CN116819563A - 基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像系统及方法 - Google Patents
基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116819563A CN116819563A CN202311047904.5A CN202311047904A CN116819563A CN 116819563 A CN116819563 A CN 116819563A CN 202311047904 A CN202311047904 A CN 202311047904A CN 116819563 A CN116819563 A CN 116819563A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ccd
- light
- splitting cube
- optical
- laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 37
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 238000001444 catalytic combustion detection Methods 0.000 claims abstract description 52
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 35
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 3
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 16
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 6
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像系统及方法。本发明采用电光调制器将扫频微波信号加载到激光上，并搭建空间光桥，使得信号光和参考光具有2倍于测距距离的光程差，同时利用空间光桥，在4个CCD上获得具有90°相位差的相干图案，然后基于相干图像，消除信号光和参考光的直流项和相位，最后通过计算两路信号(信号光和参考光)的重叠面积，计算出待测物的距离。由于本发明能够排除相位干扰和背景光干扰，其相比单CCD成像抗干扰能力更强。与传统激光雷达相比，其测量精度高、测量距离远、同时抗干扰。
Description
技术领域
本发明涉及智能传感器技术领域，具体涉及一种基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像系统及方法。
背景技术
随着自动驾驶、人工智能等先进科学技术领域的快速发展，快速、高精度的距离测量成为了支撑相关应用的关键技术。相比于传统的视觉测距、毫米波雷达测距等方法，激光雷达具有距离分辨率与角分辨率高的优点，能精确感知物体的距离与形状的优点，成为了最具潜力的技术解决范式。目前激光雷达主要有飞行时间法(ToF)和调频连续波法(FMCW)激光雷达两类。飞行时间法激光雷达原理简单，但是测距精度低；调频连续波激光雷达精度高，但是由于激光器线宽的限制，直调式调频连续波激光雷达相干长度短，无法探测距离较远的目标。另外，传统激光雷达成像质量受机械振动影响大。因此，研究精度高、测量距离远、抗干扰的全固态激光雷达是实现快速、高精度的距离测量的关键。
目前的全固态激光雷达主要有闪光(Flash)激光雷达和相控阵(OPA)调频连续波激光雷达。闪光激光雷达技术基于飞行时间法，通过使用旋光晶体等，将返回时间转化为光的偏振等其他信息，进一步转化为光的强度，并通过设计光学成像将该强度信息直接通过CCD进行采集，并计算出CCD每一像素点对应的物体的距离信息。该方法原理简单，能够对待测区域内所有位置同时成像，对振动不敏感，但测量时需要先验信息且测量精度依旧有限。相控阵调频连续波激光雷达通过控制发射光之间的相对相位差实现对待测物的扫描，该方案测距精度高，器件体积小，但在控制过程中会产生旁瓣，影响对光束方向的控制，同时相控阵调频连续波激光雷达输出功率普遍较低，因此测量距离有限。然而能进行高精度、远距离测量的抗干扰能力强的全固态激光雷达尚未被报道。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像系统及方法，采用电光调制器将扫频微波信号加载到光上，并使用空间光桥接器使4个CCD接收到的信号光与参考光有不同相位差，并通过计算得到两路信号的重叠面积，计算出待测物的距离。与传统激光雷达相比，其测量精度高、测量距离远、抗干扰能力强。
本发明的基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像系统，包括：激光器、微波源、第一偏振控制器、电光调制器、光耦合器、第二偏振控制器、第一准直器、第一凸透镜、第三偏振控制器、第二准直器、第二凸透镜、第一偏振片、1/4波片、非偏振分束立方、第一偏振分束立方、第二偏振分束立方、第三凸透镜、第二偏振片、第一CCD、第二CCD、第三CCD和第四CCD；
其中，激光器发射激光；微波源产生调制信号；所述激光经第一偏振控制器进入电光调制器，在电光调制器基于调制信号进行调制后，由光耦合器分为两束，其中一束为信号光，信号光依次经第二偏振控制器、第一准直镜和第一凸透镜，照射在待测物上；另一束为参考光，参考光依次经第三偏振控制器、第二准直镜、第二凸透镜、第一偏振片和1/4波片照射在非偏振分束立方上，由非偏振分束立方分成两路，一路经第二偏振分束立方分束后，分别在第一CCD和第二CCD上成像；另一路经第一偏振分束立方分束后，分别在第三CCD和第四CCD上成像；信号光经待测物反射后，经第三凸透镜和第二偏振片照射在非偏振分束立方上，经非偏振分束立方、第二偏振分束立方、第一偏振分束立方分束后，分别在第一CCD、第二CCD、第三CCD和第四CCD上成像；
其中，4个CCD具有90°相位差，信号光和参考光分别在4CCD上强度相等，信号光与参考光的光程差两倍于待测物距离。
较佳的，激光器为窄线宽激光器。
较佳的，在第二凸透镜与1/4波片之间设有针孔滤波器。
较佳的，所述调制信号为线性啁啾信号。
较佳的，所述电光调制器采用马赫曾德强度调制器。
较佳的，微波源的电压远小于电光调制器的半波电压。
本发明还提供了一种基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像方法，采用上述系统进行成像，得到4个CCD的输出电流；合并4个CCD的输出电流，并消除直流项和相位项之后，得到信号isig(t)；对isig(t)做快速傅里叶变换，获得频谱峰值fpeak，则待测物距离激光器的距离d为：
其中，c为光速，T为调制信号的扫频时间，B为调制信号的扫频带宽。
较佳的，采用系统进行成像后，先对4个CCD的图像进行标定，消除图像的平移和旋转之后，再进行合并。
有益效果：
(1)本发明采用电光调制器将扫频微波信号加载到激光上，并搭建空间光桥，使得信号光和参考光具有2倍于测距距离的光程差，同时利用空间光桥，在4个CCD上获得具有90°相位差的相干图案，然后基于相干图像，消除信号光和参考光的直流项和相位，最后通过计算两路信号(信号光和参考光)的重叠面积，计算出待测物的距离。由于本发明能够排除相位干扰和背景光干扰，其相比单CCD成像抗干扰能力更强。与传统激光雷达相比，其测量精度高、测量距离远、同时抗干扰。
(2)本发明对激光采用外部强度调制，加载线性啁啾信号，相比内调有更长的相干长度。同时，使用窄线宽激光器，激光的相干长度更长，使系统测量距离不受到相干长度的限制。
(3)本发明采用马赫曾德强度调制器对激光进行外部强度调制，该方法调制线性度相比直调激光器更好，使测量分辨率不受调制线性度的限制。
(4)4个CCD共用同一凸透镜进行成像，使CCD之间标定的复杂度减小。
附图说明
图1为本发明全固态激光雷达三维成像系统的结构框图。
其中，1-窄线宽激光器，2-第一偏振控制器，3-光纤电光调制器，4-90：10光耦合器，5-第二偏振控制器，6-第一准直器，7-第一凸透镜，8-控制器，9-微波源，10-第三偏振控制器，11-第二准直器，12-第二凸透镜，13-针孔滤波器，14-第一偏振片，15-四分之一波片，16-第三凸透镜，17-第二偏振片，18-第一偏振分束立方，19-非偏振分束立方，20-第二偏振分束立方，21-第一CCD，22-第二CCD，23-第三CCD，24-第四CCD，25-待测物。
图2为成像结果图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像系统，如图1所示，包括：激光器1、第一偏振控制器2、光纤电光调制器3、光耦合器4、第二偏振控制器5、第一准直器6、第一凸透镜7、控制器8、微波源9、第三偏振控制器10、第二准直器11、第二凸透镜12、针孔滤波器13、第三凸透镜16、第一CCD 21、第二CCD 22、第三CCD 23、第四CCD 24、待测物25和空间光桥接器。所述空间光桥接器包括第一偏振片14、四分之一波片15、第二偏振片17、第一偏振分束立方18、非偏振分束立方19、第二偏振分束立方20。
如图1所示，所述激光器1与第一偏振控制器2通过光纤连接，所述第一偏振控制器2与电光调制器3的输入端通过光纤连接，电光调制器3的输出端与光耦合器4的输入端通过光纤连接，光耦合器4的两个输出端分别与第二偏振控制器5和第三偏振控制器10通过光纤连接，第二偏振控制器5与第一准直器6相连，第三偏振控制器10与第二准直器11通过光纤连接。
第一准直器6的输出光被第一凸透镜7接收，第一凸透镜7的输出光被待测物25接收，待测物25的反射光被第三凸透镜16接收，第三凸透镜16的输出光被第二偏振片17接收，第二偏振片17的输出光被非偏振分束立方19的第一接收面接收。
第二准直器11的输出光被第二凸透镜12接收，第二凸透镜的输出光被针孔滤波器13接收，真空滤波器13的输出光被第一偏振片14接收，第一偏振片14的输出光被四分之一波片15接收，四分之一波片15的输出光被非偏振分束立方19的第二接收面接收。
非偏振分束立方19的输出光分为两路，分别被第一偏振分束立方18和第二偏振分束立方20接收；第一偏振分束立方18的输出光分为两路，分别被第三CCD23和第四CCD24接收；第二偏振分束立方20的输出光分为两路，分别被第一CCD21和第二CCD22接收。
第一CCD21、第二CCD22、第三CCD23和第四CCD24与控制器8连接，控制器8与激光器1和微波源9连接，微波源9与电光调制器3连接。
激光器1产生光信号，经过第一偏振控制器2调整偏振方向后发射到电光调制器3进行强度调制，其中调制信号来自于微波源9。经过调制后的光进入光耦合器4后分为信号光和参考光两路。本实施例中，激光器1采用窄线宽激光器，发射频率为f的单频光信号，窄线宽激光有更长的相干距离，可以测量的距离更远。微波源9输出的调制信号为线性啁啾信号，具有高分辨率、抗干扰能力强、高精度的优点。本实施例中，电光调制器3采用马赫曾德强度调制器，相比传统FMCW激光雷达，测距误差不受大气扰动引起的多普勒效应的影响。微波源9的电压远小于电光调制器3的半波电压，可以忽略高阶边带的影响。本实施例中，光耦合器4将输入光按90:10分为信号光和参考光。
信号光经过第二偏振控制器5调整偏振方向后发送到第一准直器6从光纤耦合到空间中。耦合到空间中的信号光经过第一凸透镜7扩束，覆盖待测物25。从待测物反射的光经过第三凸透镜16汇聚后发送至空间光桥接器中的第二偏振片17。同时，参考光经过第三偏振控制器10调整偏振方向后发送到第二准直器11耦合至空间光中。随后参考光经过第二凸透镜12聚焦在针孔滤波器13的针孔中心实现空间滤波。设置针孔滤波器13，可滤除光的高频分量，消除干涉条纹，改善光束质量。滤波后的参考光是发散光，从第一偏振片14调整偏振方向后发送至1/4波片，随后进入空间光桥接器。信号光与参考光经过空间光桥接器后，各自分为4束从四个出口输出到第一CCD21、第二CCD22、第三CCD23和第四CCD24。其中，信号光汇聚在CCD上，参考光不经过汇聚均匀地覆盖4台CCD上。设置1/4波片可以将线偏振光转为圆偏振光，使得水平和竖直方向的光有90°相位差，用于产生后面4个CCD上各自相差90°的相位。
假设微波源9输出频率为fm的单频正弦信号，电光调制器3的调制度为M，CCD响应度为抵达CCD的信号光与参考光光强相等，总光强为I0。光程差为ΔL，光速为c，J1(·)为一阶贝塞尔函数，当调制度较小时，第一CCD、第二CCD、第三CCD和第四CCD的输出电流分别为：
经过计算,我们可以得到信号：
式(5)为结合4个CCD输出得到的信号，相比式(1)-(4)，该式不包含直流项DC以及交流项，能够排除由于空气折射率变化或系统震动导致的光程差变化对系统的影响。
实际应用中，微波源9输出线性调频信号，即式(5)中的fm可表示为：
其中，起始频率为f0，扫频带宽为B，时间为t，扫频时间为T，
将式(6)带入式(5)，可得：
其中，τC为常数τC＝f0T/B。
也可表示为：
对式(8)做快速傅里叶变换(FFT)，可得：
由sinc函数性质可得，光程差可由频谱峰值fpeak计算得到，此时：
当光程差两倍于待测物距离d：
在实际情况下，4个CCD采集到图像后，需要对所得所有图像先进行标定，然后经过简单的计算得出式(5)。计算得到二维矩阵，同时该信号随时间变化，可以得到三维矩阵，对这个三维矩阵进行快速傅里叶变换，可以得到每一像素点的频谱峰值位置，如式(9)。进而利用式(11)计算出每一像素点对应待测物的距离。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像系统，其特征在于，包括：激光器(1)、微波源(9)、第一偏振控制器(2)、电光调制器(3)、光耦合器(4)、第二偏振控制器(5)、第一准直器(6)、第一凸透镜(7)、第三偏振控制器(10)、第二准直器(11)、第二凸透镜(12)、第一偏振片(14)、1/4波片(15)、非偏振分束立方(19)、第一偏振分束立方(18)、第二偏振分束立方(20)、第三凸透镜(16)、第二偏振片(17)、第一CCD(21)、第二CCD(22)、第三CCD(23)和第四CCD(24)；
其中，激光器(1)发射激光；微波源(9)产生调制信号；所述激光经第一偏振控制器(2)进入电光调制器(3)，在电光调制器(3)基于调制信号进行调制后，由光耦合器(4)分为两束，其中一束为信号光，信号光依次经第二偏振控制器(5)、第一准直镜(6)和第一凸透镜(7)，照射在待测物(25)上；另一束为参考光，参考光依次经第三偏振控制器(10)、第二准直镜(11)、第二凸透镜(12)、第一偏振片(14)和1/4波片(15)照射在非偏振分束立方(19)上，由非偏振分束立方(19)分成两路，一路经第二偏振分束立方(20)分束后，分别在第一CCD(21)和第二CCD(22)上成像；另一路经第一偏振分束立方(18)分束后，分别在第三CCD(23)和第四CCD(24)上成像；信号光经待测物(25)反射后，经第三凸透镜(16)和第二偏振片(17)照射在非偏振分束立方(19)上，经非偏振分束立方(19)、第二偏振分束立方(20)、第一偏振分束立方(18)分束后，分别在第一CCD(21)、第二CCD(22)、第三CCD(23)和第四CCD(24)上成像；
其中，4个CCD具有90°相位差，信号光和参考光分别在4CCD上强度相等，信号光与参考光的光程差两倍于待测物距离。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，激光器(1)为窄线宽激光器。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在第二凸透镜(12)与1/4波片(15)之间设有针孔滤波器(13)。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调制信号为线性啁啾信号。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电光调制器采用马赫曾德强度调制器。
6.如权利要求1或4或5所述的系统，其特征在于，微波源(9)的电压远小于电光调制器(3)的半波电压。
7.一种基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像方法，其特征在于，采用如权利要求1～7任一所述的系统进行成像，得到4个CCD的输出电流；合并4个CCD的输出电流，并消除直流项和相位项之后，得到信号isig(t)；对isig(t)做快速傅里叶变换，获得频谱峰值fpeak，则待测物(25)距离激光器(1)的距离d为：
其中，c为光速，T为调制信号的扫频时间，B为调制信号的扫频带宽。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，采用系统进行成像后，先对4个CCD的图像进行标定，消除图像的平移和旋转之后，再进行合并。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311047904.5A CN116819563A (zh) | 2023-08-18 | 2023-08-18 | 基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311047904.5A CN116819563A (zh) | 2023-08-18 | 2023-08-18 | 基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像系统及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116819563A true CN116819563A (zh) | 2023-09-29 |
Family
ID=88124284
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311047904.5A Pending CN116819563A (zh) | 2023-08-18 | 2023-08-18 | 基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116819563A (zh) |
-
2023
- 2023-08-18 CN CN202311047904.5A patent/CN116819563A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7402868B2 (ja) | 走査ｌｉｄａｒにおけるデスキャン補正 | |
| CA3141211C (en) | Frequency modulated scanning lidar with 360 degrees field of view | |
| US3822942A (en) | Method of testing a length, angle, path difference or speed by detecting interference and apparatus therefor | |
| US11762069B2 (en) | Techniques for determining orientation of a target using light polarization | |
| US10698113B2 (en) | Three-dimensional synthetic aperture imaging using spatial amplitude modulation | |
| US7675628B2 (en) | Synchronous frequency-shift mechanism in Fizeau interferometer | |
| US11940571B2 (en) | Performing speckle reduction using polarization | |
| US8345258B2 (en) | Synchronous frequency-shift mechanism in fizeau interferometer | |
| CN108873007B (zh) | 一种抑制振动效应的调频连续波激光测距装置 | |
| JP7419394B2 (ja) | モードフィールド拡大器を備えたｌｉｄａｒシステム | |
| WO2021199027A1 (en) | Method and apparatus for mapping and ranging based on coherent-time comparison | |
| CN113484876B (zh) | 一种激光三维凝视成像系统 | |
| KR101424665B1 (ko) | 거리 측정 장치 | |
| CN104965206B (zh) | 正交偏振复用合成孔径激光成像雷达 | |
| US11320522B1 (en) | System and method for FMCW LIDAR with DC laser | |
| KR102007004B1 (ko) | 3차원 형상 측정장치 | |
| JP2011027649A (ja) | 位置決め装置及び位置決め方法 | |
| CN110595621B (zh) | 采用反射式相位延迟片阵列的全偏振视频成像装置 | |
| CN116819563A (zh) | 基于相干探测的全固态高分辨率光学三维成像系统及方法 | |
| JPH06174844A (ja) | レーザ測距装置 | |
| CN115727756A (zh) | 用于计量系统的外差光源 | |
| KR102598511B1 (ko) | 초고속 카메라 시스템, 그리고 이의 측정 방법 | |
| JP2023547877A (ja) | コヒーレントｌｉｄａｒシステムにおける複数ターゲットのピーク関連付け技術 | |
| CA2975687C (en) | Three-dimensional synthetic aperture imaging using spatial amplitude modulation | |
| CN105910630B (zh) | 基于空间光程差调制的光程差测量方法及其装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |