CN110609299A - 一种基于tof的三维成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TOF的三维成像系统，包括激光发射模块、感光传感器、ARM处理器模块、FPGA处理模块、存储器模块、千兆网口、显示模块和温度传感器；本发明通过发射主动光源发射一束红外光，光信号在沿传播方向传播遇到障碍物反射回来并通过镜头接收，并滤除环境光的影响，感光器通过接收回光量来感知目标的位置以及距离。本发明能够实现十米以内目标的三维成像，并且能够实现较高的测量精度；而且本发明具有较远的测量范围，在确保测量精度的同时能够适应一定的环境光影响，而且能够获得较高的帧率；本发明简单有效，且易于实用。

Description

一种基于TOF的三维成像系统

技术领域

本发明属于三维成像以及激光雷达领域，涉及三维成像技术，具体是一种基于TOF的三维成像系统。

背景技术

三维图像不仅能够获取平面图像信息而且能够获取深度信息，具有广泛的应用场景。常用的三维图像成像方法包括双目和结构光方案。该方案可以获取较高的分辨率和测量精度，但是测量距离较短，而且受到环境光的影响较大。现有的基于TOF的三维图像成像方法具有复杂的电路设计和补偿过程，计算复杂，难以获得较高的帧率，而且容易受到背景光的影响。基于机械扫描式的激光雷达，结构设计又非常复杂。

为了解决上述缺陷，现提供一种解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于TOF的三维成像系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于TOF的三维成像系统，包括激光发射模块、感光传感器、ARM处理器模块、FPGA处理模块、存储器模块、千兆网口、显示模块和温度传感器；

其中，激光发射模块、存储器模块、FPGA处理器模块、千兆网口分别与ARM 处理器模块连接；千兆网口与显示模块连接，激光发射模块与温度传感器连接，感光传感器与FPGA处理模块连接；

所述ARM处理器模块控制激光发射模块发射光信号，光信号为940nm的窄带激光，光信号经过12MHZ的正弦信号调试得到调制光信号，在光源的发射端采用扩散片将能量集中的激光扩散从而增加激光的发散角度；激光发射模块将调制光信号发射到目标，经过目标反射到感光传感器；

所述感光传感器接收目标反射回来的调制光信号；所述感光传感器在接收到的调制光信号之前会经过一个窄带滤光片，滤除除940nm之外的其他波段的光，这样使得感光传感器只响应940nm波长的光，得到滤光信号；

感光传感器将接收到的滤光信号转换为电子数量，并以电压的形式记录电子数量得到电压信号，在感光传感器内部经过模数转换器将电压信号转换为数字信号传输给FPGA处理模块；且每个像素点通过四次曝光时间分别计算四次积累的电子数量S，每次曝光时间相差90°相位；

FPGA处理模块还用于通过每个像素所积累的电子数量计算发射光与反射光之间的相位差，并对相位差进行分析得到深度信息D和强度信息I；

所述FPGA处理模块将计算得到的深度信息D和强度信息I存放到存储器模块中，并对测量到的深度信息进行校准；

具体校准方法为：在一个标准的校准装置中找到各个不同的距离对应的积累电子的数量形成一张表，最后的校准过程就是通过查表来确定测量的实际距离；将校准后的深度信息和强度信息通过千兆网接口传输给显示模块；

所述显示模块用于显示测试出来的校准后的深度信息和强度信息，借助距离图像、强度图像和点云图像表示。

进一步地，所述扩散片为60°*45°的扩散片。

进一步地，所述FPGA处理模块计算相位差并对相位差分析得到深度信息D 和强度信息I的具体方法为：

步骤一：将经过一个周期四次曝光，分别得到四次曝光所获取的电子量并将其依次标记为S0′，S1′，S2′，S3′；

步骤二：通过解方程公式2-公式5计算得到相位差在FPGA中完成一个反正切计算公式6，就可以计算得到相位差具体为：

S1：激光雷达接收光信号描述为公式1，具体如下：

式中，A表示接收光的信号强度，B表示背景光的强度，ω表示光的频率，表示接收光的相位差

S2：为了提高计算的相位差的精度，采用4n次曝光计算一次距离，其中 n为预设值；通过四组积分电子数量使用如公式2、公式3、公式4和公式5来计算接收光相对于发射光的相位差和接收光的光强信息A；

具体公式为：

S3：由于光信号是经过正弦调试，所以计算相位差需要解一个反三角函数；通过公式6计算发射光和反射光的相位差，通过公式7计算反射光的强度信息

S4：通过计算得到的相位差来计算目标的深度信息，计算推导方法如下：

SS1：目标与系统之间的距离D为光飞行的时间乘以光速c，除以2表示单程的距离，D计算方法如公式11；

式中，t为光飞行的时间；

SS2：在计算光的飞行时间时使用间接法，通过计算发射光与接收光的相位差来计算光的飞行时间，具体测量接收到的反射光与发射光之间的相位差从而间接得到光的飞行时间t，具体如公式10：

式中，f为光强的调制频率；

结合公式10和公式11,则有

结合公式6和公式12，即可得到目标离系统的距离D的计算公式，具体为：

目标离系统的距离D即为深度信息D。

进一步地，所述显示模块还用于设置相应的运行参数；运行参数包括积分时间、测量距离、测试频率、ROI区域设定、偏移量。

进一步地，所述温度传感器实时检测激光发射模块的温度，在温度过高时 ARM处理器模块则控制关断激光发射模块。

进一步地，温度过高具体判定为温度超过预设值。

本发明的有益效果：

本发明通过发射主动光源发射一束红外光，光信号在沿传播方向传播遇到障碍物反射回来并通过镜头接收，并滤除环境光的影响，感光器通过接收回光量来感知目标的位置以及距离。本发明能够实现十米以内目标的三维成像，并且能够实现较高的测量精度；而且本发明具有较远的测量范围，在确保测量精度的同时能够适应一定的环境光影响，而且能够获得较高的帧率；本发明简单有效，且易于实用。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的系统框图。

具体实施方式

一种基于TOF的三维成像系统，包括激光发射模块、感光传感器、ARM处理器模块、FPGA处理模块、存储器模块、千兆网口、显示模块和温度传感器；

其中，激光发射模块、存储器模块、FPGA处理器模块、千兆网口分别与ARM 处理器模块连接；千兆网口与显示模块连接，激光发射模块与温度传感器连接，感光传感器与FPGA处理模块连接；

所述ARM处理器模块控制激光发射模块发射光信号，光信号为940nm的窄带激光，光信号经过12MHZ的正弦信号调试得到调制光信号，在光源的发射端采用扩散片将能量集中的激光扩散从而增加激光的发散角度；激光发射模块将调制光信号发射到目标，经过目标反射到感光传感器；

所述感光传感器接收目标反射回来的调制光信号；所述感光传感器在接收到的调制光信号之前会经过一个窄带滤光片，滤除除940nm之外的其他波段的光，这样使得感光传感器只响应940nm波长的光，得到滤光信号；

感光传感器将接收到的滤光信号转换为电子数量，并以电压的形式记录电子数量得到电压信号，在感光传感器内部经过模数转换器将电压信号转换为数字信号传输给FPGA处理模块；且每个像素点通过四次曝光时间分别计算四次积累的电子数量S，每次曝光时间相差90°相位；

FPGA处理模块还用于通过每个像素所积累的电子数量计算发射光与反射光之间的相位差，并对相位差进行分析得到深度信息D和强度信息I；

所述FPGA处理模块将计算得到的深度信息D和强度信息I存放到存储器模块中，并对测量到的深度信息进行校准；

具体校准方法为：在一个标准的校准装置中找到各个不同的距离对应的积累电子的数量形成一张表，最后的校准过程就是通过查表来确定测量的实际距离；将校准后的深度信息和强度信息通过千兆网接口传输给显示模块；

所述显示模块用于显示测试出来的校准后的深度信息和强度信息，借助距离图像、强度图像和点云图像表示。

其中，所述扩散片为60°*45°的扩散片。

其中，所述FPGA处理模块计算相位差并对相位差分析得到深度信息D和强度信息I的具体方法为：

步骤一：将经过一个周期四次曝光，分别得到四次曝光所获取的电子量并将其依次标记为S0′，S1′，S2′，S3′；

步骤二：通过解方程公式2-公式5计算得到相位差在FPGA中完成一个反正切计算公式6，就可以计算得到相位差具体为：

S1：激光雷达接收光信号描述为公式1，具体如下：

式中，A表示接收光的信号强度，B表示背景光的强度，ω表示光的频率，表示接收光的相位差

S2：为了提高计算的相位差的精度，采用4n次曝光计算一次距离，其中 n为预设值；通过四组积分电子数量使用如公式2、公式3、公式4和公式5来计算接收光相对于发射光的相位差和接收光的光强信息A；

具体公式为：

S3：由于光信号是经过正弦调试，所以计算相位差需要解一个反三角函数；通过公式6计算发射光和反射光的相位差，通过公式7计算反射光的强度信息

S4：通过计算得到的相位差来计算目标的深度信息，计算推导方法如下：

SS1：目标与系统之间的距离D为光飞行的时间乘以光速c，除以2表示单程的距离，D计算方法如公式11；

式中，t为光飞行的时间；

SS2：在计算光的飞行时间时使用间接法，通过计算发射光与接收光的相位差来计算光的飞行时间，具体测量接收到的反射光与发射光之间的相位差从而间接得到光的飞行时间t，具体如公式10：

式中，f为光强的调制频率；

结合公式10和公式11,则有

结合公式6和公式12，即可得到目标离系统的距离D的计算公式，具体为：

目标离系统的距离D即为深度信息D。

其中，所述显示模块还用于设置相应的运行参数；运行参数包括积分时间、测量距离、测试频率、ROI区域设定、偏移量。

其中，所述温度传感器实时检测激光发射模块的温度，在温度过高时ARM 处理器模块则控制关断激光发射模块。

其中，温度过高具体判定为温度超过预设值。

在具体应用时，如图1所示，一种基于TOF的三维成像系统，包括激光发射模块、感光传感器、ARM处理器模块、FPGA处理模块、存储器模块、千兆网口、显示模块和温度传感器；

其中，激光发射模块、存储器模块、FPGA处理器模块、千兆网口分别与ARM 处理器模块连接；千兆网口与显示模块连接，激光发射模块与温度传感器连接，感光传感器与FPGA处理模块连接。

所述ARM处理器模块控制激光发射模块发射光信号，光信号为940nm的窄带激光，光信号经过12MHZ的正弦信号调试得到调制光信号，在光源的发射端使用一个扩散片将能量集中的激光扩散从而增加激光的发散角度；

所述扩散片为60°*45°的扩散片；激光发射模块将调制光信号发射到目标上，经过目标反射到感光传感器；所述感光传感器接收目标反射回来的调制光信号；所述感光传感器在接收到的调制光信号之前会经过一个窄带滤光片，滤除除940nm之外的其他波段的光，这样使得感光传感器只响应940nm波长的光，得到滤光信号；

感光传感器将接收到的滤光信号转换为电子数量，并以电压的形式记录电子数量得到电压信号，在感光传感器内部经过模数转换器将电压信号转换为数字信号传输给FPGA处理模块；每个像素点通过四次曝光时间分别计算四次积累的电子数量S，每次曝光时间相差90°相位；

在FPGA中我们通过每个像素所积累的电子数量计算发射光与反射光之间的相位差，具体计算方法为：

步骤一：经过一个周期四次曝光分别得到四次曝光所得到的的电子量S0′， S1′，S2′，S3′；

步骤二：通过解方程公式2-公式5就可以计算得到相位差在FPGA中完成一个反正切计算公式6，就可以计算得到相位差

激光雷达接收光信号可描述为公式1，其中A表示接收光的信号强度，B表示背景光的强度，ω表示光的频率，表示接收光的相位差；

为了提高计算的相位差的精度，我们使用4N次曝光计算一次距离，在本例实现中N＝10。通过四组积分电子数量使用如公式2，3，4，5来计算回光相对于发射光的相位差和接收光的光强信息A；

由于光信号是经过正弦调试，所以计算相位差需要解一个反三角函数。通过公式6计算发射光和反射光的相位差，通过公式7计算反射光的强度信息

从公式6和公式7中我们可以看到，在我们的雷达系统中使用的是正弦波调制，计算相位差的过程中使用(S1′-S3′)和(S0′-S2′)这样就将反射光中的背景光部分一并减去了，所以本发明中的激光雷达天然具有抗背景光的属性；

通过计算得到的相位差来计算目标的深度信息，计算公式8所示；其中D 是测量的距离，也即为深度信息D，C是光速，f是调制频率；

通过公式8我们看到本发明中激光雷达系统的最大测量距离和激光的调制频率有关，当调试频率越低则探测距离越远；我们调制信号使用的是正弦信号调制，而正弦信号是以2π为周期的周期函数如公式9所以相位差无法区分2 π整数倍的情况，也就是说当调制频率是12MHZ的时候，最远的探测范围是12.5 米。

我们在计算光的飞行时间时使用间接法，通过计算发射光与接收光的相位差来计算光的飞行时间，公式8的具体推算过程为：

测量接收到的反射光与发射光之间的相位差从而间接得到光的飞行时间 t，

式中，f为光强的调制频率；

目标与系统之间的距离D为光飞行的时间乘以光速c，除以2表示单程的距离，则有

根据公式10和公式11可知：

根据公式12即可计算得到目标离系统的距离。

FPGA处理模块将计算得到的深度信息D和强度信息I存放到存储器模块中，并对测量到的深度信息进行校准，校准方法为在一个标准的校准装置中找到各个不同的距离对应的积累电子的数量形成一张表，最后的校准过程就是通过查表来确定测量的实际距离；将校准后的深度信息和强度信息通过千兆网接口传输给显示模块；将校准后的深度信息和强度信息通过千兆网接口传输给显示模块；所述ARM从存储器中读取距离信息，并对距离信息进行温度补偿、深度信息校准以及深度信息补偿；将补偿后表示深度信息的相位值乘以一个常数即为目标与系统设备之间距离值。并将距离信息和强度信息通过千兆网口传输给显示模块，显示模块可以选择显示目标的距离信息、强度信息和点云图。

在显示模块上显示测试出来的距离信息、强度信息和点云图，同时显示模块可以设置相应的运行参数；温度传感器实时检测激光发射模块的温度，如果温度过高ARM处理器模块则控制关断激光发射模块，温度过高具体表现为温度超过预设值。

本发明通过发射主动光源发射一束红外光，光信号在沿传播方向传播遇到障碍物反射回来并通过镜头接收，并滤除环境光的影响，感光器通过接收回光量来感知目标的位置以及距离。本发明能够实现十米以内目标的三维成像，并且能够实现较高的测量精度；而且本发明具有较远的测量范围，在确保测量精度的同时能够适应一定的环境光影响，而且能够获得较高的帧率；本发明简单有效，且易于实用。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于TOF的三维成像系统，其特征在于，包括激光发射模块、感光传感器、ARM处理器模块、FPGA处理模块、存储器模块、千兆网口、显示模块和温度传感器；

其中，激光发射模块、存储器模块、FPGA处理器模块、千兆网口分别与ARM处理器模块连接；千兆网口与显示模块连接，激光发射模块与温度传感器连接，感光传感器与FPGA处理模块连接；

所述ARM处理器模块控制激光发射模块发射光信号，光信号为940nm的窄带激光，光信号经过12MHZ的正弦信号调试得到调制光信号，在光源的发射端采用扩散片将能量集中的激光扩散从而增加激光的发散角度；激光发射模块将调制光信号发射到目标，经过目标反射到感光传感器；

所述感光传感器接收目标反射回来的调制光信号；所述感光传感器在接收到的调制光信号之前会经过一个窄带滤光片，滤除除940nm之外的其他波段的光，这样使得感光传感器只响应940nm波长的光，得到滤光信号；

感光传感器将接收到的滤光信号转换为电子数量，并以电压的形式记录电子数量得到电压信号，在感光传感器内部经过模数转换器将电压信号转换为数字信号传输给FPGA处理模块；且每个像素点通过四次曝光时间分别计算四次积累的电子数量S，每次曝光时间相差90°相位；

FPGA处理模块还用于通过每个像素所积累的电子数量计算发射光与反射光之间的相位差，并对相位差进行分析得到深度信息D和强度信息I；

所述FPGA处理模块将计算得到的深度信息D和强度信息I存放到存储器模块中，并对测量到的深度信息进行校准；

将校准后的深度信息和强度信息通过千兆网接口传输给显示模块；

所述显示模块用于显示测试出来的校准后的深度信息和强度信息，借助距离图像、强度图像和点云图像表示。

2.根据权利要求1所述的一种基于TOF的三维成像系统，其特征在于，所述扩散片为60°*45°的扩散片。

3.根据权利要求1所述的一种基于TOF的三维成像系统，其特征在于，所述FPGA处理模块计算相位差并对相位差分析得到深度信息D和强度信息I的具体方法为：

步骤一：将经过一个周期四次曝光，分别得到四次曝光所获取的电子量并将其依次标记为S0′，S1′，S2′，S3′；

步骤二：通过解方程公式2-公式5计算得到相位差在FPGA中完成一个反正切计算公式6，就可以计算得到相位差具体为：

S1：激光雷达接收光信号描述为公式1，具体如下：

式中，A表示接收光的信号强度，B表示背景光的强度，ω表示光的频率，表示接收光的相位差

S2：为了提高计算的相位差的精度，采用4n次曝光计算一次距离，其中n为预设值；通过四组积分电子数量使用如公式2、公式3、公式4和公式5来计算接收光相对于发射光的相位差和接收光的光强信息A；

具体公式为：

S3：由于光信号是经过正弦调试，所以计算相位差需要解一个反三角函数；通过公式6计算发射光和反射光的相位差，通过公式7计算反射光的强度信息

S4：通过计算得到的相位差来计算目标的深度信息，计算推导方法如下：

SS1：目标与系统之间的距离D为光飞行的时间乘以光速c，除以2表示单程的距离，D计算方法如公式11；

式中，t为光飞行的时间；

SS2：在计算光的飞行时间时使用间接法，通过计算发射光与接收光的相位差来计算光的飞行时间，具体测量接收到的反射光与发射光之间的相位差从而间接得到光的飞行时间t，具体如公式10：

式中，f为光强的调制频率；

结合公式10和公式11,则有

结合公式6和公式12，即可得到目标离系统的距离D的计算公式，具体为：

目标离系统的距离D即为深度信息D。

4.根据权利要求1所述的一种基于TOF的三维成像系统，其特征在于，所述显示模块还用于设置相应的运行参数；运行参数包括积分时间、测量距离、测试频率、ROI区域设定、偏移量。

5.根据权利要求1所述的一种基于TOF的三维成像系统，其特征在于，所述温度传感器实时检测激光发射模块的温度，在温度过高时ARM处理器模块则控制关断激光发射模块。

6.根据权利要求5所述的一种基于TOF的三维成像系统，其特征在于，温度过高具体判定为温度超过预设值。

7.根据权利要求1所述的一种基于TOF的三维成像系统，其特征在于，对测量到的深度信息进行校准的具体校准方法为：在一个标准的校准装置中找到各个不同的距离对应的积累电子的数量形成一张表，最后的校准过程就是通过查表来确定测量的实际距离。