱动器(10)；能量调制驱动器(10)通过电缆输出的驱动信号控制每个衰减器(9)的衰减量。
5.根据权利要求3所述的闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统，其特征在于，精控延时模块(12)包括精控延时驱动器(14)和精控延时器(13)；来自激光雷达目标点云生成计算机(11)的信号通过电缆传输至精控延时驱动器(14)，精控延时驱动器(14)的驱动信号通过电缆控制每一路精控延时器(13)。
6.根据权利要求3所述的闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统，其特征在于，图像转换模块(18)包括微快门阵列驱动(15)、K个微快门阵列(17)、K路光纤准直器(16)；微快门阵列驱动器(15)通过电缆从激光雷达目标点云生成计算机(11)获取数字图像信号，转换为微快门阵列的驱动信号，通过电缆控制每个微快门阵列(17)。
7.根据权利要求3所述闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统，其特征在于，
所述的粗控延时器是电延时芯片或板卡；
所述的激光器是调Q激光器或增益开关式的连续运转激光器，激光器的运转波长与激光雷达的发射和接收激光波长一致；
所述的精控延时器选用光纤延时线；
所述的微快门阵列选用MEMS器件；
所述的图像复合器选用微棱镜阵列或微透镜阵列等器件，将微快门阵列调制后的信号进行空间的复合。
8.根据权利要求3所述闪光式激光雷达回波信号物理图像模拟系统，其特征在于，当激光雷达发射机发射一个脉冲的同时会产生一个触发信号，仿真计算机进行解算获得激光雷达和目标的相对距离确定粗控延时量，该触发信号经过粗控延时器相应的电延时后触发激光器；激光器输出一个激光脉冲信号，由耦合光纤经分束器均分为K路，对每一路通过控制衰减器对光信号进行能量的衰减；
激光雷达发射一个脉冲的同时，激光雷达目标点云生成计算机对这一帧回波信号点云数据按时间细分为K个切片图像，解算出每个通道的能量控制信息，同时N个切片图像的时间差用时间精控延时模块控制激光脉冲延时时间；衰减器和精控延时器的驱动信号分别来自于能量调制驱动器和精控延时驱动器，控制信号由激光雷达目标点云生成计算机和仿真计算机的模型解算获得；
K路输出的光脉冲分别经过K个光纤准直器均匀照射到K个微快门阵列；其中每个微快门阵列具有M×N的像元，并由微快门阵列驱动器驱动；按照对应序列对切片图像加载；K个脉冲按照精确延时依次抵达，先后生成的图像经过图像复合器使激光雷达能够按照既定的时间序列接收到来自同一方向的图像序列；图像复合器的输出需要经过光学投影模块准直后与被测激光雷达的光学系统进行匹配；激光雷达就能够根据接收的图像序列，进行处理后生成一帧具有M×N×K像元的3D图像。
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