CN109298409A - 声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达及其成像方法 - Google Patents

声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达及其成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达及其成像方法。对传统的二维激光测距雷达加以改进，将声光扫描与机械扫描相集合，利用激光三角测距的办法实现在较小探测距离条件下的三维成像扫描。雷达由旋转检测机构、过孔导电滑环、电机和固定底座等组成，电机输出轴与过孔导电滑环转子配合后再驱动旋转检测机构全周转动，通过采集被扫描点的角度与距离信息，获得该点的三维坐标，最终实现三维成像。本发明解决了声光扫描的小视场问题，同时打破了传统机械扫描雷达的惯性局限。

Description

声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达及其成像方法
技术领域
本发明属于雷达成像领域，具体涉及一种声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达及其成像方法。
背景技术
激光雷达是以激光器为辐射源，将激光技术同传统的微波雷达技术结合在一起的新型雷达。激光光源与传统辐射源相比在单色性、准直性方面有着巨大的优势，具有较高的分辨率，较强的抗干扰能力以及很高的灵敏度。根据发射波形和数据处理方式，可以将激光雷达分为脉冲激光雷达、脉冲压缩激光雷达、连续波激光雷达、动目标显示激光雷达、脉冲多普勒激光雷达等。激光测距雷达是简化的激光雷达，以此为基础，配置方位与俯仰角测量装置和激光目标跟踪装置等构成一个较为完善的探测雷达。目前来说，激光成像雷达是激光雷达技术的一个主要发展方向。
当前传统的激光测距雷达主要通过计算激光从光源到被测物体的飞行时间实现测距，结合激光器、光电探测器、测距电路以及驱动电机实现对四周环境的全方位扫描测距，获得雷达所在空间的二维平面点云图。高精度的激光三维成像雷达主要采用二自由度机械扫描的办法，调整两个相互配合的转镜的位置使得光束偏转，实现较大范围内高点密度三维扫描，但它的发展受其成像速度和质量体积问题的制约。目前解决三维机械扫描成像速度慢的办法有两个：一个是采用面阵或线阵探测器，另一个是使用非机械的三维成像手段。
非机械扫描技术主要包含电光扫描、液晶扫描、声光扫描等。超声波通过声光介质时引起介质的局部压缩和伸长而产生弹性应变，导致声光晶体的介质密度分布随超声波频率产生周期性变化，这种变化体现在介质密度分布的疏密上，形成一个光栅。光线通过声光晶体时发生衍射，衍射光线偏转角随着超声波频率变化的现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率变化的现象称为声光调制。
声光扫描作为一种无惯性扫描，利用一级衍射光的偏转扫描目标物体，不需要可动镜片来调整光束，扫描速率足够高。采用声光扫描原理的探测雷达具有可实时改变扫描范围、角度分辨率和扫描速度的优点，但扫描范围通常较小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达及其成像方法，解决声光扫描的小视场问题，同时打破传统机械扫描雷达惯性局限。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达，包括旋转检测机构、过孔导电滑环、电机和固定底座；电机设置在固定底座内，其输出轴向上伸出固定底座，先与过孔导电滑环的滑环转子内孔配合，再与旋转检测机构连接，驱动旋转检测机构进行全周转动。
一种声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达的成像方法，其成像步骤如下：
步骤1、上电开机，主控芯片向电机发出启动信号，电机驱动旋转检测机构转动，经过一个定时等待，使得转速稳定后的雷达具有稳定的机械扫描频率，之后，主控芯片从角速度传感器获取雷达旋转角度，得到某一时刻扫描点在平面上的角分布；
步骤2、旋转检测机构的转速稳定后主控芯片向激光器控制器发出信号，控制激光器输出激光，激光器的输出激光通过被数字频率合成器控制的声光偏转器，主控芯片同时控制数字频率合成器输出频率控制字信号至声光偏转器改变超声频率，使光线发生衍射，然后再从激光发射孔射出，产生的激光照射到扫描物体上；
步骤3、CCD相机采集目标物体的反光，利用激光测距三角形和角速度传感器所获取的角度信息获得扫描点的三维信息；
步骤4、CCD相机将所采集扫描点的三维信息传送到主控芯片中，主控芯片进行整合处理后，再经由数据传输器将数据传送到上位机。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)对传统激光扫描测距雷达加以改进即可实现三维成像，短距离条件下目标识别效果好。
(2)使用控制电路和声光器件可以更加准确快速地改变出射激光的衍射角度和扫描范围，提高成像速度和质量。
(3)与传统的机械扫描式三维成像雷达相比结构简单，工作寿命长。
(4)与采用面阵探测器的成像雷达相比，能够无死角扫描，成像精度高，实现成本低。
附图说明
图1为本发明声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达的结构示意图。
图2为本发明过孔导电滑环与电机轴的配合图，其中图(a)为侧向翻转后的剖视图，图(b)为图(a)的侧视图。
图3为本发明声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达的控制关系结构图。
图4为本发明产生布拉格衍射的声光效应示意图。
图5为本发明激光三角测距法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图2，本发明所述的声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达，对传统的二维激光测距雷达加以改进，将声光扫描与机械扫描相集合，实现在较小探测距离条件下的三维成像扫描。包括旋转检测机构1、过孔导电滑环2、电机3和固定底座4。电机3设置在固定底座4内，其输出轴向上伸出固定底座4，先与过孔导电滑环2的滑环转子内孔配合，再与旋转检测机构1连接，驱动旋转检测机构1进行全周转动。
所述旋转检测机构1包括壳体5、激光器6、声光偏转器7、CCD相机8、激光器控制器9和数字频率合成器10。在壳体5外侧壁上开有一个长条形凹槽，在槽的底面开设两个孔，分别为激光发射孔和接收孔，激光器6、声光偏转器7、CCD相机8、激光器控制器9和数字频率合成器10均固定在壳体5内，激光器控制器9与激光器6连接，数字频率合成器10与声光偏转器7连接，负责合成不同频率的超声波，进而产生不同衍射角的衍射光线。激光器6发出的激光经声光偏转器7衍射后从激光发射孔射出，CCD相机8通过接收孔接收光。激光器6、声光偏转器7、CCD相机8、激光器控制器9和数字频率合成器10的供电线路和控制信号线路分别与过孔导电滑环2的转子出线连接，电机3的输出轴自壳体5底面中心伸入壳体5，并与壳体5固连。
过孔导电滑环2设置在旋转检测机构1和固定底座4之间，不作为承重件，过孔导电滑环2的滑环转子与电机3的输出轴配合，定子与固定底座4连接。过孔导电滑环2利用其电刷的弹性压力与导电环环槽的滑动接触来传输信号及电流，从而把滑环转子和定子的出线连接起来。
固定底座4包括长方形壳体11、主控芯片(FPGA)12、角速度传感器13、数据传输器14和供电装置15。主控芯片12、角速度传感器13、数据传输器14和供电装置15均设置在长方形壳体11内，主控芯片12是整个声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达的控制中心，主控芯片12分别与角速度传感器13、数据传输器14、供电装置15和过孔导电滑环2的定子出线连接；角速度传感器13靠近电机3输出轴，实时获取其旋转角度；数据传输器14负责雷达和上位机间的信号传输；供电装置15为整个雷达提供稳定可靠的工作电压。
本发明通过过孔导电滑环2实现旋转机构1和固定底座4之间的供电与信号传送。
结合图3，一种声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达的成像方法，方法步骤如下：
步骤1、上电开机，主控芯片12向电机3发出启动信号，电机3驱动旋转检测机构1转动，经过一个定时等待，使得转速稳定后的雷达具有稳定的机械扫描频率。之后，主控芯片12从角速度传感器13获取雷达旋转角度，得到某一时刻扫描点在平面上的角分布。
步骤2、旋转检测机构1的转速稳定后主控芯片12向激光器控制器9发出信号，控制激光器6输出激光，激光器6的输出激光通过被数字频率合成器10控制的声光偏转器7，主控芯片12同时控制数字频率合成器10输出频率控制字信号至声光偏转器7改变超声频率，使光线发生衍射，然后再从激光发射孔射出，产生的激光照射到扫描物体上。
步骤3、CCD相机8采集目标物体的反光，利用激光测距三角形和角速度传感器13所获取的角度信息获得扫描点的三维信息。
步骤4、CCD相机8将所采集扫描点的三维信息传送到主控芯片12中，主控芯片12进行整合处理后，再经数据传输器14将数据传送到上位机中。
整个成像过程涉及声光效应和激光三角测距方法，对此作进一步说明：
控制产生声光效应的过程中，当入射光和超声波面间的夹角满足一定条件时，将产生布拉格衍射。通过声光介质的超声波频率Δfs引起光束偏转角的变化Δθ为：
其中λ为入射光波长，vs为超声波在声光介质里的传播速度，n为声光介质折射率。由此计算得到衍射光线偏转角，如下图4所示。
激光三角测距法通过CCD相机8上接收的被测信号解三角形，获得扫描点的横向距离和纵向高度。
激光三角测距法示意如图5所示，A和B是目标上两点，通过调整声光偏转器7中的超声频率，可以产生不同衍射角度的衍射光线。以光线OA和OB为例。CCD相机8接收反射光得到A1和B1成像点。解三角形OAM和三角形OBM得到A和B相对于发射孔的横向距离以及纵向高度。
综合上文，本发明所述的声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达的旋转检测机构1在电机3的驱动下实现全周范围的旋转扫描，在旋转检测机构1旋转的同时快速地改变超声频率控制字，控制声光偏转器7在短时间内发射不同衍射角度的光线，结合测距三角形所得的二维距离信息和扫描角度得到扫描点的三维信息，最后得到扫描物体的三维成像。

Claims (5)

1.一种声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达，其特征在于：包括旋转检测机构（1）、过孔导电滑环（2）、电机（3）和固定底座（4）；电机（3）设置在固定底座（4）内，其输出轴向上伸出固定底座（4），先与过孔导电滑环（2）的滑环转子内孔配合，再与旋转检测机构（1）连接，驱动旋转检测机构（1）进行全周转动。
2.根据权利要求1所述的声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达，其特征在于：所述旋转检测机构（1）包括壳体（5）、激光器（6）、声光偏转器（7）、CCD相机（8）、激光器控制器（9）和数字频率合成器（10）；在壳体（5）外侧壁上开有一个长条形凹槽，在槽的底面开设两个孔，分别为激光发射孔和接收孔，激光器（6）、声光偏转器（7）、CCD相机（8）、激光器控制器（9）和数字频率合成器（10）均固定在壳体（5）内，激光器控制器（9）与激光器（6）连接，数字频率合成器（10）与声光偏转器（7）连接，负责合成不同频率的超声波，进而产生不同衍射角的衍射光线；激光器（6）发出的激光经声光偏转器（7）衍射后从激光发射孔射出，CCD相机（8）通过接收孔接收光；激光器（6）、声光偏转器（7）、CCD相机（8）、激光器控制器（9）和数字频率合成器（10）的供电线路和控制信号线路分别与过孔导电滑环（2）的转子出线连接，电机（3）的输出轴自壳体（5）底面中心伸入壳体（5）内，并与壳体（5）固连。
3.根据权利要求2所述的声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达，其特征在于：过孔导电滑环（2）设置在旋转检测机构（1）和固定底座（4）之间，不作为承重件，过孔导电滑环（2）的滑环转子与电机（3）的输出轴配合，定子与固定底座（4）连接；过孔导电滑环（2）利用其电刷的弹性压力与导电环环槽的滑动接触来传输信号及电流，从而把滑环转子和定子的出线连接起来。
4.根据权利要求3所述的声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达，其特征在于：固定底座（4）包括长方形壳体（11）、主控芯片（12）、角速度传感器（13）、数据传输器（14）和供电装置（15）；主控芯片（12）、角速度传感器（13）、数据传输器（14）和供电装置（15）均设置在长方形壳体（11）内，主控芯片（12）分别与角速度传感器（13）、数据传输器（14）、供电装置（15）和过孔导电滑环（2）的定子出线连接；角速度传感器（13）靠近电机（3）输出轴，实时获取其旋转角度；数据传输器（14）负责雷达和上位机间的信号传输；供电装置（15）为整个雷达提供稳定可靠的工作电压。
5.基于上述权利要求1-4中任意一项所述的声光与机械复合扫描的激光三维成像雷达的成像方法，其特征在于，成像步骤如下：
步骤1、上电开机，主控芯片（12）向电机（3）发出启动信号，电机（3）驱动旋转检测机构（1）转动，经过一个定时等待，使得转速稳定后的雷达具有稳定的机械扫描频率，之后，主控芯片（12）从角速度传感器（13）获取雷达旋转角度，得到某一时刻扫描点在平面上的角分布；
步骤2、旋转检测机构（1）的转速稳定后主控芯片（12）向激光器控制器（9）发出信号，控制激光器（6）输出激光，激光器（6）的输出激光通过被数字频率合成器（10）控制的声光偏转器（7），主控芯片（12）同时控制数字频率合成器（10）输出频率控制字信号至声光偏转器（7）改变超声频率，使光线发生衍射，然后再从激光发射孔射出，产生的激光照射到扫描物体上；
步骤3、CCD相机（8）采集目标物体的反光，利用激光测距三角形和角速度传感器（13）所获取的角度信息获得扫描点的三维信息；
步骤4、CCD相机（8）将所采集扫描点的三维信息传送到主控芯片（12）中，主控芯片（12）进行整合处理后，再经数据传输器（14）将数据传送到上位机。
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