CN110553599A - 一种高分辨率高速激光三维成像系统 - Google Patents

一种高分辨率高速激光三维成像系统 Download PDF

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Abstract

一种高分辨率高速激光三维成像系统，包括激光器(1)、光栅(2)、扫描装置(3)、角放大透镜(4)、接收透镜(5)、探测器(6)、信号处理器(7)以及扫描装置驱动器(8)，其中激光器、光栅组成光源，发出线阵点列激光，扫描装置、扫描装置驱动器、角放大透镜组成光学扫描系统，使线阵点列激光以预设轨迹扫过目标区域，接收透镜、探测器、信号处理器组成光学接收系统，接收目标端反射的回波光，形成目标区域的三维点云图像。本发明具有高动态、高分辨率、成本低、功耗低、小型化等优点，克服传统三维成像系统扫描速度与接收光学系统口径之间、图像分辨率与图像帧率之间无法调和的矛盾。

Description

一种高分辨率高速激光三维成像系统
技术领域
本发明属于航天光学遥感领域，涉及一种高分辨率高速激光三维成像系统，可用于测量目标物体的三维形貌。
背景技术
激光三维成像在空间领域、军用领域、民用领域发挥着越来越重要的作用。在空间领域，可以应用于深空探测地外星体的高精度三维地形绘制以及着陆导航避障，也可以应用于非合作目标空间接近与操作、非合作目标全方位自主交会对接。在军用领域，可以应用于无人机空中加油、直升机与舰载机盲降等。在民用领域，可以应用于无人驾驶汽车自主导航、城市高精度三维地图绘制、智能机器人等。
目前的激光三维成像系统按照收发系统方式不同，可分为同轴收发式和非同轴收发式。按照探测器不同，可分为单元接收式、线阵接收式、面阵接收式。
同轴收发式的激光三维成像系统，发射端和接收端均需通过摆镜实现扫描，摆镜的尺寸必须大于接收透镜的光学口径，而为了实现较远的作用距离，接收接收透镜的光学口径必须大，因此摆镜的尺寸大，转动惯量大，其扫描速度受限，三维图像的刷新率小，且整机体积重量大。
单元探测器接收式的激光三维成像系统，发射端也为单光源，投射到目标上的激光点横向分辨率完全取决于摆镜，由于摆镜扫描速度有限，系统的三维图像分辨率和图像刷新率均受限。此种系统若采用非同轴收发，接收透镜的视场角大，接收的背景光噪声大，抗背景光干扰能力弱。
面阵探测器接收式的激光三维成像系统，虽然三维图像分辨率和图像帧率很高，但无论是单光子面阵探测器还是线性区工作的面阵探测器，均有明显的缺点。单光子面阵探测器测距精度很低，且有暗计数噪声；线性区工作的面阵探测器后端信号处理电路复杂，功耗极高，不具有实用价值。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种三维成像系统，能够提高三维图像分辨率和图像帧率。
本发明的技术解决方案是：
一种高分辨率高速激光三维成像系统，由光学发射系统和光学接收系统组成，其中光学发射系统包括激光器、光栅、MEMS扫描镜、角放大透镜、MEMS扫描镜驱动器，光学接收系统包括接收透镜、线阵探测器、信号处理器。其中，激光器、光栅组成光源，MEMS扫描镜、MEMS扫描镜驱动器、角放大透镜组成光学扫描系统，激光器发出周期性重复的脉冲激光，光栅将激光束转换为线列的点阵激光，线列点阵激光入射至MEMS扫描镜上，在MEMS扫描镜驱动器的驱动下，MEMS扫描镜进行高速的二维摆动，使线阵点列激光以预设轨迹扫过目标区域，角放大透镜将经过MEMS扫描镜的光束角度扩大；目标区域物体的回波光经过接收透镜成像至线阵探测器上，信号处理器接收线阵探测器输出的光电流并进行信号处理，形成目标区域的高分辨率三维点云图像。
光学发射系统和光学接收系统为非同轴的，两者光轴互相平行。光学发射系统中具有扫描装置，即MEMS扫描镜，光学接收系统中无扫描装置。
线阵探测器为1×N的线阵，或者为2×N的线阵，N为探测器每一行的像元个数。线阵探测器中，每个像元为长方形，长方形像元的短边方向为线阵排列方向。线阵探测器中，相邻每两个像元之间具有间隙，所述间隙远小于像元短边方向的宽度。线阵探测器为工作于线性区的雪崩光电二极管阵列，其输出光电流与入射至雪崩光电二极管上的光强成正比。
线列点阵激光中，相邻激光束的夹角是相等的，即第1、2个激光束之间的夹角与第2、3个激光束之间的夹角是相等的，依次类推。
二维MEMS扫描镜的镜面为长方形，长边方向的摆动角度小，短边方向的摆动角度大；长边方向的机械摆动角度是线列点阵激光相邻激光束夹角的一半，长边方向相对于短边方向的摆动频率低，短边方向相对于长边方向的摆动频率高；长边方向以步进方式摆动，短边方向以周期性波形进行往返扫描，周期波形为正弦波，或者为三角波。
接收透镜为成像式光学系统，采用高折射率光学材料以及非球面透镜组校正像差，具有大于1:1.5的相对孔径，具有接近衍射极限的弥散圆。
角放大透镜为柱面透镜，其在扫描镜长边方向的曲率半径为无穷大，在扫描镜短边方向具有有限的曲率半径。柱面透镜将平行于短边方向的、经过扫描镜反射的扫描光束角度扩大。
光学接收系统中的信号处理器同步输出M个距离值。
信号处理器包含M1个模数转换器和一个数字处理单元，数字处理单元为FPGA。模数转换器对回波信号进行采样，将模拟波形转换为数字量，数字处理单接收模数转换器输出的数字量，据此计算回波信号的到达时刻。
信号处理器或者包含M2个信号处理单元，每个信号处理单元接收线阵探测器一个对应像元的光电流，并将其转换为距离值。每个信号处理单元包括电流-电压(I-V)转换器、信号放大器、时刻鉴别器、时间数字转换器。电流-电压(I-V)转换器将线阵探测器输出的光电流转换为电压信号，信号放大器将该电压信号放大，使输出电压信号的幅值超过时刻鉴别器的阈值，时刻鉴别器对放大后的电压信号进行脉冲上升沿时刻鉴别，将模拟信号转换为终止计时的数字信号，时间数字转换器将驱动脉冲激光器的初始计时信号与终止计时信号之间的时间转换为距离。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的三维成像系统采用微光机电的二维MEMS扫描镜，具有更高的扫描速度、更小的体积、更轻的重量，相比同轴收发的机械摆镜线阵激光雷达，具有更高的三维图像分辨率和图像帧率。
(2)本发明的三维成像系统采用非同轴光学收发，接收透镜口径不受摆镜的镜面尺寸限制，相比同轴收发的MEMS线阵激光雷达，能接收更多的回光能量，具有更远的作用距离。
(3)本发明的三维成像系统采用线列点阵激光和线阵探测器，一次激光脉冲发射即可获得多个目标位置的点云数据，相比非同轴收发的MEMS单元接收激光雷达，具有更高的图像分辨率和图像帧率。
(4)本发明的三维成像系统采用线列点阵激光和线阵探测器，接收视场被分割成多个部分，每个像元接收的背景光大大减小，背景光散粒噪声也大大减小，相比非同轴收发的MEMS单元接收激光雷达，具有更好的抗背景光干扰能力。
(5)本发明的三维成像系统采用线阵探测器，像元个数远远小于面阵探测器，相对于非同轴收发的面阵接收激光雷达，信号处理器的复杂程度大大降低，功耗大大降低，成本也大大降低。
(6)本发明具有高动态、高分辨率、成本低、功耗低、轻量化等优点，克服传统三维成像系统扫描速度与接收光学系统口径之间、图像分辨率与图像帧率之间无法调和的矛盾。
附图说明
图1为本发明三维成像系统的组成原理图；
图2为本发明光源组成以及线阵点列激光排布图；
图3为本发明二维MEMS摆镜X/Y两轴驱动电压波形，(a)为二维MEMS摆镜X轴驱动电压波形，(b)为二维MEMS摆镜Y轴驱动电压波形；
图4为本发明各激光点的扫描运动轨迹图；
图5为本发明角放大透镜(柱面透镜)原理图；
图6为本发明的一种线阵探测器排列方式；
图7为本发明的一种线阵探测器与信号处理器组合方式；
图8为本发明的另一种线阵探测器排列方式；
图9为本发明的另一种线阵探测器与信号处理器组合方式；
图10为本发明的信号处理单元组成原理图。
具体实施方式
本发明的基本思想是：提出一种高分辨率高速激光三维成像系统，包括激光器、光栅、扫描装置、角放大透镜、接收透镜、探测器、信号处理器以及扫描装置驱动器，其中激光器、光栅组成光源，发出线阵点列激光，扫描装置、扫描装置驱动器、角放大透镜组成光学扫描系统，使线阵点列激光以预设轨迹扫过目标区域，接收透镜、探测器、信号处理器组成光学接收系统，接收目标端反射的回波光，形成目标区域的三维点云图像。本发明具有高动态、高分辨率、成本低、功耗低、小型化等优点，能够克服传统三维成像系统扫描速度与接收光学系统口径之间、图像分辨率与图像帧率之间无法调和的矛盾。
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
图1中，1：激光器；2：光栅；3：扫描装置；4：角放大透镜；5：接收透镜；6：探测器；7：信号处理器；8：扫描装置驱动器；9：处理器；
图10中，10：I-V转换器；11：信号放大器；12：时刻鉴别器；13、时间数字转换器。
图2中，P1为线列点阵第1个激光光束的远场光斑，P2为线列点阵第2个激光光束的远场光斑，依次类推。
图4中，以第1个激光光束的远场光斑为例，起始点为O11，终止点为O12，线列点阵的其他激光光束依次类推。
图6中，LX为探测器像元X方向长度，LY为探测器像元X方向长度，GY为Y方向相邻列之间的间隙，GX为X方向相邻行之间的间隙。
图6以及图7中，第一个像元为S1，第二个像元为S2，S3～S64依次类推。
图7中，B1为第1列的模数采样器，B2为第2列的模数采样器，B3～B64依次类推；第1列模数采样器B1输出的模数采样器数据为AD1，第2列模数采样器B2输出的模数采样器数据为AD2，AD3～AD64依次类推；通过模数采样器数据AD1计算的距离值为D1，通过模数采样器数据AD2计算的距离值为D2，D3～D64依次类推。
图8以及图9中，S1为第1行、第1列的探测器像元，S2为第1行、第2列的探测器像元，S3～S32依次类推；S33为第2行、第1列的探测器像元，S34为第2行、第2列的探测器像元，S35～S64依次类推。
图9中，探测器像元S1、S33并联后连接信号处理单元A1，探测器像元S2、S34并联后连接信号处理单元A2，依次类推；D1为信号处理单元A1的输出距离数据，D2为信号处理单元A2的输出距离数据，依次类推。
图10中，A为信号处理单元，I为探测器像元输出的光电流，D为相应像元解算出的距离值。
优选的方案为：如图1所示，建立坐标系O-XYZ：原点O位于MEMS扫描镜(3)的反射镜面中心；Z轴平行于柱面透镜(4)与接收透镜(5)的光轴，正方向指向目标物体；Y轴位于MEMS扫描镜(3)的反射镜面法线与柱面透镜(4)光轴组成的平面内，正方向由柱面透镜(4)指向接收透镜(5)；X轴与Y轴、Z轴组成右手直角坐标系。
建立坐标系O-XY′Z′：Z′轴正方向为脉冲光纤激光器(1)的激光前进方向，Y′轴与X轴、Z′组成右手直角坐标系。
建立坐标系O-XY"Z"：Z"轴平行于MEMS扫描镜(3)的镜面法线，正方向指向镜面上方，Y"轴与X轴、Z"组成右手直角坐标系。
脉冲光纤激光器(1)发出重复频率为163.84kHz、峰值功率为2kW、脉冲宽度为6ns的脉冲激光，激光束经过达曼光栅(2)后，变为1×64的线列点阵，线列点阵位于同一个平面Y’OZ’内，点阵排列方向为Y’轴方向，如图2所示，图中，P1为线列点阵第1个激光光束的远场光斑，P2为线列点阵第2个激光光束的远场光斑，P3～P64依次类推。每束激光的发散角均优选为0.5mrad，相邻激光束的夹角θ均优选为0.47°，总角度优选为30°。
如图1所示，线列点阵激光入射至二维MEMS扫描镜(3)上，扫描镜的尺寸优选为2mm(X方向)×7mm(Y"方向)。扫描镜的法线与点阵激光中心光束的夹角α为22.5°。
在MEMS扫描镜驱动器(8)的驱动下，MEMS扫描镜(3)进行二维扫描。MEMS扫描镜为静电驱动式，需要两组差分的高压信号进行驱动，一组为Vx+、Vx-，另一组为Vy"+、Vy"-。X方向的驱动波形为三角波，频率fx为80Hz，且进行了低通滤波处理，滤波截止频率为200Hz，滤波对转弯处进行了平滑、钝化，如图3(a)所示，Y"方向的驱动波形为阶跃波形，阶跃次数为15次，同样进行了低通滤波，如图3(b)所示。
线列点阵激光跟随扫描镜按照图4的轨迹运动，以第1个激光光束的远场光斑为例，起始点为O11，终止点为O12，线列点阵的其他激光光束依次类推。优选X方向的摆动角度优选为±7.5°，Y方向的摆动角度θy优选为±0.235°。根据上述二维扫描镜的运动，形成逐行扫描的光斑轨迹，总行数H优选为16，从起始点到终止点的扫描时间t为：
激光脉冲的重复频率fL优选为163.84kHz，每行发射激光脉冲个数L为：
优选64个激光点同步运动，在Y方向实现扫描光斑拼接，每个激光点扫描16行，总共64个激光点可以拼接成H_t＝H×N＝16×64＝1024行，Y方向拼接后的扫描角度范围θy_t为：
θy_t＝θy×N＝±0.23°×64＝±15°。
最终形成X方向±7.5°、Y方向±15°的逐行扫描图案，形成激光脉冲的空间分辨率为1024×1024，帧率为10Hz。
经过扫描后的激光束通过柱面透镜(4)，柱面透镜如图5所示，其在Y方向为柱面，扫描激光束在该方向的角度无变化，在X方向为球面，在X方向上有角度放大作用，放大倍数为2，扫描激光束通过柱面透镜后，形成X方向±15°、Y方向±15°的逐行扫描图案。
以上形成的激光扫描光斑投射至目标区域上，优选经过目标漫反射的回波光经过接收透镜(5)成像至探测器(6)上，探测器(6)为雪崩光电二极管线状阵列，阵列个数为1×64，优选阵列排布如图6所示，Y方向排布64列，其中第一个像元为S1，第二个像元为S2，S3～S64依次类推。每个探测器像元均为长方形，X方向长度LX优选为9800μm，Y方向长度LY优选为135μm，Y方向相邻列之间的间隙GY优选均为20μm。雪崩光电二极管工作在线性区，输出光电流与入射至雪崩光电二极管上的光强成正比。
接收透镜(5)为成像光学系统，接收透镜优选孔径为16mm，接收透镜焦距为13mm，接收视场为圆形，全视场角为±21°，如上所述，扫描视场为30°×30°，正好为接收视场圆的内接正方形，扫描视场内的激光回波均可以被接收透镜(5)接收。
探测器的每个像素均将激光回波脉冲转换为光电流。如图7所示，探测器(6)后连接信号处理器(7)，信号处理器(7)优选由64个模数采样器和1个处理器(9)所组成，其中B1为第1列的模数采样器，B2为第2列的模数采样器，B3～B64依次类推。图7中每个探测器像元后连接一个对应的模数采样器，例如第1列的探测器像元S1连接模数采样器B1，第2列的探测器像元S2连接模数采样器B2，依次类推。模数采样器完成电流-电压(I-V)转换以及信号高速采集功能，采样频率优选为2GHz，采样位数优选为10bit。所有的64个模数采样器数据均输出给数字处理单元(9)，其中第1列模数采样器B1输出的模数采样器数据为AD1，第2列模数采样器B2输出的模数采样器数据为AD2，AD3～AD64依次类推。
数字处理单元(9)优选为FPGA，其将超过阈值的采样数据点及对应的采样时刻存储相应序号的存储区域内，然后所有的64个采样数据同时并行处理，优选的处理时间不超过3μs。处理算法优选的计算公式为：
其中t1,t2,…,tm为超过阈值采样点对应的采样时间，V1,V2,…,Vm为超过阈值采样点对应的采样电压值，T为回波计时的时间，将其转换为距离D：
其中，c为光速。
通过数字处理单元(9)处理后，获得64个通道的距离数据，其中通过模数采样器数据AD1计算的距离值为D1，通过模数采样器数据AD2计算的距离值为D2，D3～D64依次类推。驱动MEMS扫描镜的两轴电压信号Vx、Vy"代表MEMS扫描镜的实时运行角度，将Vx、Vy"分别与各个通道的距离数据D1～D64进行结合解算，获得64片三维点云，优选每片点云的分辨率为1024(X)×16(Y)，将64片三维点云进行拼接，获得整帧图像的分辨率为1024(X)×1024(Y)，帧率为10Hz。
现有技术中，激光三维成像系统的图像分辨率一般为256(X)×256(Y)，帧率一般为2Hz～4Hz。本发明优选的第一个实施例中，图像分辨率为1024(X)×1024(Y)，分辨率相对现有技术显著提高，帧率为10Hz，动态特性相对现有技术也显著提高。
进一步的优选方案为：为了便于说明，不再对与前述实施例相同的结构进行详细展开，而仅重点说明与前述实施例的不同之处。
脉冲光纤激光器(1)发出重复频率为40.96kHz、峰值功率为6kW、脉冲宽度为6ns的脉冲激光，激光束经过达曼光栅(2)后，变为1×32的线列点阵，线列点阵位于同一个平面Y’OZ’内，点阵排列方向为Y’轴方向，如图2所示，图中，P1为线列点阵第1个激光光束的远场光斑，P2为线列点阵第2个激光光束的远场光斑，P3～P64依次类推。每束激光的发散角均为0.5mrad，相邻激光束的夹角θ均为0.94°，总角度为30°。
二维MEMS扫描镜(3)Y方向的驱动波形为阶跃波形，阶跃次数为7次。
根据前述二维扫描镜的运动，形成逐行扫描的光斑轨迹，总行数H为8行，从起始点到终止点的扫描时间为：
激光脉冲的重复频率fL为40.96kHz，每行发射激光脉冲个数L为：
32个激光点同步运动，在Y方向实现扫描光斑拼接，每个激光点扫描8行，总共32个激光点可以拼接成H_t＝H×N＝8×32＝256行，Y方向拼接后的扫描角度范围θy_t为：
θy_t＝θy×N＝±0.47°×32＝±15°
最终形成X方向±7.5°、Y方向±15°的逐行扫描图案，形成激光脉冲的空间分辨率为256×256，帧率为20Hz。
以上形成的激光扫描光斑投射至目标区域上，经过目标漫反射的回波光经过接收透镜(5)成像至探测器(6)上，探测器(6)为雪崩光电二极管线状阵列，阵列个数为2×32，阵列排布如图8所示，优选X方向排布2行，优选Y方向排布32列，其中S1为第1行、第1列的探测器像元，S2为第1行、第2列的探测器像元，S3～S32依次类推；S33为第2行、第1列的探测器像元，S34为第2行、第2列的探测器像元，S35～S64依次类推。每个探测器像元均为长方形，X方向长度LX优选为4900μm，Y方向长度LY优选为270μm，X方向2行之间的间隙GX优选为40μm，Y方向相邻列之间的间隙GY均优选为40μm。雪崩光电二极管工作在线性区，输出光电流与入射至雪崩光电二极管上的光强成正比。
探测器的每个像素均将激光回波脉冲转换为光电流，探测器(6)后连接信号处理器(7)，信号处理器(7)由32个信号处理单元组成，如图9所示，同一列的两个探测器像元光电流并联后连接一个对应的处理单元，探测器像元S1、S33并联后连接信号处理单元A1，探测器像元S2、S34并联后连接信号处理单元A2，依次类推，每个信号处理单元的结构如图10所示。
信号处理单元A由电流-电压(I-V)转换器(10)、信号放大器(11)、时刻鉴别器(12)、时间数字转换器TDC(13)组成。I-V转换器(10)将探测器像元输出的光电流I转换电压V，信号放大器(11)对电压信号进行放大，时刻鉴别器(12)将放大的信号与给定阈值进行比较，输出数字信号，该数字信号上升沿代表脉冲的到达时刻，时间数字转换器(13)将该数字信号与初始计时信号之间的时间间隔转换为数字量D，数字量D为多路并行数据，位数为16bit，码当量为3.9mm，转换时间不大于15μs。
所有的信号处理单元A1～A32集成至一个芯片上，以减小系统体积、功耗以及重量。
经过信号处理器(7)后，获得32个通道的距离数据D1～D32，其中D1为信号处理单元A1的输出距离数据，D2为信号处理单元A2的输出距离数据，依次类推。驱动MEMS扫描镜的两轴电压信号Vx、Vy"代表MEMS摆镜的实时运行角度，将Vx、Vy"分别与各个通道的距离数据D1～D32进行结合解算，获得32片三维点云，每片点云的分辨率为256(X)×8(Y)，将32片三维点云进行拼接，获得整帧图像的分辨率为256(X)×256(Y)，帧率为20Hz。
现有技术中，激光三维成像系统的图像分辨率一般为256(X)×256(Y)，帧率一般为2Hz～4Hz。本发明的第二个实施例中，图像分辨率为256(X)×256(Y)，与现有技术一致，但帧率为20Hz，比现有技术的2Hz～4Hz高，因此动态特性相对现有技术显著提高。
现有技术采用振镜电机为扫描机构，重量一般为1000g，功耗一般为10W，成本一般为5万元。本发明的两个实施例均采用MEMS扫描镜，重量为20g，功耗为1W，成本约为5000元，因此，本发明相对现有技术具有成本低、功耗低、轻量化的特点。
本发明的三维成像系统采用微光机电的二维MEMS扫描镜，具有更高的扫描速度、更小的体积、更轻的重量，相比同轴收发的机械摆镜线阵激光雷达，具有更高的三维图像分辨率和图像帧率，且本发明的三维成像系统采用非同轴光学收发，接收透镜口径不受摆镜的镜面尺寸限制，相比同轴收发的MEMS线阵激光雷达，能接收更多的回光能量，具有更远的作用距离；本发明的三维成像系统采用线列点阵激光和线阵探测器，一次激光脉冲发射即可获得多个目标位置的点云数据，相比非同轴收发的MEMS单元接收激光雷达，具有更高的图像分辨率和图像帧率。
本发明的三维成像系统采用线列点阵激光和线阵探测器，接收视场被分割成多个部分，每个像元接收的背景光大大减小，背景光散粒噪声也大大减小，相比非同轴收发的MEMS单元接收激光雷达，具有更好的抗背景光干扰能力；本发明的三维成像系统采用线阵探测器，像元个数远远小于面阵探测器，相对于非同轴收发的面阵接收激光雷达，信号处理器的复杂程度大大降低，功耗大大降低，成本也大大降低。
本发明具有高动态、高分辨率、成本低、功耗低、轻量化等优点，克服传统三维成像系统扫描速度与接收光学系统口径之间、图像分辨率与图像帧率之间无法调和的矛盾。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种高分辨率高速激光三维成像系统，其特征在于：由光学发射系统和光学接收系统组成，其中光学发射系统包括激光器(1)、光栅(2)、MEMS扫描镜(3)、角放大透镜(4)、MEMS扫描镜驱动器(8)，光学接收系统包括接收透镜(5)、线阵探测器(6)、信号处理器(7)；其中，激光器(1)、光栅(2)组成光源，MEMS扫描镜(3)、MEMS扫描镜驱动器(8)、角放大透镜(4)组成光学扫描系统，激光器(1)发出周期性重复的脉冲激光，光栅(2)将激光束转换为线列的点阵激光，线列点阵激光入射至MEMS扫描镜(3)上，在MEMS扫描镜驱动器(8)的驱动下，MEMS扫描镜(3)进行高速的二维摆动，使线阵点列激光以预设轨迹扫过目标区域，角放大透镜(4)将经过MEMS扫描镜(3)的光束角度扩大；目标区域物体的回波光经过接收透镜(5)成像至线阵探测器(6)上，信号处理器(7)接收线阵探测器(6)输出的光电流并进行信号处理，形成目标区域的高分辨率三维点云图像。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率高速激光三维成像系统，其特征在于：光学发射系统和光学接收系统为非同轴的，两者光轴互相平行；光学发射系统中具有扫描装置，即MEMS扫描镜(3)，光学接收系统中无扫描装置。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率高速激光三维成像系统，其特征在于：线阵探测器(6)为1×N的线阵，或者为2×N的线阵，N为探测器每一行的像元个数；线阵探测器(6)中，每个像元为长方形，所述长方形像元的短边方向为线阵排列方向；线阵探测器(6)中，相邻每两个像元之间具有间隙，所述间隙远小于像元短边方向的宽度；线阵探测器(6)为工作于线性区的雪崩光电二极管阵列，其输出光电流与入射至雪崩光电二极管上的光强成正比。
4.根据权利要求1所述的一种高分辨率高速激光三维成像系统，其特征在于：线列点阵激光中，相邻激光束的夹角是相等的，即第1、2个激光束之间的夹角与第2、3个激光束之间的夹角是相等的，依次类推。
5.根据权利要求1所述的一种高分辨率高速激光三维成像系统，其特征在于：二维MEMS扫描镜(3)的镜面为长方形，长边方向的摆动角度小，短边方向的摆动角度大；二维MEMS扫描镜(3)的长边方向的机械摆动角度是线列点阵激光相邻激光束夹角的一半；二维MEMS扫描镜(3)的长边方向相对于短边方向的摆动频率低，短边方向相对于长边方向的摆动频率高；二维MEMS扫描镜(3)的长边方向以步进方式摆动，短边方向以周期性波形进行往返扫描，所述周期波形为正弦波，或者为三角波。
6.根据权利要求1所述的一种高分辨率高速激光三维成像系统，其特征在于：所述的接收透镜(5)为成像式光学系统，采用高折射率光学材料以及非球面透镜组校正像差，具有大于1:1.5的相对孔径，具有接近衍射极限的弥散圆。
7.根据权利要求1所述的一种高分辨率高速激光三维成像系统，其特征在于：所述的角放大透镜(4)为柱面透镜，所述的柱面透镜在扫描镜长边方向的曲率半径为无穷大，在扫描镜短边方向具有有限的曲率半径，所述的柱面透镜将平行于短边方向的、经过扫描镜反射的扫描光束角度扩大。
8.根据权利要求1所述的一种高分辨率高速激光三维成像系统，其特征在于：所述的信号处理器(7)同步输出M个距离值。
9.根据权利要求1所述的一种高分辨率高速激光三维成像系统，其特征在于：信号处理器(7)包含M1个模数转换器和一个数字处理单元，所述数字处理单元为FPGA；模数转换器对回波信号进行采样，将模拟波形转换为数字量，数字处理单接收模数转换器输出的数字量，据此计算回波信号的到达时刻。
10.根据权利要求1所述的一种高分辨率高速激光三维成像系统，其特征在于：信号处理器(7)包含M2个信号处理单元，所述每个信号处理单元接收线阵探测器一个对应像元的光电流，并将其转换为距离值，所述每个信号处理单元包括电流-电压(I-V)转换器、信号放大器、时刻鉴别器、时间数字转换器；电流-电压(I-V)转换器将线阵探测器输出的光电流转换为电压信号，信号放大器将该电压信号放大，使输出电压信号的幅值超过时刻鉴别器的阈值，时刻鉴别器对放大后的电压信号进行脉冲上升沿时刻鉴别，将模拟信号转换为终止计时的数字信号，时间数字转换器将驱动脉冲激光器的初始计时信号与终止计时信号之间的时间转换为距离。
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