CN113589320A - 一种非扫描式单次三维激光雷达成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非扫描式单次三维激光雷达成像方法及装置，主要解决现有激光雷达成像技术中无法实现动态目标三维数据获取，无法单次三维成像，且成像装置结构复杂等问题。其中该方法包括：激光器发射出脉冲激光给分束镜,同时发射脉冲电信号经数字延迟器延迟发送给条纹相机；脉冲激光经分束镜反射、扩束镜或望远镜扩束后到达目标位置，目标位置反射的光信号经扩束镜或望远镜收束后，返回分束镜并透射；光学掩模板将投射的脉冲激光编码成伪随机编码；条纹相机将伪随机编码的光信号转换为电信号，然后通过压缩感知算法对目标位置的三维图像进行重构，最后通过荧光屏显示目标位置的三维图像。

Description

一种非扫描式单次三维激光雷达成像方法及装置

技术领域

本发明涉及激光雷达成像技术领域，特别涉及一种非扫描式单次三维激光雷达成像方法及装置。

背景技术

激光雷达成像应用研究开始于20世纪70年代，它是激光技术、雷达技术、光学扫描及控制技术、高灵敏度探测技术及高速计算机处理技术的综合新技术产物。激光雷达成像的基本原理是通过获取激光束到达目标不同点与返回探测器的整个飞行时间差来判断目标的三维空间位置，实现三维成像。现有的激光雷达三维成像技术主要包括：单光子雪崩二极管激光雷达技术、基于面阵单光子雪崩二极管的激光雷达技术、基于条纹相机的激光雷达技术等。

最常规的方式是的单光子雪崩二极管激光雷达探测技术，单光子雪崩二极管在盖革模式下光子信号会产生‘雪崩’增益，可以实现对微弱信号的探测，同时极具灵敏的淬灭电路可以实现该器件ns到几十ps的采样能力。因此，单光子雪崩二极管激光雷达探测技术可以区分微弱反射激光的飞行时间，实现目标的三维定位。但该技术要求以点扫描拼接的信号采集方式，这种方式不仅操作繁杂，而且不具备对动态目标的三维成像能力。

采用基于面阵单光子雪崩二极管作为激光雷达的探测器，可以在测量过程中避免点扫描的繁杂操作，简化了成像过程，实现单次三维成像。面阵单光子雪崩二极管激光雷达探测技术虽然避免了点扫描，但由于单光子雪崩二极管的动态范围极小，单次测量的情况下只能实现对目标的定位，因此面阵单光子雪崩二极管激光雷达探测技术要实现三维成像，依旧需要重复的测量。除此之外，面阵单光子雪崩二极管激光雷达器件的像素尺寸较大且技术不成熟，还存在成像空间分辨率较低、成像盲区大等缺点。

基于条纹相机的激光雷达技术采用高时间分辨的条纹相机作为探测器，基本原理是不同时刻返回的激光信号先后通过阴极转换成电信号，电信号随后被斜坡电压扫描，前后电子被偏转到不同的荧光屏位置，从而通过空间信息获得光子的飞行时间信息。条纹相机可以看作一种线阵超快探测器，一次成像可获取目标的一维空间信息和一维时间信息，再通过一维扫描实现三维成像。基于条纹相机的激光雷达成像技术虽满足了高精度，高动态范围的成像要求，但是它的成像视野是一条线，同样需要线扫描的方式才可以完成对目标的三维成像，无法实现单次三维成像。

综上所述，现有激光雷达三维成像技术都无法在单次情况下获得目标的三维空间分布和一维强度信息，无法完成对动态目标三维数据实时获取。

发明内容

本发明旨在提供一种非扫描式单次三维激光雷达成像方法及装置，用以解决现有激光雷达成像技术中无法对动态目标实现三维数据获取，无法单次三维成像，且成像装置结构复杂等问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种非扫描式单次三维激光雷达成像方法，其特殊之处是，包括以下步骤：

步骤一：激光器发射出脉冲激光给分束镜,同时发射脉冲电信号给数字延迟器,数字延迟器经过T0时间后将脉冲电信号发送给条纹相机，从而保证光子信号返回条纹相机时，相机处于工作状态；

步骤二：分束镜将脉冲激光反射至扩束镜或望远镜，扩束镜或望远镜将点光源扩束成面光源，从而避免了信息采集过程的繁杂，提高了采集效率；

步骤三：面光源中的不同光子在经历不同的时间后到达目标位置不同的三维深度，为了将光子聚合从而获取光子的有效返回时间，光子在达到目标位置后被目标位置反射，反射回的光子反向进入扩束镜或望远镜被收束；

步骤四：为了便于采集目标位置的位置数据，被收束后的光子经过分束镜透射后，被光学掩模板编码成伪随机编码；

步骤五：被编码后的光子通过条纹相机自身成像到达条纹相机阴极，在对应位置激发出阴极电子，从而将光信号转化成为电信号；

步骤六：条纹相机的全屏扫描时间为t0,荧光屏扫描方向的像素大小为A，条纹相机每隔t0/A时间采集一幅图像，相邻的第二幅图像采集位置沿扫描方向相对平移一个位置,全屏扫描后则可采集目标位置的所有信息；

步骤七：为了将重叠在一起的图样信息拆分开，通过压缩感知算法可得到目标位置对应不同时刻k的二维图像；

步骤八：为了获取目标位置前表面与荧光屏的距离D，根据步骤一中数字延迟器延迟时间T0及距离公式D＝0.5*T0*c，c为光速，即可算出；

步骤九：根据步骤六至步骤八采集的信息可得到每幅图像的相对深度dk,最终重构出目标三维空间信息的状态，从而获得目标的距离信息以及三维空间分布信息，相对深度公式如下：

dk＝(t0*k)/A。

进一步地，步骤一中的脉冲激光的波长在200～800nm之间；所述脉冲激光的脉宽小于10ns，信息采集效果较佳。

进一步地，为了获取更精准的信息数据，上述脉冲激光的波长为532nm时采集效果最佳。

进一步地，当步骤四中被收束后的光子的光斑直径为10mm时不会造成光信号的拥堵，从而提高数据采集的准确率。

进一步地，步骤四中光学掩模板的编码为包含“0”，“1”操作的伪随机编码，其中“0”表示阻挡光子通过，“1”表示允许光子通过；

为提高上述光学掩模板编码的清晰度，所述光学掩模板的大小为10mm；光学掩模板的采样率为30％；光学掩模板的像素大小为256*256。

进一步地，为确保图像呈现的清晰度，步骤六中荧光屏扫描方向的像素大小A为512*512。

此外，本发明还提供了一种非扫描式单次三维激光雷达成像装置，其特殊之处是，包括激光器、分束镜、扩束镜或望远镜、光学掩模板及条纹相机；

所述激光器用于发射脉冲激光；

所述分束镜用于改变脉冲激光的照射方向，扩束镜或望远镜用于将脉冲激光由点光源扩束成面光源，且分束镜、扩束镜或望远镜依次设置在脉冲激光的出射光路上，脉冲激光经分束镜反射、扩束镜或望远镜扩束后到达目标位置，目标位置反射的光信号经扩束镜或望远镜收束后，返回分束镜并透射；

所述光学掩模板、条纹相机依次设置在分束镜的透射光路上；所述光学掩模板用于将脉冲激光编码成伪随机编码；

所述条纹相机用于采集伪随机编码光信号，将其转换为电信号，对目标位置的三维图像进行重构，并显示目标位置的三维图像。

进一步地，上述成像装置还包括数字延迟器，数字延迟器设置于激光器与条纹相机之间；所述激光器还发射脉冲电信号，由上述数字延迟器将脉冲电信号延迟后发送给条纹相机，从而启动条纹相机使其处于工作状态。

进一步地，为了将不同时刻的图像分开，所述条纹相机利用压缩感知算法可得到不同时刻的二维图像，进而对目标位置的三维图像进行重构。

进一步地，为了将所获取的位置信息展示出来，所述条纹相机通过荧光屏显示目标位置的三维图像。

本发明的有益效果如下：

1、非扫描成像。本发明提出采用条纹相机与压缩感知理论相结合的压缩超快成像技术作为激光雷达的测量手段，在非扫描的条件下即可实现目标的成像。

2、单次测量。本发明通过超快时间分辨的条纹相机一维成像技术结合计算成像的方式实现了非扫描单次激光雷达三维目标成像，而传统的方式都要借助多次测量的方式才可以实现该目的。

3、可实时监测。本发明采用压缩感知算法将条纹相机的成像维度从一维提升至二维，实现皮秒量级时间分辨的二维成像能力，不仅扩展了传统条纹相机激光雷达的单次成像维度，而且还具备高时间分辨、二维空间分辨以及高动态范围的优势，可实现对动态目标三维信息实时监测的能力。

4、本发明增加了光学掩模板，光学掩模板采用部分透光模式，可有效去除噪音，保证采集信息的准确性。

5、本发明激光器的入射角度不受限，整体装置在使用上更为灵活，在结构上也更为简单，改变了传统激光雷达成像装置结构复杂的现状，提高了信息采集的效率，并节约了人工成本。

附图说明

图1为本发明一种非扫描式单次三维激光雷达成像装置的结构示意图；

图2为本发明一种非扫描式单次三维激光雷达成像方法中光学掩模板伪随机编码图案的示意图。

图中：

1-激光器，2-分束镜，3-扩束镜或望远镜，4-目标位置，5-光学掩模板，6-条纹相机，7-荧光屏、8-数字延迟器。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种非扫描式单次三维激光雷达成像方法及其装置作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚，需要说明的是：附图采用简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

结合图1提供的成像装置，下面对本发明一种非扫描式单次三维激光雷达成像方法进行阐述：

(1)激光器1发射出脉宽小于10ns的持续性短脉冲激光,同时发射脉冲电信号给数字延迟器8,数字延迟器8经过T0时间延迟后，将脉冲电信号发送给条纹相机6，从而启动条纹相机6使其处于工作状态。其中激光器1发射脉冲激光的波长在200-800nm之间，当波长为532nm时，信息采集效果最佳。脉冲激光从任意角度入射均可，其中90度入射角时采集效果最佳。

(2)脉冲激光经过分束镜2反射后到达扩束镜或望远镜3，扩束镜或望远镜3将脉冲激光由点光源扩束成面光源。

(3)面光源中的不同光子根据目标位置三维深度的不同，在经历不同的时间后到达目标的不同位置，假设到达目标较深位置M1的平面光子飞行时间为T1，到达目标较浅位置M2的平面光子飞行时间为T2，则T1>T2。

(4)光子到达目标位置后被反射，而后反向进入扩束镜或望远镜3进行收束，被收束后的光子的光斑空间直径为10mm，此直径范围不会造成反射回的光信号的拥堵，从而提高数据采集的准确率。

(5)被收束后的光子经过分束镜2投射后，首先被光学掩模板5编码，光学掩模板5为部分透光型，不透光的光子则被阻挡，光学掩模板5的编码为包含“0”，“1”操作的伪随机编码，其中“0”表示阻挡光子通过，“1”表示允许光子通过。伪随机编码通过计算机随机生成，光学掩模板5的大小为10mm,采样率为30％，光学掩模板5像素大小为256*256。结合图2所示，白色区域代表该空间位置数据被采集，黑色区域代表该空间位置数据被抛弃。

(6)被编码后的光子通过光学透镜到达条纹相机6的阴极，在对应位置激发出阴极电子，实现光信号到电信号的转换。

(7)电信号被条纹相机6的斜坡电压偏转扫描，不同时刻的电子受到不同的偏转力，最终到达荧光屏7的不同位置，其中从M1平面返回电子到达荧光屏7的返回时间为T3，从M2平面返回电子到达荧光屏7的返回时间为T4，则T3>T4。条纹相机6的全屏扫描时间为t0,荧光屏7扫描方向的像素大小为A，假设条纹相机6每隔t0/A时间采集一幅图像，且相邻的第二幅图像采集位置沿扫描方向相对平移一个位置，则不同时刻的二维图像相对前一幅平移一个像素位置，最终叠加在一起。

(8)通过压缩感知算法将混叠在荧光屏7上的不同时刻的二维图像分离开，得到目标位置4对应不同时刻k的二维图像，其中重构算法采用两部软阈值算法或其他压缩感知重构算法。

(9)根据数字延迟器8延迟时间T0可以获得目标位置4前表面与探荧光屏7的距离D＝0.5*T0*c，其中c为光速。

(10)根据距离公式及采集到的各类信息得到每幅图像的相对深度dk＝(t0*k)/A，最终根据空间强度以及距离深度信息重构出目标三维空间信息的状态以及三维空间分布信息。

结合图1所示，本发明一种非扫描式单次三维激光雷达成像装置，其特殊之处是，包括激光器1、分束镜2、扩束镜或望远镜3、光学掩模板5，条纹相机6及数字延迟器8；分束镜2、扩束镜或望远镜3依次设置在脉冲激光的出射光路上，光学掩模板5和条纹相机6依次设置在分束镜2的投射光路上，数字延迟器8设于激光器1和条纹相机6之间。

激光器1发射脉冲激光，同时发射脉冲电信号给数字延迟器8，由数字延迟器8将脉冲电信号延迟后发送给条纹相机6，从而启动条纹相机6使其处于工作状态。分束镜2用于改变脉冲激光的照射方向，扩束镜或望远镜3用于将脉冲激光由点光源扩束成面光源，脉冲激光出射后经分束镜2反射、扩束镜或望远镜3扩束后到达目标位置4，目标位置4反射的光信号经扩束镜或望远镜3收束后，返回分束镜2并透射；被收束的光子被光学掩模板5编码成伪随机编码，条纹相机6采集伪随机编码光信号，将其转换为电信号，而后通过matlab软件利用压缩感知算法将不同时刻的图像分开，从而得到不同时刻的二维图像，同时利用获取的关于目标位置4的距离信息，重构出目标位置4的三维信息，最终通过荧光屏7显示目标位置4的三维图像。

Claims (9)

1.一种非扫描式单次三维激光雷达成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：激光器发射出脉冲激光给分束镜,同时发射脉冲电信号给数字延迟器，数字延迟器将脉冲电信号延迟TO时间后发送给条纹相机；

步骤二：脉冲激光经分束镜反射至扩束镜或望远镜，由扩束镜或望远镜扩束成面光源；

步骤三：面光源中的不同光子在经历不同的时间后到达目标位置不同的三维深度，光子被目标位置反射后反向进入扩束镜或望远镜被收束；

步骤四：被收束后的光子经过分束镜透射后，被光学掩模板编码成伪随机编码；

步骤五：被编码后的光子通过条纹相机自身成像到达条纹相机阴极，在对应位置激发出阴极电子，转换为电信号；

步骤六：条纹相机的全屏扫描时间为t0,荧光屏扫描方向的像素大小为A，条纹相机每隔t0/A时间采集一幅图像，相邻的第二幅图像采集位置沿扫描方向相对平移一个位置；

步骤七：通过压缩感知算法得到目标位置对应不同时刻k的二维图像；

步骤八：根据步骤一中数字延迟器延迟时间T0可以获得目标位置前表面与荧光屏的距离D，距离公式为D＝0.5*T0*c,其中，c为光速；

步骤九：根据步骤六至步骤八采集的信息得到每幅图像的相对深度dk,最终重构出目标位置三维空间分布信息，其中相对深度公式如下：

dk＝(t0*k)/A。

2.根据权利要求1所述的非扫描式单次三维激光雷达成像方法，其特征在于：

步骤一中，所述脉冲激光的波长在200～800nm之间；

所述脉冲激光的脉宽小于10ns。

3.根据权利要求2所述的非扫描式单次三维激光雷达成像方法，其特征在于：

所述脉冲激光的波长为532nm。

4.根据权利要求1或2或3所述的非扫描式单次三维激光雷达成像方法，其特征在于：

步骤四中，所述被收束后的光子的光斑直径为10mm。

5.根据权利要求4所述的非扫描式单次三维激光雷达成像方法，其特征在于：

步骤四中，所述光学掩模板的编码为包含0、1操作的伪随机编码，其中0表示阻挡光子通过，1表示允许光子通过；

所述光学掩模板的大小为10mm；

所述光学掩模板的采样率为30％；

所述光学掩模板的像素大小为256*256。

6.根据权利要求5所述的非扫描式单次三维激光雷达成像方法，其特征在于：

步骤六中，所述荧光屏扫描方向的像素大小A为512*512。

7.一种非扫描式单次三维激光雷达成像装置，其特征在于：

包括激光器(1)、分束镜(2)、扩束镜或望远镜(3)、光学掩模板(5)及条纹相机(6)；

所述激光器(1)用于发射脉冲激光；

所述分束镜(2)、扩束镜或望远镜(3)依次设置在脉冲激光的出射光路上，脉冲激光经分束镜(2)反射、扩束镜或望远镜(3)扩束后到达目标位置(4)，目标位置(4)反射的光信号经扩束镜或望远镜(3)收束后，返回分束镜(2)并透射；

所述光学掩模板(5)、条纹相机(6)依次设置在分束镜(2)的透射光路上；所述光学掩模板(5)用于将脉冲激光编码成伪随机编码；

所述条纹相机(6)用于采集伪随机编码光信号，将其转换为电信号，对目标位置(4)的三维图像进行重构，并显示目标位置(4)的三维图像。

8.根据权利要求7所述的非扫描式单次三维激光雷达成像装置，其特征在于：

还包括设置于激光器(1)与条纹相机(6)之间的数字延迟器(8)；

所述激光器(1)还发射脉冲电信号，由数字延迟器(8)将脉冲电信号延迟后发送给条纹相机(6)，从而启动条纹相机使其处于工作状态。

9.根据权利要求7或8所述的非扫描式单次三维激光雷达成像装置，其特征在于：

所述条纹相机(6)利用压缩感知算法得到不同时刻的二维图像，进而对目标位置(4)的三维图像进行重构；

所述条纹相机(6)通过荧光屏(7)显示目标位置(4)的三维图像。

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