CN111650573B - 一种固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统。该系统包括：嵌入式信号控制及处理模块、激光调制模块、激光驱动模块、激光器、TOF面阵传感器、延迟锁相环模块、暗箱以及设置在暗箱中的可变反射率标定板和测距机。其中，可变反射率标定板与激光器之间的距离可调，根据测距机测得的其与可变反射率标定板之间的距离能够确定可变反射率标定板与激光器之间的距离，嵌入式信号控制及处理模块控制激光发射频率和波形的调制、延时时间设置、可变反射率标定板的反射率设定及位置调整，并计算不同反射率目标、不同延时下测量距离与实际距离之间的误差标定。本发明提供的标定系统效率高、能够减少人为干扰、且能够适用于不同反射率目标的标定。

Description

一种固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统

技术领域

本发明涉及激光三维成像标定技术领域，特别是涉及一种固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统。

背景技术

近年来，固态面阵激光三维成像系统作为一种三维成像设备，由于具有成本低、帧频高、耐用性强等特点而备受研究人员的关注。

受激光调制解调误差、TOF面阵传感器像元不一致、目标反射率不一致等因素的影响，固态面阵激光三维成像系统测量精度较差。为了满足实际使用的需要，在固态面阵激光三维成像系统使用之前对其进行标定，以提高测量精度。

目前针对固态面阵激光三维成像系统的标定系统和方法多数是在一个大型、空旷、异物少的房间内，设定一块可移动的反射挡板，反复改变挡板距离，得到成像系统在不同距离下的测距结果，测距结果与真实距离做比较得到标定数据，在实时测量过程中通过标定数据对测距结果进行修正。但是该方法存在较多问题，包括：①由于需要人为构建场景、摆放挡板而存在效率低、精度不可控、人为干扰严重等问题；②目前未能针对不同反射率目标进行标定。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够减少人为干扰、效率高，且能够适用于不同反射率目标的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统，其特征在于，包括：固态面阵激光三维成像系统和动态标定系统；所述固态面阵激光三维成像系统包括：嵌入式信号控制及处理模块、激光调制模块、激光驱动模块、激光器以及TOF面阵传感器；动态标定系统包括：延迟锁相环模块、暗箱以及设置在所述暗箱中的可变反射率标定板和测距机；

其中，所述激光调制模块、所述延迟锁相环模块、所述激光驱动模块和所述激光器依次连接；所述激光调制模块还与所述TOF面阵传感器连接，所述激光器发射的激光经所述可变反射率标定板反射后被所述TOF面阵传感器采集；

所述可变反射率标定板能够在所述暗箱中移动，以使所述可变反射率标定板与所述激光器之间的距离可调；

所述测距机配置为基于所述测距机测得的其与所述可变反射率标定板之间的距离能够确定所述可变反射率标定板与所述激光器之间的距离；

所述激光调制模块在完成激光调制后同时分别向所述TOF面阵传感器发送开始采集信号以及向所述延迟锁相环模块发送延时开始信号；

所述嵌入式信号控制及处理模块，用于控制所述激光调制模块进行激光发射频率和波形的调制，控制所述延迟锁相环模块进行延时时间设置，控制所述可变反射率标定板设定反射率以及调整位置，并根据所述TOF面阵传感器的传感信号确定所述固态面阵激光三维成像系统的测量距离，根据所述测距机的测量信号以及延迟锁相环模块的延时时间确定所述可变反射率标定板与所述激光器之间的实际距离，以得到对于不同反射率目标不同延时下，所述实际距离与所述测量距离的差值。

可选的，所述嵌入式信号控制及处理模块还用于将所述实际距离与所述测量距离的差值作为误差补偿存储于查找表中。

可选的，所述暗箱内设置有滑轨，所述可变反射率标定板通过沿所述滑轨滑动调整与所述激光器之间的距离。

可选的，所述测距机通过支架安装于所述暗箱内的后端，所述后端为远离激光器的一端。

可选的，所述嵌入式信号控制及处理模块根据d_fb＝d_fl-d_b-d_bl计算所述可变反射率标定板与所述激光器之间的距离d_fb，其中，d_fl表示暗箱前面板到测距机之间距离，d_b表示所述可变反射率标定板的厚度，d_bl表示测距机到所述可变反射率标定板的距离。

可选的，所述嵌入式信号控制及处理模块根据所述测距机的测量信号以及延迟锁相环模块的延时时间确定所述实际距离，具体为：

根据d′＝n×d_DLL+d_fb计算所述实际距离d′，其中，n为延迟锁相环模块的延时阶数，d_DLL为单阶延时距离，d_fb为基于所述测距机测得的所述可变反射率标定板与所述激光器之间的距离。

可选的，所述嵌入式信号控制及处理模块根据TOF面阵传感器的传感信号确定所述固态面阵激光三维成像系统的测量距离，具体为：

根据

计算所述固态面阵激光三维成像系统的测量距离d，其中，c为光速，t_TOF为激光飞行时间。

可选的，所述嵌入式信号控制及处理模块的核心芯片为DSP处理芯片。

可选的，所述激光器为垂直腔面激光发射器，数量为多个。

可选的，所述TOF面阵传感器的分辨率为320×240。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统，通过设置位置可调、反射率可变的标定板，省去了人工对标定板的更换及移动，减少了人工干扰影响、提高了效率。同时，通过延迟锁相环模块的设置，使得本发明无需构建庞大的场景即可实现对不同距离的标定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统的原理图；

图2为本发明实施例提供的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统的工作流程图；

图3为本发明实施例中距离误差查找表的构建方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，本实施例提供的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统包括：固态面阵激光三维成像系统和动态标定系统；固态面阵激光三维成像系统包括：嵌入式信号控制及处理模块1、激光调制模块2、激光驱动模块4、激光器5以及TOF面阵传感器6；动态标定系统包括：延迟锁相环模块3、暗箱以及设置在暗箱中的可变反射率标定板7和测距机8。

其中，激光调制模块2、延迟锁相环模块3、激光驱动模块4和激光器5依次连接，激光调制模块2还与TOF面阵传感器6连接；激光器5发射的激光经可变反射率标定板7反射后被TOF面阵传感器6采集。

激光调制模块2在完成激光调制后同时分别向TOF面阵传感器6发送开始采集信号以及向延迟锁相环模块3发送延时开始信号。

可变反射率标定板7能够在暗箱中移动，以使可变反射率标定板7与激光器5之间的距离可调。比如，在实际的应用中，可以在暗箱内设置滑轨，可变反射率标定板7通过滑轨固定于暗箱内，并可以沿滑轨滑动以实现其与所述激光器5之间距离的调整。具体的，可以在可变反射率标定板7的底部设置滚轮，通过滚轮实现其在滑轨上的移动。需要注意的是，可变反射率标定板7的运动是通过驱动部件如驱动电机精确控制的，驱动电机在嵌入式信号控制及处理模块1的控制信号下驱动可变反射率标定板7运动到设定的位置。

测距机8配置为基于测距机8测得的其与可变反射率标定板7之间的距离能够确定可变反射率标定板7与激光器5之间的距离。测距机8的设置位置是可以根据实际的情况自行选择的，以能够实现根据其测量得到的其与可变反射率标定板7之间的距离可以确定可变反射率标定板7与激光器5之间的距离为准，比如，由于激光器5以及测距机8的位置是固定的，那么二者之间的相对距离就是确定的，通过测距机8与激光器5之间的相对距离以及测距机8测得的测距机8与可变反射率标定板7之间的距离可以推导计算可变反射率标定板7与激光器5之间的距离。比如，在实际的应用中，可以将测距机8通过支架安装于暗箱内后端的固定位置，如图1所示，此时，所述嵌入式信号控制及处理模块1可以根据d_fb＝d_fl-d_b-d_bl计算可变反射率标定板7与激光器5之间的距离d_fb，其中，d_fl表示暗箱前面板到测距机8之间距离，d_b表示可变反射率标定板7的厚度，d_bl表示测距机8到可变反射率标定板7的距离。

嵌入式信号控制及处理模块1，用于控制激光调制模块2进行激光发射频率和波形的调制，控制延迟锁相环模块3进行延时时间设置，控制可变反射率标定板7设定反射率以及调整位置，并根据TOF面阵传感器6的传感信号确定固态面阵激光三维成像系统的测量距离，根据测距机8的测量信号以及延迟锁相环模块3的延时时间确定可变反射率标定板7与激光器5之间的实际距离，以得到对于不同反射率目标不同延时下，实际距离与测量距离的差值。

作为一种实施方式，在实际的应用中，嵌入式信号控制及处理模块1根据所述测距机8的测量信号以及延迟锁相环模块3的延时时间确定所述实际距离，具体为：根据d′＝n×d_DLL+d_fb计算所述实际距离d′，其中，n为延迟锁相环模块3的延时阶数，d_DLL为单阶延时距离，d_fb为基于所述测距机8测得的所述可变反射率标定板7与所述激光器5之间的距离。此处所说的实际距离为可变反射率标定板7与激光器5之间的等效实际距离。

在本实施例中，嵌入式信号控制及处理模块1通过控制数据总线分别和激光调制模块2、延迟锁相环模块3、TOF面阵传感器6、可变反射率标定板7、测距机8连接，激光调制模块2通过控制线分别与延迟锁相环模块3、TOF面阵传感器6连接，延迟锁相环模块3通过控制线与激光驱动模块4连接，激光驱动模块4通过控制线与激光器5连接。作为一种可选的实施方式，嵌入式信号控制及处理模块1、激光调制模块2、延迟锁相环模块3、激光驱动模块4、激光器5以及TOF面阵传感器6可以通过铜柱固定在一起，激光器5和TOF面阵传感器6可以通过螺丝固定于暗箱前端，暗箱前端开有多个孔，分别允许激光器5的发射光和TOF面阵传感器6的接收光通过。

在本实施例中，嵌入式信号控制及处理模块控制可变反射率标定板设定不同反射率和位置、控制激光调制模块进行激光发射频率和波形调制、同时控制延迟锁相环模块进行延时时间设置，激光发射频率和波形信息通过设定的延时时间后，经过激光驱动模块控制激光器发射调制激光，调制光照射到暗箱内的可变反射率标定板后返回被TOF面阵传感器接收，TOF面阵传感器对回波信号进行差分相关采样电荷积分、数模转换后送入嵌入式信号控制及处理模块，嵌入式信号控制及处理模块结合回波信号和激光发射信号计算激光飞行时间，进一步结合光速得到成像系统和标定板之间的相对距离，得到不同反射率目标不同延时时间下成像系统测得的距离和实际距离的差值，将此作为误差补偿。本实施例通过设置可变反射率标定板实现了对不同反射率目标的模拟，通过可变反射率标定板的可移动设置以及延迟锁相环模块的延迟处理实现了对不同目标距离的模拟，使本发明无需构建庞大的场景即可实现不同反射率目标不同距离的误差标定，而且，整个过程均是在嵌入式信号控制及处理模块的控制下完成，无需人工操作，避免了人工带来的干扰，同时提高了效率。

在本实施例中，嵌入式信号控制及处理模块1的核心芯片可以采用高性能DSP处理芯片。激光器5可以为垂直腔面激光发射器，数量可以为多个。可以采用分辨率为320×240的TOF面阵传感器6。测距机8可以为激光测距机。

参见图2，本实施例的标定过程可以如下：

标定需要重复进行多次才能完成，每次以控制可变反射率标定板设定反射率和位置开始，以标定结果保存到查找表中结束。

步骤一：嵌入式信号控制及处理模块1控制可变反射率标定板7设定反射率r和位置(成像系统到标定板之间距离)，位置信息d_fb可通过表示暗箱9前面板到测距机之间距离d_fl、表示标定板厚度d_b、表示测距机到标定板的距离d_bl，即：

d_fb＝d_fl-d_b-d_bl              (1)

步骤二：所述嵌入式信号控制及处理模块1控制激光调制模块2进行激光发射频率和波形调制，得到a+b sin(ωt)的波形，其中，a表示波形在y轴方向上的偏移，b表示振幅，ω表示角频率，t表示时间；

步骤三：所述嵌入式信号控制及处理模块1控制延迟锁相环模块3进行延时时间设置，每一步延迟时间为τ，总共延时需要n次，即能够模拟的虚拟距离范围为[τ×c/2+d_fb,n×τ×c/2+d_fb],其中c为光速，n是延时阶数(整数)；

步骤四：经过步骤二的激光发射频率、波形信息调制和步骤三设定的延时时间后，激光驱动模块4控制激光器5发射调制激光；

步骤五：调制光照射到暗箱9内的可变反射率标定板7后返回回波信号，被TOF面阵传感器6接收；

步骤六：TOF面阵传感器6对回波信号进行差分相关采样电荷积分、数模转换后送入嵌入式信号控制及处理模块1，差分相关采样过程为：

由于传播、反射等效应导致反射波的幅值小于发射波，但是反射波和发射波的频率相同，则定义反射波为A+Bsinω(t-t_TOF)，A和B分别表示变化的偏移和振幅，t_TOF表示飞行时间。以一个周期内的4个相位窗积分结果为例：

其中

和

分别为调制波为正弦波情况下，相位窗为0°时，电容C1上积分所得的电荷量、相位窗为180°时，电容C2上积分所得的电荷量、相位窗为90°时，电容C1上积分所得的电荷量和相位窗为270°时，电容C2上积分所得的电荷量。将式(2)作差可得电容积分电荷差DC0和DC1为：

步骤七：嵌入式信号控制及处理模块1通过步骤六的差分相关采样结果计算激光飞行时间，即：

其中atan2(x,y)通过如下公式计算：

进一步结合光速得到成像系统和标定板之间的相对距离，即：

步骤八：嵌入式信号控制及处理模块1将不同反射率目标不同延时时间下成像系统测得的距离和实际距离的差值作为标定结果保存到查找表中；

步骤九：重复步骤一到八，满足标定要求(需要改变标定板反射率和位置的次数和需要改变延时时间的次数)后结束，不满足继续重复步骤一到八。

上述步骤六中，信号采集过程中进行4次差分相关采样。

上述步骤八中，包括距离误差查找表构建方法，参见图3：

具体过程为：①获取步骤一中的可变发射率标定板发射率；②通过激光测距机8获到标定板的距离，进一步解算得到成像系统到标定板之间的距离，如步骤一中的式(1)；③根据延迟锁相环DLL生成不同的延时时间，每一步延时时间为τ，总共可以n×τ；④在不同的延时时间下对每个像素测量100次差分采样图像并取平均；⑤根据差分相关采样值和公式(5)(6)求得每个像素的测量距离；⑥根据DLL延时等级获得实际距离，即公式(7)；⑦将不同反射率目标下的测量距离和实际距离的差存储到距离误差查找表，即公式(8)。

d′＝n×d_DLL+d_fb                  (7)

LUT_x,y,n,r＝d-d′                  (8)

其中，LUT_x,y,n,r为不同发射率目标不同阶数对应的距离误差矩阵，DCi，i＝0,1,2,3为差分相关采样DC值，n为DLL延时阶数，d_DLL为单阶延时距离，c为光速，f为调制频率。

上述步骤八中，包括一种连续的补偿值获取方法：

距离误差查找表中存储的是d_fb和d_DLL标定距离下的离散值，不能完全覆盖整体测试过程中的标定值，本发明给出一种连续的补偿值d_{offset_x,y}获取方法，用于成像系统实测时的误差补偿，即：

其中，D_{raw_x,y,r}表示成像系统实测数据，M_a,x,y,r、M_b,x,y,r、S_a,x,y,r、S_b,x,y,r为临时变量，即：

其中，i对应的值是根据成像系统实测距离值所对应的延时阶数进行确定。

本发明提供的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统能够实现对不同距离、不同目标的动态化、一体化标定，可以提高标定精度和标定效率，且不需要构建庞大的场景。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统，其特征在于，包括：固态面阵激光三维成像系统和动态标定系统；所述固态面阵激光三维成像系统包括：嵌入式信号控制及处理模块、激光调制模块、激光驱动模块、激光器以及TOF面阵传感器；动态标定系统包括：延迟锁相环模块、暗箱以及设置在所述暗箱中的可变反射率标定板和测距机；

其中，所述激光调制模块、所述延迟锁相环模块、所述激光驱动模块和所述激光器依次连接；所述激光调制模块还与所述TOF面阵传感器连接，所述激光器发射的激光经所述可变反射率标定板反射后被所述TOF面阵传感器采集；

所述可变反射率标定板能够在所述暗箱中移动，以使所述可变反射率标定板与所述激光器之间的距离可调；

所述测距机配置为基于所述测距机测得的其与所述可变反射率标定板之间的距离能够确定所述可变反射率标定板与所述激光器之间的距离；

所述激光调制模块在完成激光调制后同时分别向所述TOF面阵传感器发送开始采集信号以及向所述延迟锁相环模块发送延时开始信号；

所述嵌入式信号控制及处理模块，用于控制所述激光调制模块进行激光发射频率和波形的调制，控制所述延迟锁相环模块进行延时时间设置，控制所述可变反射率标定板设定反射率以及调整位置，并根据所述TOF面阵传感器的传感信号确定所述固态面阵激光三维成像系统的测量距离，根据所述测距机的测量信号以及延迟锁相环模块的延时时间确定所述可变反射率标定板与所述激光器之间的实际距离，以得到对于不同反射率目标不同延时下，所述实际距离与所述测量距离的差值；

所述测距机通过支架安装于所述暗箱内的后端，所述后端为远离激光器的一端；

所述嵌入式信号控制及处理模块根据d_fb＝d_fl-d_b-d_bl计算所述可变反射率标定板与所述激光器之间的距离d_fb，其中，d_fl表示暗箱前面板到测距机之间距离，d_b表示所述可变反射率标定板的厚度，d_bl表示测距机到所述可变反射率标定板的距离。

2.根据权利要求1所述的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统，其特征在于，所述嵌入式信号控制及处理模块还用于将所述实际距离与所述测量距离的差值作为误差补偿存储于查找表中。

3.根据权利要求1所述的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统，其特征在于，所述暗箱内设置有滑轨，所述可变反射率标定板通过沿所述滑轨滑动调整与所述激光器之间的距离。

4.根据权利要求1所述的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统，其特征在于，所述嵌入式信号控制及处理模块根据所述测距机的测量信号以及延迟锁相环模块的延时时间确定所述实际距离，具体为：

根据d′＝n×d_DLL+d_fb计算所述实际距离d′，其中，n为延迟锁相环模块的延时阶数，d_DLL为单阶延时距离，d_fb为基于所述测距机测得的所述可变反射率标定板与所述激光器之间的距离。

5.根据权利要求1所述的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统，其特征在于，所述嵌入式信号控制及处理模块根据TOF面阵传感器的传感信号确定所述固态面阵激光三维成像系统的测量距离，具体为：

根据

计算所述固态面阵激光三维成像系统的测量距离d，其中，c为光速，t_TOF为激光飞行时间。

6.根据权利要求1所述的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统，其特征在于，所述嵌入式信号控制及处理模块的核心芯片为DSP处理芯片。

7.根据权利要求1所述的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统，其特征在于，所述激光器为垂直腔面激光发射器，数量为多个。

8.根据权利要求1所述的固态面阵激光三维成像动态一体化标定系统，其特征在于，所述TOF面阵传感器的分辨率为320×240。

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