CN114442117A - 高分辨率闪光激光雷达成像系统 - Google Patents

Abstract

一种高分辨率闪光激光雷达成像系统，包括：调制光发生器、光学发射机构、光学接收机构以及信号采集处理器，其中：激光发生器发射激光，经调制器后产生周期激光脉冲串，激光脉冲经光学发射机构转化为空间激光脉冲并发射至自由空间，目标反射回来的激光脉冲经过光学接收机构产生电信号，该信号由信号采集处理器进行数据处理。本发明基于单光子探测阵列的直接飞行时间(dTOF)，采用线性波长扫描激光器，利用两个虚拟相位阵列(VIPA)将不同波长的激光脉冲做二维分光，实现成像像素的提高。

Description

高分辨率闪光激光雷达成像系统

技术领域

本发明涉及的是一种激光雷达领域的技术，具体是一种分辨率达到75urad的闪光激光 雷达成像系统。

背景技术

现有的闪光激光雷达系统的像素由探测阵列像素决定，而获得多像素的单光子探测阵列 成本很高。为了提高闪光激光雷达的成像像素，一般采用波束扫描方法。但一般的机械扫描会 导致系统稳定性下降，而基于微电机振镜以及光相控阵的固态波束扫描方案分别面临只能在一 个维度上进行扫描以及对激光功率限制较大的问题。

发明内容

本发明针对现有技术三维成像的像素个数受计时器数量限制且光强度信息和光传播时 间信息难以同步的缺陷，提出一种高分辨率闪光激光雷达成像系统，具体是基于单光子探测阵 列的直接飞行时间(dTOF)闪光激光雷达成像系统，采用了线性波长扫描激光器，利用两个虚拟 相位阵列(VIPA)将不同波长的激光脉冲做二维分光，实现成像像素的提高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种高分辨率的闪光激光雷达成像系统，包括：调制光发生器、光学发射机 构、光学接收机构以及信号采集处理器，其中：激光发生器发射激光，经调制器后产生周期激 光脉冲串，激光脉冲经光学发射机构转化为空间激光脉冲并发射至自由空间，目标反射回来的 激光脉冲经过光学接收机构产生电信号，该信号由信号采集处理器进行数据处理。

所述的调制光发生器包括：激光发生器和调制器，其中：激光发生器发出线性波长扫描 激光。

所述的光学发射机构包括：第一柱面透镜、第一虚拟相位阵列、第二柱面透镜和第二虚 拟相位阵列，其中：两个虚拟相位阵列相互垂直放置且两个表面的材质相同。

所述的光学接收机构包括：依次设置的聚焦透镜、微透镜阵列和单光子探测阵列。

所述的信号采集处理器包括：相互连接的数据采集卡和数据处理器。

本发明涉及一种基于上述系统的成像方法，包括以下步骤：

步骤1：打开调制光发生器，产生周期激光脉冲。

步骤2：激光脉冲经过由两个相互垂直放置的VIPA组成的光学发射机构，产生可随波 长变化扫描的二维激光点阵。

步骤3：激光脉冲点阵到达目标表面，并被目标表面散射，光学接收机构接收经目标表 面散射的激光脉冲点阵，产生光子计数直方图。

步骤4：信号采集处理器根据步骤3产生的光子计数直方图获取每一像素的激光脉冲传 播时间并计算得到每一像素对应目标的距离值，得到一个较低分辨率深度图。

步骤5：调整调制光发生器中激光发生器的发射激光波长并重复步骤2至步骤4获得单 个位置该波长下的较低分辨率深度图，然后再在全部目标区域下重复步骤2至步骤4，得到激 光点阵覆盖的多个波长下的较低分辨率深度图。

步骤6：将多个波长下的较低分辨率深度图进行组合得到高分辨率深度图。

技术效果

本发明通过两个相互垂直放置的VIPA，并使其工作于宽度达到75urad的倾斜角以产生 可随波长变化进行扫描二维激光点阵，仅利用激光波长的变化即可实现二维激光点阵在俯仰角 和方位角两个方向上的扫描，具有较高的稳定性、较低的能耗和较快的扫描速度。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为微透镜阵列与单光子探测阵列的工作原理示意图；

图3为光学接收机构的工作原理示意图

图4为VIPA干涉原理示意图；

图5为不同出射角度与其对应的干涉级之间关系的仿真示意图；

图6为像素感光角范围与不同波长的色散角仿真示意图；

图7为全部80个像素与VIPA各干涉级之间的耦合关系仿真示意图；

图8为二维分光模块工作原理示意图；

图9为各干涉级在俯仰角和方位角两个维度上扫描的仿真示意图；

图10为400个波长扫描点对应产生的激光点阵示意图；

图11为单个像素接收到激光脉冲产生的电脉冲示意图；

图12为对单个像素产生的电脉冲信号进行预处理后的结果示意图；

图13为实施例应用示意图；

图中：线性波长扫描激光器1、光调制器2、扩束镜3、第一柱面透镜4、第一虚拟相位阵列5、第二柱面透镜6、第二虚拟相位阵列7、聚焦透镜8、微透镜阵列9、单光子探测阵列10，数据处理器11。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括：光学发射机构和光学接收机构，其中：光学发射机构包括： 依次设置的线性波长扫描激光器1、光调制器2、扩束镜3、第一柱面透镜4、第一虚拟相位阵 列5、第二柱面透镜6、第二虚拟相位阵列7；光学接收机构包括：依次设置的聚焦透镜8、微 透镜阵列9、单光子探测阵列10和数据处理器11，其中：线性波长扫描激光器1与光调制器 2相连，光调制器2的输出经扩束镜3产生较宽的平行光束，第一柱面透镜4将宽激光束聚焦 耦合进入第一虚拟相位阵列5，第一虚拟相位阵列5的输出激光经第二柱面透镜6耦合进入第 二虚拟相位阵列7，第二虚拟相位阵列7的输出激光发射至自由空间，经目标反射的激光脉冲 沿原方向返回，经聚焦透镜8到达微透镜阵列9，微透镜阵列9将入射光进一步聚焦到单光子 探测阵列10，单光子探测阵列10与数据处理器11相连。

如图2所示，所述的单光子探测阵列10像素点数为60×80，其中每个像素面积为30μm×30μm，感光面积为12.88μm×23μm，填充因子为32.9％，为了提高填充因子，在单 光子探测阵列10上放置一阵元数目同为60×80，每个阵元大小同为30μm×30μm的微透镜阵列9，其中每个微透镜的焦距f₁与微透镜阵列9和单光子探测阵列10之间的间距相同。

如图3所示，所述的聚焦透镜8的焦距f₂与其和微透镜阵列9平面之间的间距相同，且满足f₂tan(θ_s)≥40×30μm+r₂，其中r₂为聚焦透镜8的半径，

40×30μm代表聚焦透镜8中轴与微透镜阵列9边缘之间的距离；使得从任何方向聚焦到微透镜阵列9平面上的光都能被聚焦到对应的单光子阵列10像素上，

所述的光学接收机构工作方式与填充因子100％的光电探测阵列工作方式相同，第j个 像素对应的感光区域中心角度

其中y_j＝(40-j+0.5)30μm,j＝1,2,...,80。 光学发射机构中的线性波长扫描激光器1在850nm～855.4nm以0.03nm的波长扫描间隔， 10kHz的扫描速度发射连续激光，光调制器2以周期64ns，占空比7.8％的电信号调制连续激 光产生脉冲重复周期为64ns，脉冲宽度为5ns的激光脉冲串，激光脉冲经扩束镜3准直进入第 一柱面透镜4，然后聚焦耦合进入第一虚拟相位阵列5。

如图4所示，所述的第一虚拟相位阵列5的放置方向与入射光形成28度的夹角θ_i，其 厚度t＝1.686mm，在852.11nm处折射率n＝1.452469，该第一虚拟相位阵列5由两个反射率 不同的表面组成，其中第一表面的反射率R为100％，第二表面反射率r为95％，光束经第二 表面反射的同时会产生部分透射，且多个出射光束之间有固定的相位差并相互干涉形成条纹， 当入射光束强度分布满足高斯分布，则其强度关于出射俯仰角θ_e的分布为：

其中：

λ为波长，其表现为周期条纹，出射的干涉条纹总数量与由扩束镜3准直后的光束宽度和第一柱面透镜4的焦距决定的 包络

有关，第m级干涉条纹的强度峰值出射方向随波长变化而变化，即

其中

不同波长的入射光将在俯仰角方向区分。

为实现每列像素与一俯仰角对应且每行像素与一方向角区分，设置光学接收机构在纵轴 上的各像素与俯仰角方向θ_e一一对应，则第j个和第j+1个的像素的感光范围角间距应与其分 别对应的第m级和第m+1级干涉条纹的出射角间距相同，即|θ_j+1-θ_j|＝|θ_m+1(λ)-θ_m(λ)|， 其中j＝1,2,…,80，干涉级数m与其对应的出射方向θ_e满足

即如图5所示。该干涉级数 m是θ_e的二次函数，当随j从1到80，|θ_j+1-θ_j|＝|θ_m+1(λ)-θ_m(λ)|等式两侧的变化不同步， 无法都严格满足，在实际应用中只考虑j＝40时的情况，此时感光范围的中心位于

则将上值代入可得

其中

将参数代入可得f₂＝41.9mm。

随着激光波长变化，干涉条纹出射方向将出现移动，其工作模式以及第 j＝1,…,39,40,41,42,…,80个像素对应的感光角度范围如图6所示，每个像素对应一个干涉级。各干涉级的总强度分布由入射光束的强度分布包络

决定，如图7所示。

如图6所示，随着激光波长变大，同一干涉级的干涉条纹俯仰角变小，但每个像素对应 的感光范围不变，当激光波长进一步变大将会导致低一级的干涉条纹出现在该列像素对应的感 光范围内，其具体形式为光频率(波长)变化满足自由光谱范围(FSR)的整数倍时，每个像素的 对应的俯仰角相同，所以再令第一虚拟相位阵列5的输出光经过第二柱面透镜6聚焦进入横向 放置的第二虚拟相位阵列7实现不同波长的入射光在方位角上的区分，其工作方式如图8所示。 FSR的计算公式为：

与第一虚拟相位阵列5相比，第二虚拟相位阵列7除了倾斜角度为35°，由于倾斜角度不同，导致第二虚拟相位阵列7的FSR与第一相位阵列5的FSR不同，因此随着出射激光波长变化，其干涉级可以在俯仰角和方位角两个维度上实现扫描，如图9所示，其中每个格代表 单光子探测阵列10每个像素的感光角范围，当线性波长扫描激光器1在850nm～855.4nm以 0.03nm的波长间隔扫描时，其形成的扫描点阵如图10所示。理论上，波长扫描范围越大，波 长扫描间距越小，形成的扫描点阵越密，最终获得的高分辨率深度图像像素提高倍数越高。经 目标反射产生的回波激光脉冲沿原方向返回，经光学接收机构产生如图11所示的相应的单个 像素接收光子产生的电信号，传输至数据处理器11进行处理，且每次传输数据的时刻应与线 性波长扫描激光器1扫至下一个波长的时刻同步。

为了防止出现因目标距离过远，回波能量过低而导致的较大测距误差，需要对光子计数 值施加门限，认为光子计数值小于该门限的时刻不含回波而对其做归零处理，

其中门限值threshold越高，系统的噪声容限越高，但对单光子探测阵列10的灵敏度要求也越高。因为在回波脉冲之外出现的光子计数一般是由单光子 探测阵列10设备的温度较高而引入的暗计数导致，所以其一般呈现为散粒噪声，可以利用一 维中值滤波消除，为了尽可能消除散粒噪声又不影响脉冲波形，可以令中值滤波器阶数2N与 脉冲宽度成正比，若将图11中的信号设为r(n)，n＝1,2,...,M，其中M为1024(以62.5ps的 采样间隔对整个探测周期64ns的总采样点数)，则对其进行一维中值滤波可表示为 m(n)＝med(r(n-N),...,r(n),...,r(n+N))，其中med()表示取中值函数。经上述处理后得到 的信号R(n)如图12所示，最后经自相关处理和峰值判别即可得到回波脉冲激光的到达时间t， 根据公式d＝c×t/2，即可得到视野区(FOV)与探测设备间的距离。单光子探测阵列10每次向 数据处理器11传输的数据包含其各个像素接收光子而产生的类似图11的电信号数据，对各个 像素的电信号数据都做上述处理即可产生一个较低分辨率三维深度图，将多个不同激光波长对 应产生的较低分辨率三维深度图进行组合即可得到一个高分辨率三维深度图像。

如图10所示，点阵的分布并不均匀，在实际应用中，当直接对其进行存储，需要额外 的空间存储每个点对应的俯仰角和方位角；可以通过逆双线性插值法将其变成一张像素分布均 匀的深度图像，从而解决该问题，且该深度图像素个数与原点阵点个数相近。

经过具体实际实验，使用长度为20mm，厚度为1.686mm，在852.11nm处折射率为1.452469，前后表面反射率分别为95％和100％的VIPA，以40度的倾斜角进行布置，并将波长为850nm的激光耦入，能够得到角宽度为75urad的干涉点阵，并且改变波长可以使干涉点阵同时进行扫描，如图13所示。

与现有技术相比，本发明将闪光激光雷达成像分辨率提高两个数量级并采用微透镜阵列 补偿了较低的填充因子的同时，仅改变激光器波长即可实现波束扫描，具有较高的稳定性、较 低的功耗和较快的扫描速度。本发明利用了线性波长扫描激光器和两个虚拟相位阵列的组合实 现了出射激光脉冲的二维扫描，实现了基于单光子探测阵列的闪光激光雷达的成像像素扩展。 与现有技术相比，本发明对于基于单光子探测阵列的闪光激光雷达，利用较简单的易于集成的 全固态结构实现了成像像素的高倍数扩展。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式 对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围 内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种高分辨率的闪光激光雷达成像系统，其特征在于，包括：调制光发生器、光学发射机构、光学接收机构以及信号采集处理器，其中：激光发生器发射激光，经调制器后产生周期激光脉冲串，激光脉冲经光学发射机构转化为空间激光脉冲并发射至自由空间，目标反射回来的激光脉冲经过光学接收机构产生电信号，该信号由信号采集处理器进行数据处理；

所述的光学发射机构包括：第一柱面透镜、第一虚拟相位阵列、第二柱面透镜和第二虚拟相位阵列，其中：两个虚拟相位阵列相互垂直放置且两个表面的材质相同。

2.根据权利要求1所述的高分辨率的闪光激光雷达成像系统，其特征是，所述的调制光发生器包括：激光发生器和调制器，其中：激光发生器发出线性波长扫描激光；

所述的光学接收机构包括：依次设置的聚焦透镜、微透镜阵列和单光子探测阵列；

所述的信号采集处理器包括：相互连接的数据采集卡和数据处理器。

3.根据权利要求1所述的高分辨率的闪光激光雷达成像系统，其特征是，所述的第一虚拟相位阵列由两个反射率不同的表面组成，其中第一表面的反射率R为100％，第二表面反射率r为95％，其厚度t＝1.686mm，在852.11nm处折射率n＝1.452469。

4.根据权利要求1或3所述的高分辨率的闪光激光雷达成像系统，其特征是，所述的第一虚拟相位阵列的放置方向与入射光形成28度的夹角θ_i，光束经第二表面反射的同时会产生部分透射，且多个出射光束之间有固定的相位差并相互干涉形成条纹，当入射光束强度分布满足高斯分布，则其强度关于出射俯仰角θ_e的分布为：

其中：

λ为波长，其表现为周期条纹，出射的干涉条纹总数量与由扩束镜准直后的光束宽度和第一柱面透镜的焦距决定的包络

有关，第m级干涉条纹的强度峰值出射方向随波长变化而变化，即

其中

不同波长的入射光将在俯仰角方向区分。

5.根据权利要求4所述的高分辨率的闪光激光雷达成像系统，其特征是，所述的光学接收机构在纵轴上的各像素与俯仰角方向θ_e一一对应，则第j个和第j+1个的像素的感光范围角间距应与其分别对应的第m级和第m+1级干涉条纹的出射角间距相同，即|θ_j+1-θ_j|＝|θ_m+1(λ)-θ_m(λ)|，其中j＝1,2,…,80，干涉级数m与其对应的出射方向θ_e满足

该干涉级数m是θ_e的二次函数，当随j从1到80，|θ_j+1-θ_j|＝|θ_m+1(λ)-θ_m(λ)|等式两侧的变化不同步，无法都严格满足，在实际应用中只考虑j＝40时的情况，此时感光范围的中心位于

则将上值代入可得

其中

将参数代入可得f₂＝41.9mm。

6.一种根据权利要求1～5中任一所述系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：打开调制光发生器，产生周期激光脉冲；

步骤2：激光脉冲经过由两个相互垂直放置的VIPA组成的光学发射机构，产生可随波长变化扫描的二维激光点阵；

步骤3：激光脉冲点阵到达目标表面，并被目标表面散射，光学接收机构接收经目标表面散射的激光脉冲点阵，产生光子计数直方图；

步骤4：信号采集处理器根据步骤3产生的光子计数直方图获取每一像素的激光脉冲传播时间并计算得到每一像素对应目标的距离值，得到一个较低分辨率深度图；

步骤5：调整调制光发生器中激光发生器的发射激光波长并重复步骤2至步骤4获得单个位置该波长下的较低分辨率深度图，然后再在全部目标区域下重复步骤2至步骤4，得到激光点阵覆盖的多个波长下的较低分辨率深度图；

步骤6：将多个波长下的较低分辨率深度图进行组合得到高分辨率深度图。

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