CN115656969A - 一种基于双ccd相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维成像领域，具体为一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统包括：发射模块、激光雷达探测模块、双CCD相机探测模块以及数据处理及控制模块，由发射模块对探测目标发出激光，光由探测目标反射后分别被激光雷达探测模块和双CCD相机探测模块探测，并传输数据至数据处理及控制模块进行处理并对两组数据进行匹配后成像，在双CCD相机探测模块增加两块反射镜，并利用光学方法对两CCD相机成虚像，在不增大系统体积的同时增长双CCD相机探测模块的基线长度，进而提高整个系统的探测距离和成像精度。

Description

一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统

技术领域

本发明涉及三维成像领域，具体涉及一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统。

背景技术

三维成像测量技术一直以来都是测量领域的一个研究热点，其以光电子学、计算机技术、信号与系统、图像处理等现代科学技术为基础，具有极大的研究潜力与十分广泛的应用背景，其应用领域包括：工业生产环境中的实时监测、无人驾驶车辆的环境感知以及军事侦察勘测等诸多方面。

相较于二维成像技术，三维成像技术可以获得目标的更多信息，对目标的识别有着极大的帮助。目前主要的三维成像技术有两种，分别为：激光雷达技术和双目立体视觉技术，这两种成像技术各有特点。激光雷达成像技术是利用激光技术与雷达技术，以发射激光作为探测手段，收集目标反射光获得目标信息的一种高精度、远距离成像方法，其具有抗干扰能力强、响应速度快、探测精度高等优势，在三维地形探测、大气观测、环境感知等方面有着极大的应用前景。但激光雷达受制于成像速率和脉冲激光器重复频率等，还存在着成像分辨率低，精度有待进一步提高、不能反映目标颜色识别能力较低等缺陷。双目立体视觉成像技术通过分析两台摄像机对应视点之间的空间几何关系获取目标的三维信息，其具有成像分辨率高、系统结构相对简单、成本较低等优势，目前已被广泛应用于测绘、医学影像、军事侦察以及工业监测等领域，但其也受于系统抗干扰能力弱、有效距离短、探测精度低等的限制，各方面性能有待进一步优化提高。

综合上述两种三维成像技术各自的优势，有研究人员将两种成像方式结合提出了一种激光雷达与双目视觉相机相配合的三维精细成像方案的装置(焦宏伟.基于成像激光雷达与双CCD复合的三维精细成像技术研究[D].长沙.国防科学技术大学博士学位论文，2012)。虽然该装置能够实现精细的三维成像，但其作用距离仅有20m左右，随着探测距离的增加，双CCD立体视觉的探测精度明显下降，制约着整套系统的探测距离。因此，增加双CCD立体视觉的探测距离是改进整套成像装置的重要方向之一。但目前增长系统基线的方法主要采用将两相机安装在滑轨上的方式，这种方式虽能有效增长基线长度，但同时也将增大系统的体积，存在一定的缺陷。

发明内容

本发明专利要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供了一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统，能够在不增大其中双CCD相机探测体积的同时增长其系统基线，进而提高系统的探测距离及探测精度，对目标进行精确成像。

本发明解决技术问题采用了下述技术方案：

一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统，包括：发射模块、激光雷达探测模块、双CCD相机探测模块以及数据处理及控制模块；所述发射模块发出激光，由探测目标反射后分别被激光雷达探测模块和双CCD相机探测模块探测，并传输数据至数据处理及控制模块进行处理并对两组数据进行匹配后成像；

所述的发射模块包括：激光器、光纤耦合器、扫描振镜，所述激光器的光出射端通过光纤耦合器与扫描振镜连接；

所述激光雷达探测模块包括：激光聚焦透镜与探测器，所述激光聚焦透镜安装于镜架上，并使其中心置于探测器光敏面前500mm处，所述激光聚焦透镜与探测器位于同一轴线上；

所述数据处理及控制模块，包括连接器、上位机，所述连接器分别连接探测器、第一CCD相机、第二CCD相机，所述上位机连接连接器；

所述双CCD相机探测模块包括：第一CCD相机与第二CCD相机，所述双CCD相机探测模块还包括：第一反射镜与第二反射镜，所述第一反射镜与第二反射镜安装于镜架上，所述第一CCD相机光心、第二CCD相机光心、第一反射镜中心、第二反射镜中心位于同一轴线上，所述第一CCD相机与第二CCD相机背向紧贴放置，所述第一反射镜中心靠近第一CCD相机光心且相距500mm，所述第二反射镜中心靠近第二CCD相机光心且相距500mm，所述第一反射镜镜面与第二反射镜镜面均与其中心所在轴线呈30°角，且第一反射镜镜面与第二反射镜镜面夹角120°。

所述激光器为波长905nm的光纤激光器。

所述扫描振镜内有两片镜片，分别控制垂直与水平方向的扫描，扫描角度15°。

所述探测器为APD探测器，可探测的光谱范围为800-1700nm，活性区直径为50μm。

所述激光聚焦透镜焦距500mm，直径为25.4mm。

所述第一CCD相机，第二CCD相机均采用彩色相机象元尺寸6.45μm×6.45μm，像面尺寸2/3英寸，所用镜头像面尺寸大于相机的像面尺寸，变焦范围为12.5mm～75mm,光圈1.2～16C。

所述第一反射镜与第二反射镜为圆形，直径为76.2mm，厚度为3mm。

所述用于安装激光聚焦透镜的镜架为五轴光学调整镜架，适用镜片尺寸1.0英寸。

所述用于安装第一反射镜与第二反射镜的镜架均为五轴光学调整镜架，适用镜片尺寸3.0英寸。

有益效果：

(1)采用了双CCD探测系统成像与激光雷达探测系统成像相结合的方式，并对两者的成像结果进行匹配，提高了所探测目标三维信息的精度，提升了成像系统的分辨率。

(2)采用了反射镜对CCD相机成虚像的方式增加两CCD相机光心间距，在双CCD相机探测体积基本不变的同时能够将系统基线长度增长至原来的1.5倍，提高了双CCD相机探测的探测距离及探测精度。

附图说明

图1为本发明的一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统结构示意图。

图2为本发明的一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统框架示意图。

图3为本发明的一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统的双CCD相机探测模块增长基线原理示意图。

1-探测器；2-聚焦透镜；3-扫描振镜；4-光纤耦合器；5-激光器；6-第一反射镜；7-第一CCD相机；8-第二CCD相机；9-第二反射镜；10-上位机；11-连接器。

具体实施方式

如图1，一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统，包括：发射模块、激光雷达探测模块、双CCD相机探测模块以及数据处理及控制模块；所述发射模块发出激光，由探测目标反射后分别被激光雷达探测模块和双CCD相机探测模块探测，并传输数据至数据处理及控制模块进行处理并对两组数据进行匹配后成像；所述的发射模块包括：激光器5、光纤耦合器4、扫描振镜3，所述激光器5的光出射端通过光纤耦合器4与扫描振镜3连接，所述激光器5为波长905nm的光纤激光器，所述扫描振镜3可进行垂直和水平方向扫描，扫描角度15°；所述激光雷达探测模块包括：激光聚焦透镜2与探测器1，所述探测器1接收面朝向探测目标方向，所述激光聚焦透镜2置于探测器1前500mm处，所述激光聚焦透镜与探测器位于同一轴线上，所述探测器1为APD探测器，可探测的光谱范围为800-1700nm，活性区直径为50μm；数据处理及控制模块，包括连接器11、上位机10，所述连接器11分别连接探测器1、第一CCD相机7、第二CCD相机8，所述上位机10连接连接器11；所述双CCD相机探测模块包括：第一CCD相机7与第二CCD相机8，所述第一CCD相机7，第二CCD相机8均采用彩色相机象元尺寸6.45μm×6.45μm，像面尺寸2/3英寸，所用镜头像面尺寸大于相机的像面尺寸，变焦范围为12.5mm～75mm,光圈1.2～16C，所述双CCD相机探测模块还包括：第一反射镜6与第二反射镜9，所述第一反射镜6与第二反射镜9为方形，长38.1mm，宽38.1mm，厚度为3mm，所述第一CCD相机7光心、第二CCD相机8光心、第一反射镜6中心、第二反射镜9中心位于同一轴线上，所述第一CCD相机7与第二CCD相机8背向紧贴放置，所述第一反射镜6中心靠近第一CCD相机7光心且相距50cm，所述第二反射镜9中心靠近第二CCD相机8光心且相距50cm，所述第一反射镜6与第二反射镜9均与其中心所在轴线呈30°角。

如图2，该系统包括：发射模块、激光雷达探测模块、双CCD相机探测模块以及数据处理及控制模块，由发射模块的激光器5发出激光，经过光纤耦合器4后由扫描振镜射3向目标，目标反射回的回波光子一部分由聚焦透镜2射入探测器1被激光雷达探测模块接收，另一部分由第一反射镜6和第二反射镜9分别反射后被两CCD相机7，8接收，激光雷达探测模块与双CCD相机探测模块分别成像，并将成像结果传输至数据处理及控制模块进行处理，并对两组数据进行匹配后得出更为精细的成像效果。

如图3，本系统中双CCD相机探测模块呈左右对称结构，两CCD相机7，8通过分别对两反射6，9镜成虚像的方式增长基线长度，采用两CCD相机7，8虚像镜头的光心连线作为系统的基线，系统基线长度将比实际系统的整体长度更长，当两反射镜之间夹角为60°，即两反射镜均与其中心所在轴线呈30°角时，系统基线长度将扩大为原来的1.5倍。

Claims (9)

1.一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统，包括：发射模块、激光雷达探测模块、双CCD相机探测模块以及数据处理及控制模块；所述发射模块发出激光，由探测目标反射后分别被激光雷达探测模块和双CCD相机探测模块探测，并传输数据至数据处理及控制模块进行处理并对两组数据进行匹配后成像；

所述的发射模块包括：激光器、光纤耦合器、扫描振镜，所述激光器的光出射端通过光纤耦合器与扫描振镜连接；

所述激光雷达探测模块包括：激光聚焦透镜与探测器，所述激光聚焦透镜安装于镜架上，并使其中心置于探测器光敏面前500mm处，所述激光聚焦透镜与探测器位于同一轴线上；

所述数据处理及控制模块，包括连接器、上位机，所述连接器分别连接探测器、第一CCD相机、第二CCD相机，所述上位机连接连接器；

所述双CCD相机探测模块包括：第一CCD相机与第二CCD相机，其特征在于：所述双CCD相机探测模块还包括：第一反射镜与第二反射镜，所述第一反射镜与第二反射镜安装于镜架上，所述第一CCD相机光心、第二CCD相机光心、第一反射镜中心、第二反射镜中心位于同一轴线上，所述第一CCD相机与第二CCD相机背向紧贴放置，所述第一反射镜中心靠近第一CCD相机光心且相距500mm，所述第二反射镜中心靠近第二CCD相机光心且相距500mm，所述第一反射镜镜面与第二反射镜镜面均与其中心所在轴线呈30°角，且第一反射镜镜面与第二反射镜镜面夹角120°。

2.根据权利要求1所述一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统，其特征在于，所述激光器为波长905nm的光纤激光器。

3.根据权利要求1所述一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统，其特征在于，所述扫描振镜内有两片镜片，分别控制垂直与水平方向的扫描，扫描角度15°。

4.根据权利要求1所述一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统，其特征在于，所述探测器为APD探测器，可探测的光谱范围为800-1700nm，活性区直径为50μm。

5.根据权利要求1所述一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统，其特征在于，所述激光聚焦透镜焦距500mm，直径为25.4mm。

6.根据权利要求1所述一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统，其特征在于，所述第一CCD相机，第二CCD相机均采用彩色相机象元尺寸6.45μm×6.45μm，像面尺寸2/3英寸，所用镜头像面尺寸大于相机的像面尺寸，变焦范围为12.5mm～75mm,光圈1.2～16C。

7.根据权利要求1所述一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统，其特征在于，所述第一反射镜与第二反射镜为圆形，直径为76.2mm，厚度为3mm。

8.根据权利要求1所述一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统，其特征在于，所述用于安装激光聚焦透镜的镜架为五轴光学调整镜架，适用镜片尺寸1.0英寸。

9.根据权利要求1所述一种基于双CCD相机与激光雷达相结合的三维精细成像系统，其特征在于，所述用于安装第一反射镜与第二反射镜的镜架均为五轴光学调整镜架，适用镜片尺寸3.0英寸。

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