CN108663687B - 基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达及探测方法，包括线光源、透镜，面阵相机，计算分析单元，线光源照亮的平面、透镜面、面阵相机平面三个平面交于一条线；当线光源照亮平面上出现障碍物时，光被障碍物反射，反射光经过透镜成像在面阵相机相应位置，像的形状为障碍物被线光源照亮的轮廓，通过像的位置计算出相对应的物的位置。本发明相当于多点同时并行探测，能够对物面出现的障碍物、气溶胶分子等成像，瞬时计算出所有被照亮物体的位置与轮廓信息，可以应用到各种测距与空间探测等环境。

Description

基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达及探测方法

技术领域

本发明属于雷达探测领域，特别涉及一种基于面阵相机、线光源的光面成像激光雷达及探测方法。

背景技术

激光雷达是一种先进的测距手段，测量速度快，数据精度高，实时性好，并且可以通过旋转扫描的方式获得同一平面上一定角度内的障碍物信息，通过俯仰调节搭配旋转扫描对整个空间进行扫描，实现三维空间重构。

传统的激光雷达通过飞行时间法或相位法来获得单个方向角上障碍物的距离信息。飞行时间法测量的是激光脉冲发射与接收的时间差，再乘以光速得到距离信息。相位法调制激光输出，通过比较发射光与接收光的相位差，换算出距离信息。为了得到更多角度上障碍物的距离信息，一般通过电机旋转扫描的方式；为了提高扫描速率，一般通过增加激光器，即多线程多通道同时扫描，如国际上最领先的64线同时扫描，国内也有公司做到32线同时扫描。但多线旋转扫描的方式对系统稳定性、电机角度稳定性、激光器性能等要求很高，导致整套系统成本过高。

针对传统激光雷达的以上问题，提出了一种基于面阵相机、线光源的光面成像激光雷达及探测方法。当被摄物面、透镜面与成像面三个面交于一条直线并成一定角度时，成像面可以获得被摄物面全面清晰的影像。物面每个点都可以与像面一一对应，因而可以通过像的位置推测物的位置。当使用线光源对物面进行照明时，若物面上没有障碍物，则像面上无信号产生。当物面上出现障碍物时，像面上相应位置会出现信号，然后根据物面与像面的对应关系，获得障碍物位置和轮廓。

发明内容

1、发明目的。

本发明针对现有基于飞行时间与扫描式的激光雷达结构复杂，稳定性要求高，扫描速率低，造价昂贵等问题，提出了一种基于面阵相机、线光源光面成像激光雷达及探测方法。

2、本发明所采用的技术方案。

本发明提出的一种基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达，包括线光源，透镜，面阵相机，计算分析单元，线光源照亮的平面、透镜面、面阵相机平面三个平面交于一条线；当线光源照亮平面上出现障碍物时，光被障碍物反射，反射光经过透镜成像在面阵相机相应位置，像的形状为障碍物被线光源照亮的轮廓，通过像的位置计算出相对应的物的位置。

更进一步具体实施方式中，所述的光源、透镜、面阵相机的摆放角度符合成像公式：像面位置由透镜面与物面夹角a，透镜中心距三面交线距离L以及透镜焦距f决定，像面与物面夹角b可以由以下公式求出：

u＝sin a·X_obj

h_o＝cos a·X_obj-L

其中，X_obj为障碍物在物面上离物面、透镜面、像面三面交线的距离；

通过调节a、L、f三个参数，可以调节激光雷达测距与空间探测范围。

更进一步具体实施方式中，还包括滤波片位于透镜和物面之间，透镜的前方。

更进一步具体实施方式中，所述的滤波片为带通滤波片。

更进一步具体实施方式中，所述的线光源为激光光源或LED光源。

更进一步具体实施方式中，所述的线光源由点光源经过线形激光发生透镜产生，或通过多束激光形成一个平面产生。

更进一步具体实施方式中，所使用的透镜普通透镜、消色差透镜或自动变焦镜头。

更进一步具体实施方式中，所使用的面阵相机为单色面阵相机或RGB三色面阵相机，CCD面阵相机或CMOS面阵相机。面阵相机也可以换成数个线阵相机组成的结构。

本发明提出的一种基于线光源以及面阵相机的光面成像激光探测方法，具体为：

步骤1、线光源照亮的平面、透镜面、面阵相机平面三个平面交于一条线；参数a、f、L根据具体探测目标确定。参数b以由以下公式求出：

u＝sin a·X_obj

h_o＝cos a·X_obj-L

其中，X_obj为障碍物在物面上离物面、透镜面、像面三面交线的距离；

步骤2、当线光源照亮平面上出现障碍物时，光被障碍物反射，反射光经过透镜成像在面阵相机相应位置，像的形状为障碍物被线光源照亮的轮廓；

步骤3、面阵相机的输出信号被传送至计算分析单元进行数据处理。

更进一步优选的实施方式中，在物面选取呈长方形的四个点a，b，c，d，长方形的长为m，宽为n；根据四个点所成的像a’，b’，c’，d’在面阵相机的位置，微调a、L、f三个参数，使得物面的点与像面的点达到匹配；对于物面上的点(X_obj,Y_obj,0)，其像面上对应的点(x,y,z)符合以下公式：

x＝-sin a·v+cos a(h₁+L)

z＝cos a·v+sin a(h₁+L)

其中，

u＝sin a·X_obj

h_o＝cos a·X_obj-L

经过校正训练后，计算分析单元匹配像面点对应的物面位置并输出数据。

3、本发明所产生的技术效果。

(1)本发明采用线形光源进行光面成像，结合线光源照亮的平面、透镜面、面阵相机平面三个平面交于一条线的结构，可以实现快速扫描，本发明相当于多点同时并行探测，相对于现有技术中的单点扫描，效率提升千倍以上；不但扫描速度提高，同时成像的速度及准确率也大幅提升。

(2)本发明由于使用了成像系统进行测距与空间探测，而不是电机扫描结构，精简了系统，提高了系统稳定性，延长了系统寿命。

(3)本发明对电路及器件要求较低，极大地降低了成本。

(4)本发明能够对物面出现的障碍物、气溶胶分子等成像，瞬时计算出所有被照亮物体的位置与轮廓信息，该系统可以应用到各种测距与空间探测等项目中去。

附图说明

图1是一种产生线光源的方法。左上角为线形激光发生透镜。右上角为激光产生线形激光时沿xz平面方向的示意图。右下角为激光产生线形激光时沿xy平面方向的示意图。

图2基于面阵相机、线光源的光面成像激光雷达装置结果示意图，系统由线光源1，滤波片2，透镜3，面阵相机4，计算分析单元5组成。线光源1对物面进行照明，反射的光经过滤波片2滤波后，被透镜3接收并在面阵相机4上成像。对物面上平行于三面交线的线L₁…L_n，它们在面阵相机上成像的位置分别为L’₁…L’_n。若物面上没有障碍物，则像面上无信号产生。当物面上出现障碍物，如L_n线上出现三个障碍物时，像面上相应位置会出现信号，从而指示障碍物位置和轮廓。

图3为系统的侧视图，用以说明系统测距的原理。为简单起见，只描述物面上一条线的情况。从图中可以看出，像面由近及远都被成像到像面面阵相机上。像面与物面夹角b由透镜面与物面夹角a，透镜中心距三面交线距离L以及透镜焦距f决定。三个变量根据激光雷达具体探测范围来确定。物面其他位置的像可通过连接物与透镜中点并延长，在与像面交点处找到像的位置。

图4为实施例1时，系统的俯视图。如排布成长方形的a，b，c，d四个点，分别成像到面阵相机的a’，b’，c’，d’上。

图5为实施例1时，沿x轴，面阵相机上像素点与物面x轴方向距离满足的关系。

图6为实施例2时的系统斜视图。物面上的三个气溶胶分子在面阵相机上被观察到。

具体实施方式

如图1所示，本发明线光源1可以为激光光源，也可以为LED光源等。线光源的一种产生方法是由点光源可经过线形激光发生透镜(也称为鲍威尔棱镜)产生。其效果是在一个维度上以扇形发散一束准直光产生一个光面。本发明所使用的滤波片2为带通滤波片，透过中心波长为选用的线光源波长，透过率不小于10％；OD(光密度)值不小于4；滤波片的参数可以但不限于本文档所列出的参数。本发明所使用的透镜3普通透镜、消色差透镜或自动变焦镜头等。本发明所使用的面阵相机4为单色面阵相机或RGB三色面阵相机等。本发明所使用的面阵相机，包括但不限于CCD面阵相机和CMOS面阵相机。

实施例1

图2是本发明专利的基于面阵相机、线光源的光面成像激光雷达装置结构示意图，图3是侧视图，图4是实施例1时的俯视图，图5是实施例1时，沿x轴，面阵相机上像素点与物面x轴方向距离满足的关系。线光源1(405nm二极管激光器，300mW，扇角150°，发散角1mrad)出射的光照亮物面。物面上的三个障碍物被反射的光经过滤波片2后，由透镜3(焦距60mm)成像到阵列相机4(1088×2048个像素点，单个像素点尺寸5.5μm×5.5μm)上。透镜3与线光源1呈的夹角为90°。透镜3与面阵相机4呈的夹角为31°。透镜3中点到物面距离为10cm。该系统探测距离为200米，可以作为无人车车载激光雷达使用。

本发明所采用的测距方法之一，可根据像面上已知位置的a，b，c，d四个点，及其在面阵相机上呈现a’，b’，c’，d’四个点，可以标定像素点与物面位置的关系。从图4俯视图方向看，沿x轴，面阵相机像素点与物面x轴方向距离满足如图5的关系；像素点y轴与物面y轴满足成像关系。

实施例2

激光雷达通过探测大气气溶胶的后向散射信号可以监测汽车尾气，垃圾焚烧产生的烟雾，工业污染排放，PM2.5污染等应用领域。还可以利用监测气溶胶的流动测量整片区域的风速。气溶胶监测还广泛应用于工业、农业、医药等领域。图6是本发明专利在空间气溶胶检测中的应用。物面上三个气溶胶分子反射照明光，经过滤波片2后，由透镜3(焦距75mm)成像到阵列相机4(1088×2048个像素点，单个像素点尺寸5.5μm×5.5μm)上，形成三个亮点。透镜3与线光源1呈的夹角为90°。透镜3与面阵相机4呈的夹角为37°。透镜3中点到物面距离为10cm。该系统探测距离为20米，可以作为空气中气溶胶分子位置探测使用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达，包括透镜(3)，面阵相机(4)，计算分析单元(5)，其特征在于：还包括线光源(1)光面成像，线光源照亮的平面、透镜面、面阵相机平面三个平面交于一条线；当线光源照亮平面上出现障碍物时，光被障碍物反射，反射光经过透镜(3)成像在面阵相机(4)相应位置，像的形状为障碍物被线光源照亮的轮廓，通过像的位置计算出相对应的物的位置；

所述的线光源(1)、透镜(3)、面阵相机(4)的摆放角度符合成像公式：像面位置由透镜面与物面夹角a，透镜中心距三面交线距离L以及透镜焦距f决定，像面与透镜面夹角b可以由以下公式求出：

，

其中，X_obj为障碍物在物面上离物面、透镜面、像面三面交线的距离；

通过调节a、L、f三个参数，可以调节激光雷达测距与空间探测范围。

2.根据权利要求1所述的基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达，其特征在于：还包括滤波片（2）位于透镜（3）和物面之间，透镜（3）的前方。

3.根据权利要求2所述的基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达，其特征在于：所述的滤波片（2）为带通滤波片。

4.根据权利要求1所述的基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达，其特征在于：所述的线光源（1）为激光光源或LED光源。

5.根据权利要求4所述的基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达，其特征在于：所述的线光源的一种产生方式是由点光源经过线形激光发生透镜产生；所述的线光源的另一种产生方式是通过多束激光形成一个光面。

6.根据权利要求1所述的基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达，其特征在于：所使用的透镜（3）可以为普通透镜、消色差透镜或自动变焦镜头。

7.根据权利要求2所述的基于线光源以及面阵相机的光面成像激光雷达，其特征在于：所使用的面阵相机（4）为单色面阵相机或RGB三色面阵相机，CCD面阵相机或CMOS面阵相机或数个线阵相机组成的结构组成的面阵相机。

8.一种基于线光源以及面阵相机的光面成像激光探测方法，其特征在于：

步骤1、线光源照亮的平面、透镜面、面阵相机平面三个平面交于一条线；参数a、f、L根据具体探测目标确定，参数b通过以下公式确定：

；

步骤2、当线光源（1）照亮平面上出现障碍物时，光被障碍物反射，反射光经过透镜（3）成像在面阵相机（4）相应位置，像的形状为障碍物被线光源照亮的轮廓；

步骤3、面阵相机（4）的输出信号被传送至计算分析单元（5）进行数据处理。

9.根据权利要求8所述的基于线光源以及面阵相机的光面成像激光探测方法，其特征在于：在物面选取呈长方形的四个点a，b，c，d，长方形的长为m，宽为n；根据四个点所成的像a’，b’，c’，d’在面阵相机的位置，微调a、L、f三个参数，使得物面的点与像面的点达到匹配；对于物面上的点（X_obj, Y_obj ,0），其像面上对应的点（x,y,z）符合以下公式：

，

其中，

，

经过校正训练后，计算分析单元匹配像面点对应的物面位置并输出数据。