CN110794420B - 一种彩色激光雷达成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种彩色激光雷达成像装置及方法，其是采用不同激光分时分发的方式，通过同一台相机延时接收，计算机计算合成成像，其中采用的激光为红绿蓝三原色激光。每触发一种颜色激光的同时，信号发生器同步产生扫描信号，目标反射回波也按触发先后次序依次被接收，在接收过程中，像增强器延时触发，并且多触发1次。

Description

一种彩色激光雷达成像装置及方法

技术领域

本发明涉及激光遥感技术领域，尤其涉及一种彩色激光雷达成像装置及成像方法。

背景技术

激光雷达是一种主动成像技术，它可以全天时全天候获取目标的强度图像及距离信息，在军事、民用等领域应用广泛。传统激光雷达获取的目标强度图像为目标对单一激光发射波长的反射率图像，可一定程度上对目标进行分类，但是无法对目标进行精准分类。

现有彩色激光雷达技术中，专利CN201410217364.5是采用多个探测器接收，光学系统较为繁杂；专利CN201610199300.6、CN201711432927.2采用CCD相机仅能作探测器获取目标彩色点云信息，距离信息则需要通过其它探测器进行计算测量。目前还没有发现只用一台照相机就能完成目标高精准彩色成像的技术。

发明内容

本发明提供一种彩色激光雷达成像装置及方法，本发明采用一套探测接收设备成像，使得彩色激光雷达系统结构紧凑成本低廉，同时提供了一种彩色激光雷达成像方法，使激光雷达可对目标成彩色强度图像，能够对目标进行精准分类，全面提升激光雷达对目标的探测识别能力。

为了实现上述目的，本发明提供了一种彩色激光雷达成像装置及方法。

第一方面，一种彩色激光雷达成像装置，包括有计算机、信号发生器、激光驱动器、激光器、镀膜镜片、扫描器、接收镜头、像增强器、CCD相机；

所述计算机与信号发生器电控连接；

所述信号发生器与激光驱动器电控连接，所述激光驱动器包括有红光激光驱动器、绿光激光驱动器、蓝光激光驱动器；

所述激光器包括有红光激光器、绿光激光器、蓝光激光器，所述红光激光驱动器与红光激光器电连接，所述绿光激光驱动器与绿光激光器电连接，所述蓝光激光驱动器与蓝光激光器电控连接；

所述镀膜镜片有三个，分别置于红光激光器、绿光激光器、蓝光激光器的激光发射路径上，其中，以一个镀膜镜片作为合束镜片，其他两个镀膜镜片反射和/或透射的光均聚集至所述合束镜片上，红、绿、蓝三种颜色的光均经所述合束镜片向同一方向出射；

所述扫描器置于所述合束镜片的光出射路径上，所述信号发生器与扫描器电控连接；

所述接收镜头、像增强器、CCD相机连置，所述信号发生器与像增强器、CCD相机电控连接。

进一步地：所述信号发生器对激光驱动器、扫描器、像增强器和CCD相机产生触发和控制信号。

进一步地：三个所述镀膜镜片摆放角度一致；作为合束镜片的镀膜镜片，一面为全反射镀膜镜面，另一面为全透射镀膜镜面。

第一方面，一种基于上述彩色激光雷达成像装置的成像方法，是采用分时触发机制，由信号发生器分时触发红、绿、蓝三色激光，每触发一种颜色激光的同时，信号发生器同步产生扫描信号，红、绿、蓝三色激光在不同时刻通过扫描器发射至目标，然后目标反射回波也按触发先后次序依次由接收镜头、像增强器和CCD相机接收并传输至计算机，由计算机进行图像合成处理；其中，所述像增强器在每一种颜色激光触发完成后，都以同样的脉冲宽度多触发1次；且所述像增强器以一定延时和增益触发。

进一步地：计算机进行图像合成处理的方法为：

1)设CCD相机像素为m×n，m为像素行数，n为像素列数，像增强器每触发一次获得红色激光的强度图像，其强度矩阵I_R为：

设在一个红光发射周期内像增强器共触发q_R＝i_R×j_R次，在CCD相机积分时间内则可获取累加矩阵J_R：

其中为第s次触发红光CCD相机获取的强度矩阵；

像增强器将暗噪声去除后可得去噪强度矩阵F_R：

2)同理，获得绿光和蓝光在一个发射周期内的累加矩阵分别为J_G、J_B：

像增强器将暗噪声去除后得绿光和蓝光去噪强度矩阵分别为F_G、F_B：

3)由去噪强度矩阵F_R、F_G、F_B，得目标的三维真彩强度像如下式：

K(t₀)＝[F_R,F_G,F_B]。

进一步地：调节所述像增强器的增益系数，使F_R:F_G:F_B达到用户预设值时，以当前增益系数运行，得到三维真彩强度像。

进一步地：计算所述像增强器和CCD相机延时时间的方法为：

1)根据激光雷达测距方程：

式中：P_r－像增强器接收功率；P_t－激光发射功率；T₁－光学系统效率；T₂－单程大气透过率；ρ₁－接收方向的反射率定向分布函数；A_r－接收透镜的有效接收面积；s－目标与发射器或接收器的距离；

A_i－垂直于光束的目标被照面积；A_b－目标处的光束截面积；

A_b＝s²Ω_t

Ω_t－激光发射立体角；

由此计算出s；

2)像增强器对距离为ct_d/2处目标成像，根据下式计算出延时时间t_d：

c-光速。

进一步地：像增强器的增益系数与如下参数有关：激光脉冲宽度、激光脉冲个数、像增强器的延时时间、光学系统效率、单程大气透过率、某指向的反射率定向分布函数，根据这些参数之一或几种，调节所述增益系数。

与现有技术相比，本发明显著的有益效果体现在：

1、本发明通过采用红、绿、蓝三色激光发射器分时激发照射目标，由像增强器和CCD相机采集获取目标强度RGB矩阵，得到目标的真彩强度图像，实现彩色激光雷达合成像。传统真彩成像通常采用同时激发的方法，采用多个CCD相机获取合成图像。因此本发明中不仅部分光学镜片可供三色激光使用，而且只需要一套光电探测器即像增强器加CCD相机即可满足，使得系统结构紧凑成本低廉，在汽车激光雷达，水下激光雷达成像等民用领域具有广泛的应用空间。

2、在获取目标真彩强度图像时，本发明通过获取的真彩强度图像反馈调节红、绿、蓝激光发射的脉宽及重复频率控制红、绿、蓝激光功率以便获取RGB强度矩阵J_R、J_G、J_B。相比之下，现有技术中彩色激光雷达成像装置及方法一般不能进行RGB强度的调节，本发明通过微调控制激光器发射的脉冲宽度及像增强器开启门控触发信号可实现真彩强度图像RGB的调节，操控便捷。

3、为获取高信噪比真彩雷达图像，本发明在红、绿、蓝激光发射完毕后像增强器再以相应门宽开启一次用于采集雷达图像暗噪声，雷达图像处理时同步扣除暗噪声。相比之下，现有激光雷达技术中并未提及扣除背景暗噪声，本发明彩色激光雷达成像质量相对更好。

4、通过控制像增强器触发延时时间t_d，可获得目标的距离信息，通过延时的动态递增扫描实现对目标的距离像的获取，根据获取的距离信息实时调节像增强器增益，使得相同激光发射功率下激光雷达系统探测灵敏度高，成像质量好。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

图1为本发明实施例的彩色激光雷达结构示意图。

图2为本发明实施例的控制信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

本发明第一方面，为实现彩色激光雷达成像，本发明实施例提供了一种彩色激光雷达成像装置：参见图1，该套装置包括计算机1、信号发生器2、激光驱动器、激光器、镀膜镜片、扫描器12、接收镜头13、像增强器14、CCD相机15。

其中，所述激光驱动器包括有红光激光驱动器3、绿光激光驱动器4、蓝光激光驱动器5；相应地，所述激光器包括有红光激光器6、绿光激光器7、蓝光激光器8，分别由红光激光驱动器3、绿光激光驱动器4、蓝光激光驱动器5对应驱动；也相应地，所述镀膜镜片包括有三个镀膜镜片9、10、11，分别对应于红光激光器6、绿光激光器7、蓝光激光8安装，用于反射和/或透射对应的激光，便于被扫描器12接收。

信号发生器2信号连接各激光驱动器、扫描器12、像增强器14和CCD相机15，所述计算机1控制信号发生器2产生激光、扫描、像增强和CCD触发和控制信号。各颜色的激光驱动器分别对应分时触发红光激光器6、绿光激光器7和蓝光激光器8发射不同颜色的激光；三个镀膜镜片分别安装在红光激光器6、绿光激光器7和蓝光激光器8的激光发射路径上，红、绿、蓝色激光分别经镀膜镜片9、10、11全部传至扫描器12，然后发射至远处目标；目标反射回波再由接收镜头13、像增强器14和CCD相机15接收并传输至计算机1，由计算机1处理获取目标彩色强度图像。计算机1控制扫描视场角和同步扫描。

所述红光激光器6、绿光激光器7、蓝光激光器8由信号发生器2控制分别分时发射出红、绿、蓝色激光，构成彩色激光雷达成像的彩色光源，可由信号发生器2控制激光发射的重复频率。

进一步地，激光器可以是半导体激光器，也可是其它形式的脉冲激光器。

进一步地，本发明所用镀膜镜片，有的镜面是采用全反射式滤光镀膜镜面，有的是采用抗反射式增透镀膜镜面，有的是两种镜面都采用，根据镜片放置的位置和功能不同而不同。三个镀膜镜片分别放置于三个激光器的激光发射路径上，红、绿、蓝三色激光最终都传输至扫描器12；三个镀膜镜片的镀膜类型根据扫描器12的放置位置和扫描角度不同而有所不同。

如图1所示实施例中，选择镀膜镜片9作为合束镜片，扫描器12放置在镀膜镜片9的透射和反射光路上，镀膜镜片9、10、11均与水平成45°角，镀膜镜片10、11经过透射、反射等将光聚集到镀膜镜片9上，最终通过镀膜镜片9发射出去。红色激光经镀膜镜片9上表面透射至扫描镜器12；绿色激光经镀膜镜片10上表面反射至镀膜镜片9，再由镀膜镜片9下表面反射至扫描器12；蓝色激光经全反射镀膜镜片11反射至镀膜镜片10下表面，然后再透射至镀膜镜片9，由镀膜镜片9下表面反射至扫描器12。本领域技术人员可以根据镀膜镜片的成本，最优设计红、绿、蓝色激光器放置位置及镜片镀膜情况。

所述扫描器12可以是一维或二维扫描器，激光脉冲经过扫描器后可实现对目标的一维线扫描或二维面扫描。进一步地，可以是双面扫描振镜、多面体扫描转镜及二维MEMS旋转振镜等。

所述像增强器14由信号发生器2控制，与激光脉冲同步延时触发。

所述CCD相机15拍摄像增强器14上接收的光强度图像，其一端与计算机连接，可由计算机控制触发并调节延时。

本发明第二方面，为实现彩色激光雷达成像，本发明实施例还提供了一种彩色激光雷达成像方法：

本发明主要采用分时触发机制，信号发生器2产生激光触发信号，分别分时触发各激光驱动器，同时信号发生器2同步产生扫描信号控制扫描器12的扫描范围和帧频。

本发明中由于是分时触发红、绿、蓝三色激光，不是同时出射，因此三色激光分别经镀膜镜片9、10、11按触发的先后顺序发射至扫描器12，红、绿、蓝三色激光束在不同时刻通过扫描器12后发射至远处目标，目标散射红、绿、蓝激光回波也按触发先后次序依次由接收镜头13和像增强器14接收并由CCD相机15传输至计算机1，由计算机通过本发明所述的成像方法处理获取目标彩色强度图像及距离图像。

设一帧彩色图像采集周期τ内扫描器扫描3帧单色图像，在这一采集周期内，分时激发不同波长的窄脉冲激光器，例如，先发射脉冲宽度为τ_R的红色激光，然后发射脉冲宽度为τ_G的绿色激光，最后发射脉冲宽度为τ_B的蓝色激光。设扫描器扫描红、绿、蓝激光脉冲个数分别为i_R×j_R、i_G×j_G、i_B×j_B个，其中i代表扫描一行的脉冲个数，j代表扫描行数，τ_R、τ_G、τ_B、i_R×j_R、i_G×j_G、i_B×j_B均为预设参数，本实施例中预设τ_R＝τ_G＝τ_B，i_R＝i_G＝i_B，j_R＝j_G＝j_B，τ_R、τ_G、τ_B均为ns(纳秒)级。计算机控制信号发生器控制红、绿、蓝色激光触发时序与红、绿、蓝强度图像采集顺序同步一致，像增强器经延时t_d后以一定的增益触发，信号发生器控制像增强器延时触发信号和激光触发信号同步。

进一步地，为获取彩色激光雷达高信噪比图像，像增强器在红光触发i_R×j_R次之后，再以门宽为τ_R触发1次；在绿光触发i_G×j_G次之后，再以门宽为τ_G触发1次；在蓝光触发i_B×j_B次之后，再以门宽为τ_B触发1次。如上所述，一帧激光雷达图像采集过程中，像增强器按照时序同步开启i_R×j_R+i_G×j_G+i_B×j_B+3次。

像增强器光阴极依次按照扫描激光点的空间位置进行依次选通成像，通过像增强器的余辉效应和CCD的积分时间对目标距离为ct_d/2处成强度像，c为光速。若CCD相机像素为m×n，m为CCD像素行数，n为CCD像素列数。像增强器触发一次获得红色激光的强度图像，其强度矩阵I_R为：

由于红光发射的脉冲个数为q_R＝i_R×j_R，则一个周期内可获取q_R个强度矩阵，将获取的强度矩阵累加可得J_R：

其中为第s次触发红光CCD相机获取的强度矩阵，s＝1～q_R。

设红光发射期间像增强器暗噪声不发生改变，为获取高信噪比雷达图像将暗噪声扣除后可得去噪强度矩阵F_R：

同理，绿色和蓝色激光的一次强度矩阵表述为I_G、I_B，进一步可获取其强度矩阵累加矩阵分别为J_G、J_B：

为第s次触发绿光CCD相机获取的强度矩阵，/>为第s次触发蓝光CCD相机获取的强度矩阵，q_G＝i_G×j_G，q_B＝i_B×j_B。

可获得扣除背景暗噪声后强度矩阵分别为F_G、F_B：

由累加强度矩阵J_R、J_G、J_B，扣除暗噪声后强度矩阵F_R、F_G、F_B，可得目标的三维真彩强度像如下式：

K(t₀)＝[F_R,F_G,F_B]。

由于激光雷达外界背景噪声、像增强器及相机固有噪声低频变化，采用此种成像方法在脉冲重频很高的情况下，相当于实时同步去除了背景暗噪声；同时由于每一帧激光雷达图像成像时只在发射完红、绿、蓝激光脉冲后发射一个门控信号采集背景及暗噪声，相比每一个激光脉冲去除背景及暗噪声方法的成像帧频会减慢，而该方法成像帧带并未减慢。

激光雷达距离方程的一般表达式为：

式中：P_r－像增强器接收功率；P_t－激光发射功率；T₁－光学系统效率；T₂－单程大气透过率；ρ₁－接收方向的反射率定向分布函数，如果目标上各处的特性一致时，可取平均值；A_r－接收透镜的有效接收面积；s－目标与发射器或接收器的距离。

其中A_i－垂直于光束的目标被照面积；A_b－目标处的光束截面积；

A_b＝s²Ω_t

其中Ω_t－激光发射立体角。

另，激光发射器发出一个光脉冲，经大气传输后到达目标，经像增强器及CCD相机接收的回波有延时，通过控制像增强器选通的延时时间可以获取不同距离处目标的三维真彩强度图像，获取目标的距离s为：

其中c为光速。

因此，联立上述各方程可计算出延时时间t_d，通过计算机控制不断调节延时t_d,可获取目标的距离信息和三维真彩强度像。

根据上述表达式，当P_t、T₁、T₂、ρ₁及A_r一定时，可获知激光雷达接收功率即

关于增益，与下列几方面有关：

1)由于像增强器响应与增益系数并非线性关系，对于某一像增强器通过实验或原厂说明获得其响应v与增益系数g的函数关系v＝f(g)，即g＝f^-1(v)。根据光成像原理P_r∝v，因此可得

本发明预设了0时刻增益系数g(0)，由像增强器及CCD相机获取第一帧雷达图像的t_d后，再根据像增强器增益与延时曲线关系给出下次采集像增强器增益系数。记与延时时间有关的增益系数为g₁(t_d)。

2)另外，当T₁、T₂、ρ₁发生较大变化时，像增强器的增益系数也要进行调节，记与T₁、T₂、ρ₁有关的增益系数为g₂(T₁、、T₂ρ₁)，经调节后使像增强器以叠加增益采集获取激光雷达灰度图像。

3)另外，在获取完一帧彩色激光雷达图像K(t₀)＝[F_R,F_G,F_B]后，由于预设参数τ_R、τ_G、τ_B、i_R、i_G、i_B、j_R、j_G、j_B未必理想，计算机将重新计算参数并将计算结果生成信号送至信号发生器，其调节结果将影响激光雷达成像系统的增益系数，记为g₃(τ_R,G,B,i_R,G,B,j_R,G,B)；

τ_R,G,B,i_R,G,B,j_R,G,B分别是τ_R、τ_G、τ_B，i_R、i_G、i_B，j_R、j_G、j_B的简写。

4)综合上述，整体增益系数为G(g₁,g₂,g₃)，调节后可得激光雷达三维真彩强度像为：

K(t)＝K(t₀)G(g₁,g₂,g₃)

不断进行参数调节，当得到的K(t)中，F_R:F_G:F_B＝1:1:1(或其它用户预设值)时，以当前参数运行，得到标准三维真彩强度像。

进一步地，本发明可采用的红、绿、蓝色激光波长范围分别是：红色620-780nm、绿色510-570nm、蓝色420-500nm，也可采用其它波段激光器，则获取相应波段的激光回波信息。

Claims (5)

1.一种彩色激光雷达成像方法，其特征在于：

基于如下一种彩色激光雷达成像装置，包括：计算机、信号发生器、激光驱动器、激光器、镀膜镜片、扫描器、接收镜头、像增强器、CCD相机；

所述计算机与信号发生器电控连接，所述信号发生器对激光驱动器、扫描器、像增强器和CCD相机产生触发和控制信号；

所述信号发生器与激光驱动器电控连接，所述激光驱动器包括有红光激光驱动器、绿光激光驱动器、蓝光激光驱动器；

所述激光器包括有红光激光器、绿光激光器、蓝光激光器，所述红光激光驱动器与红光激光器电连接，所述绿光激光驱动器与绿光激光器电连接，所述蓝光激光驱动器与蓝光激光器电控连接；

所述镀膜镜片有三个，摆放角度一致，分别置于红光激光器、绿光激光器、蓝光激光器的激光发射路径上，其中，以一个镀膜镜片作为合束镜片，作为合束镜片的镀膜镜片，一面为全反射镀膜镜面，另一面为全透射镀膜镜面，其他两个镀膜镜片反射和/或透射的光均聚集至所述合束镜片上，红、绿、蓝三种颜色的光均经所述合束镜片向同一方向出射；

所述扫描器置于所述合束镜片的光出射路径上，所述信号发生器与扫描器电控连接；

所述接收镜头、像增强器、CCD相机连置，所述信号发生器与像增强器、CCD相机电控连接；

所述成像方法为：

采用分时触发机制，由信号发生器分时触发红、绿、蓝三色激光，每触发一种颜色激光的同时，信号发生器同步产生扫描信号，红、绿、蓝三色激光在不同时刻通过扫描器发射至目标，然后目标反射回波也按触发先后次序依次由接收镜头、像增强器和CCD相机接收并传输至计算机，由计算机进行图像合成处理；

其中，所述像增强器在每一种颜色激光触发完成后，都以同样的脉冲宽度多触发1次；且所述像增强器以一定延时和增益触发。

2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于：计算机进行图像合成处理的方法为：

1)设CCD相机像素为m×n，m为像素行数，n为像素列数，像增强器每触发一次获得红色激光的强度图像，其强度矩阵I_R为：

设在一个红光发射周期内像增强器共触发q_R＝i_R×j_R次，则可获取累加矩阵J_R：

其中I_sR为第s次触发红光CCD相机获取的强度矩阵；i_R×j_R为扫描器扫描红激光脉冲个数，i代表扫描一行的脉冲个数，j代表扫描行数；

像增强器将暗噪声去除后可得去噪强度矩阵F_R：

F_R＝J_R-q_RI_iR×jR+1；

2)同理，获得绿光和蓝光在一个发射周期内的累加矩阵分别为J_G、J_B：

I_sG为第s次触发绿光CCD相机获取的强度矩阵，I_sB为第s次触发蓝光CCD相机获取的强度矩阵，q_G＝i_G×j_G，i_G×j_G为扫描器扫描绿激光脉冲个数，q_B＝i_B×j_B；i_B×j_B为扫描器扫描蓝激光脉冲个数；像增强器将暗噪声去除后得绿光和蓝光去噪强度矩阵分别为F_G、F_B：

F_G＝J_G-q_GI_iG×jG+1

F_B＝J_B-q_BI_iB×jB+1

3)由去噪强度矩阵F_R、F_G、F_B，得目标的三维真彩强度像如下式：

K(t₀)＝[F_R,F_G,F_B]。

3.根据权利要求2所述的成像方法，其特征在于：调节所述像增强器的增益系数，使F_R:F_G:F_B达到用户预设值时，以当前增益系数运行，得到三维真彩强度像。

4.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于：计算所述像增强器和CCD相机延时时间的方法为：

1)根据激光雷达测距方程：

式中：P_r－像增强器接收功率；P_t－激光发射功率；T₁－光学系统效率；T₂－单程大气透过率；ρ₁－接收方向的反射率定向分布函数；A_r－接收透镜的有效接收面积；s－目标与发射器或接收器的距离；

A_i－垂直于光束的目标被照面积；A_b－目标处的光束截面积；

A_b＝s²Ω_t

Ω_t－激光发射立体角；

由此计算出s；

2)像增强器对距离为ct_d/2处目标成像，根据下式计算出延时时间t_d：

c-光速。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的成像方法，其特征在于：根据激光脉冲宽度、激光脉冲个数、像增强器的延时时间、光学系统效率、单程大气透过率、某指向的反射率定向分布函数，这些参数之一或几种的组合，调节所述像增强器的增益系数。