CN117706576A - 一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统及成像方法，在闪烁式激光雷达的镜头后方插入相位式硅基液晶器件，通过在硅基液晶器件上加载闪耀光栅来偏转镜头的成像光路，使最终的成像位置能够在传感器上以1/2像素或更小的距离为单位进行平移，即次像素位移成像；在采集多个不同位移量的成像之后，激光雷达就能够通过超分辨率算法，得到超分辨率的激光雷达距离成像结果；本发明能够在不改变激光雷达传感器硬件、不引入机械运动部件的前提下，提升闪烁式激光雷达的成像分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体地说是一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统及成像方法。
背景技术
现有的闪烁式激光雷达技术使用了基于像素阵列的传感器进行成像，主要包括激光源、镜头、阵列传感器等模块。闪烁式激光雷达使用激光源照亮目标，并通过镜头将目标的反射光汇聚在传感器上，随后通过传感器的像素阵列测量反射光的时间延迟，最后计算目标的距离。闪烁式激光雷达不需要任何机械运动部件，因此其具有极高的抗震性能与工作可靠性。
对于基于距离窗口模式的闪烁式激光雷达，其中激光源的发光时间与传感器的曝光时间窗口都受到精确控制，此时传感器上所接收到的信号强度即为反射光脉冲与曝光窗口的卷积，通过计算即可得出目标反射光与激光源发光的时间差，进而得到目标距离。由于其成熟的技术以及优秀的抗干扰能力，基于距离窗口模式的闪烁式激光雷达被广泛应用于航空遥感等领域。下文的阐述均为基于距离窗口模式的闪烁式激光雷达。
但在现有技术中，激光雷达系统的整体分辨率(指纵、横视野划分的分辨率，而非测距的分辨率，下同)取决于传感器上物理的像素分划，若传感器的尺寸与像素密度无法进一步扩大，则最终成像的分辨率同样无法进行提升。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统及成像方法，以解决现有的闪烁式激光雷达技术通过具有物理像素分划的传感器进行成像，该技术的电路结构简单、生产成本低，但是其成像的分辨率完全受限于传感器上像素分划，若传感器的尺寸与像素密度无法进一步扩大，则最终成像的分辨率同样无法进行提升的问题。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统，包括位于中央的非偏振分束立方3，所述非偏振分束立方3的前侧设有线偏振片2与镜头组1，左侧设有光阑片1与空间光调制器件5，右侧设有滤光片6和激光雷达传感器芯片7；所有光学元件均需要确保妥善安装于避光外壳中，以保证全部光线均遵照指定的光路传播，而不会绕过任何一个光学元件。
所述前侧线偏振片2的偏振方向应当与所述空间光调制器件5的工作偏振方向，即光学慢轴方向一致，且与非偏振分束立方3反射面的入射平面呈平行或垂直关系。
所述左侧光阑片4的光阑孔大小应当与所述空间光调制器件5的有效显示区域大小一致，且安装位置尽可能贴近。
所述右侧滤光片6的透射波段范围应当与激光雷达的工作波长一致，所述激光雷达传感器芯片7的成像面应当位于所述镜头1的焦平面上。
所述空间光调制器件5为反射器件和透射器件中的一种。
一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像方法，在所述空间光调制器件5上加载全息闪耀光栅，其中光栅的周期长度为d，光栅的高度为λ，即等同于激光的工作波长，此时得到偏转角度为θ＝tan-1(λ/d)；通过调整光栅周期长度d来调节偏转角度θ，从而使所述镜头1的成像位置在所述激光雷达传感器7上以0.5像素为单位进行平移，即次像素移位；通过采集4次经过了次像素移位的成像结果，分别在横向及纵向上位移(0,0)、(0,0.5)、(0.5,0)、(0.5,0.5)个物理像素，闪烁式激光雷达即可通过超分辨算法计算出2倍于所述激光雷达传感器7的物理分辨率的超分辨率成像结果。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明能够在不改变激光雷达传感器硬件，采用次像素位移成像的方案，结合超分辨率算法，在闪烁式激光雷达上实现了超越传感器物理分辨率的超分辨率成像；使用了硅基液晶器件这一种光学相控阵方案，在不添加任何机械运动部件的前提下实现了次像素位移，保证了闪烁式激光雷达的抗震性、可靠性不受到影响。
附图说明
图1为本发明实施例一中的接收侧光学结构示意图；
图2为本发明实施例一种光路微扫描调制方法示意图；
图3为本发明实施例二既采用透射器件的光路示意图；
图4为本发明实施例三倾斜入射方案的光路示意图；图中P：线偏振片，AP：光阑，F：滤光片。
具体实施方式
为阐明技术问题、技术方案、实施过程及性能展示，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释。本发明，并不用于限定本发明。以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
实施例1
如图1所示，一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统，包括位于中央的非偏振分束立方3，所述非偏振分束立方3的前侧设有线偏振片2与镜头组1，左侧设有光阑片1与空间光调制器件5，右侧设有滤光片6和激光雷达传感器芯片7；所有光学元件均需要确保妥善安装于避光外壳中，以保证全部光线均遵照指定的光路传播，而不会绕过任何一个光学元件。
所述前侧线偏振片2的偏振方向应当与所述空间光调制器件5的工作偏振方向，即光学慢轴方向一致，且与非偏振分束立方3反射面的入射平面呈平行或垂直关系。
所述左侧光阑片4的光阑孔大小应当与所述空间光调制器件5的有效显示区域大小一致，且安装位置尽可能贴近。
所述右侧滤光片6的透射波段范围应当与激光雷达的工作波长一致，所述激光雷达传感器芯片7的成像面应当位于所述镜头1的焦平面上。
本实施例中，所述空间光调制器件5为反射器件。
如图2所示，一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像方法，在所述空间光调制器件5上加载全息闪耀光栅，其中光栅的周期长度为d，光栅的高度为λ，即等同于激光的工作波长，此时得到偏转角度为θ＝tan-1(λ/d)；通过调整光栅周期长度d来调节偏转角度θ，从而使所述镜头1的成像位置在所述激光雷达传感器7上以0.5像素为单位进行平移，即次像素移位；通过采集4次经过了次像素移位的成像结果，分别在横向及纵向上位移(0,0)、(0,0.5)、(0.5,0)、(0.5,0.5)个物理像素，闪烁式激光雷达即可通过超分辨算法计算出2倍于所述激光雷达传感器7的物理分辨率的超分辨率成像结果。
本实施例使用非偏振分束立方的方案插入硅基液晶器件，光线在通过镜头后，依次通过线偏振片、分束立方、硅基液晶器件(垂直入射)、分束立方、滤光片，最后射入传感器。其中线偏振片的偏振方向与硅基液晶器件的慢轴方向应当一致，且与分束立方的工作面呈完全的S偏振或P偏振。该方案的结构较为紧凑，且光路的准直关系更加易于保证，但是光路的整体透过率受到分束立方的影响，其光线透过率仅为未安装微扫描光路的20％左右，因而需要明显提升传感器的曝光时长。
实施例2
如图3所示，作为一种可能的实施方式，所述空间光调制器件5为透射器件时，一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统包括：镜头lens、线偏振片P、光栅AP、液晶器件LC device、滤光片和激光雷达传感器7，其中光线在通过镜头后，依次通过线偏振片、液晶器件LC device(垂直或倾斜入射且入射角度是0-90度之间的任意角度，不包括90度)、滤光片，最后射入激光雷达传感器7，所有光学元件均需要确保妥善安装于避光外壳中，以保证全部光线均遵照图中所标示的光路传播，而不会绕过任何一个光学元件。
实施例3
如图4所示，作为一种可能的实施方式，一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统包括：镜头lens、线偏振片P、光栅AP、硅基液晶器件、滤光片和激光雷达传感器7，其中光线在通过镜头后，依次通过线偏振片、硅基液晶器件(倾斜入射且入射角度是0-90度之间的任意角度，不包括0和90度)、滤光片，最后射入激光雷达传感器7，所有光学元件均需要确保妥善安装于避光外壳中，以保证全部光线均遵照图中所标示的光路传播，而不会绕过任何一个光学元件。
本实施例使用小角度入射的方案插入硅基液晶器件，其中入射角度处于正负10度之间的入射效果最佳，其中线偏振片的偏振方向与硅基液晶器件的慢轴方向应当一致。该方案的整体透过率较高，其光线透过率可达未安装微扫描光路的80％以上，但是其光路结构占用空间较大，且光路长度较长，对于镜头的法兰距长度有较高的要求。
本发明能够使距离窗口模式的闪烁式激光雷达获得2倍于传感器物理分辨率或更高的超分辨率成像结果。更高的成像分辨率有助于在地形勘察、水体监测等领域中获得更详细的数据，进而使遥感任务能够被更有效率地完成。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统，其特征在于，包括位于中央的非偏振分束立方(3)，所述非偏振分束立方(3)的前侧设有线偏振片(2)与镜头组(1)，左侧设有光阑片(1)与空间光调制器件(5)，右侧设有滤光片(6)和激光雷达传感器芯片(7)；所有光学元件均需要确保妥善安装于避光外壳中，以保证全部光线均遵照指定的光路传播，而不会绕过任何一个光学元件。
2.根据权利要求1所述的一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统，其特征在于，所述前侧线偏振片(2)的偏振方向应当与所述空间光调制器件(5)的工作偏振方向，即光学慢轴方向一致，且与非偏振分束立方(3)反射面的入射平面呈平行或垂直关系。
3.根据权利要求1所述的一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统，其特征在于，所述左侧光阑片(4)的光阑孔大小应当与所述空间光调制器件(5)的有效显示区域大小一致，且安装位置尽可能贴近。
4.根据权利要求1所述的一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统，其特征在于，所述右侧滤光片(6)的透射波段范围应当与激光雷达的工作波长一致，所述激光雷达传感器芯片(7)的成像面应当位于所述镜头(1)的焦平面上。
5.根据权利要求1所述的一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像系统，其特征在于，所述空间光调制器件(5)为反射器件和透射器件中的一种。
6.一种基于微扫描的闪烁式激光雷达超分辨率成像方法，其特征在于，在所述空间光调制器件(5)上加载全息闪耀光栅，其中光栅的周期长度为d，光栅的高度为λ，即等同于激光的工作波长，此时得到偏转角度为θ＝tan-1(λ/d)；通过调整光栅周期长度d来调节偏转角度θ，从而使所述镜头(1)的成像位置在所述激光雷达传感器(7)上以0.5像素为单位进行平移，即次像素移位；通过采集4次经过了次像素移位的成像结果，分别在横向及纵向上位移(0,0)、(0,0.5)、(0.5,0)、(0.5,0.5)个物理像素，闪烁式激光雷达即可通过超分辨算法计算出2倍于所述激光雷达传感器(7)的物理分辨率的超分辨率成像结果。
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