CN201611390U - 一种光放大型三维成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光放大型三维成像系统。时序信号控制模块的一路输出控制脉冲激光器发出脉冲光经扩束系统，照射在被测物体上，返回后的信号光经成像系统进入光放大模块放大，经过分光后，一部分经增益调制接收器，被第一台摄像机接收，另一部分被第二台摄像机接收，时序信号控制模块的另三路分别控制光放大模块、增益调制接收器和图像处理模块。两台摄像机获取的图像经图像处理模块处理，算出图像中每一个像素点对应目标的距离，获得目标三维图像。本实用新型在不改变光源功率和门选通时间的条件下，减小随机散粒噪声对信号光的影响，提高测距精度。

Description

一种光放大型三维成像系统

技术领域

本实用新型涉及三维成像系统，尤其是涉及一种光放大型三维成像系统。

背景技术

随着人类科技进步与社会的发展需要，飞机等高速飞行器导航，超视距全天候目标识别与跟踪，地理地貌高精度勘测等应用都对远距离目标探测提出了极高的要求。三维成像激光雷达的快速发展为人们解决远距离探测等问题提供了新的研究方向。但是传统的三维成像激光雷达系统在探测较远目标时，捕获到得光信号信噪比较低，从而在测距分辨率等方面的性能难以有突破性的提高。所以研究高性能的三维成像技术是人们关注的焦点之一。

美国的林肯实验室采用盖革(Geiger)模式的雪崩光电二极管(AvalanchePhoto Diode，APD)测距单点模块构建三维测距技术。该方法受限于工艺水平，像素数低，像素间串扰严重。丹麦Andersen等人发明了基于时间切片(TimeSlicing)的门选通型三维激光雷达技术。该方法的局限性在于需要数十幅强度图才能通过计算获得一幅三维图像。德法圣路易斯研究院的Martin Laurenzis等人利用高质量矩形光脉冲和门选通，可以获得梯形的距离—光强关系。两幅图像可以得到三维图像。该方法的局限在于需要严格控制光脉冲和接受器的调制质量。

申请人曾提出了无扫描器脉冲调制式三维成像方法及系统(专利号20051004946.3)，该系统的测量精度与发射激光脉冲的形状无关，但在实际情况中，受到探测目标距离较远，光源功率不能过大，接收光学系统口径不能过大等因素的影响，使探测器获取的光信号较弱，导致信噪比下降，测量精度降低。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种光放大型三维成像系统，提高三维成像激光雷达测距性能。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型包括时序信号控制模块，脉冲激光器，扩束系统，成像系统，增益调制接收器，两台摄像机和图像处理模块；时序信号控制模块的第一路输出控制脉冲激光器发出脉冲光通过扩束系统，照射在被测物体上。发射回来的光经过成像系统进入光放大模块，被放大的光信号经过分光系统分光后分为两路，一路通过增益调制接收器，被第一台摄像机接收，另一路被第二台摄像机接收，两台摄像机获取的图像分别输出到图像处理模块，时序信号控制模块的第二、第三、第四路分别与光放大模块、增益调制接收器和图像处理模块连接。

所述的脉冲激光器为光脉冲脉宽大于几十纳秒的激光器；所述的光放大模块是荧光屏荧光寿命比光脉冲持续时间更短的像增强器，或是由多根具有放大功能的光纤组成；所述的增益调制接收器是像增强器；所述的图像处理模块是个人计算机、DSP数字信号处理系统或者嵌入式处理器。

激光器产生光脉冲，照射到被测物体返回，采用光放大模块，对采集到的脉冲光信号进行放大，然后通过分光系统，将放大后的光信号分成两部分，一部分通过增益调制接收器被摄像机接收，另一部分直接被另一摄像机接收，用图像处理模块对接收的图像进行处理，算出图像中每一个象素点对应目标的距离，生成三维图像。

本实用新型具有的有益效果是：

本实用新型在不改变光源功率和门选通时间的条件下，通过光放大模块将信号光放大，减小随机散粒噪声对信号光的影响，从而提高了测距精度。

附图说明

附图是本实用新型的结构原理示意图。

图中：1、时序信号控制模块，2、脉冲激光器，3、扩束系统，4、成像系统，5、光放大模块，6、分光系统，7、增益调制接收器，8、第一台摄像机，9、第二台摄像机，10、图像处理模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的方法和系统作进一步说明。

本实用新型提高探测精度的原理是：

由激光雷达方程，探测系统单个像素接收到的激光功率可以表示为：

$P_R=\frac{P_T\mathrm{\π}{D}^2\mathrm{\β}}{4\mathrm{\πi}{R}^2}{e}^{-2\mathrm{\γR}}---\left(1\right)$

式中P_R是单个像素接收到的激光功率，P_T是发射激光功率，D是接收孔径，β是目标的反射率，γ是在介质中传输的损耗率，R是激光雷达到目标的距离，i是探测器的像素数。

为了抑制背景光和后向散射光进入系统，需要在接收系统前加窄带滤波片

并采用门选通的方式进行探测。设置合适的门选通时间，保证每一次选通过程完整的接收一个激光脉冲的返回信号。则接收面某像素点接收到光脉冲所包含光子数N的期望E(N)为：

$E\left(N\right)=\frac{\mathrm{m\η}{P}_R}{\mathrm{h\υ}}---\left(2\right)$

式中m是一次探测中光脉冲的发射次数，η是接收器的量子效率，h是普朗克常量，υ为入射光频率。

光信号在空间传播到接收面上存在到达空间和时间的随机性，这个过程是一个泊松随机过程。由泊松分布得到标准差为 $\mathrm{\σ}=\sqrt{N},$ σ表示光信号的起伏，称之为散粒噪声。由于三维成像时要求图像的信噪比相对较高，光信号包含的光子数一般大于1000，因此散粒噪声引起的误差远大于其他因素的影响。被测光信号的信噪比SNR₁可以表示为：

${\mathrm{SNR}}_1=\frac{N}{\sqrt{N}}=\sqrt{N}=\sqrt{\frac{\mathrm{m\η}{P}_R}{\mathrm{h\υ}}}---\left(3\right)$

由(3)式可知，被测信号的信噪比与接收光功率的平方根成正比。也就是说接收光信号的功率越大，信噪比越高。

1.不加光放大模块时：

信号光不经过放大模块，经过分光系统后一部分通过增益调制接收器被摄像机接收，另一部分直接被摄像机接收。

设分光后的光脉冲在某一像素点所包含的光子数分别为：N₁+σ₁和N₁+σ₂，其中σ₁，σ₂分别表示该像素点光信号附加的散粒噪声。散粒噪声符合泊松分布，因此有 $E\left({\mathrm{\σ}}_1\right)=E\left({\mathrm{\σ}}_2\right)=\sqrt{N_1}.$

设增益调制接收器的增益调制函数为f(t)，f(t)在[t₁，t₂]是单调的，t₁和t₂分别表示门选通开始和结束的时间。t表示光从光源出发经场景反射到探测器所经过的时间，它与场景到探测器的距离x有如下关系：

$x=\frac{1}{2}{V}_{C}t---\left(4\right)$

式中V_c为该种波长的光在介质中的传播速度。分光后的一部分光脉冲进过增益调制接收器后，摄像机上该像素点的接收到的光子数M₁为：

M₁＝f(t)(N₁+σ₁)                      (5)

分光后的另一部分光脉冲直接进入摄像机，摄像机上该像素点的接收到的光子数M₂为：

M₂＝N₁+σ₂                            (6)

(5)(6)相除得到：

$\frac{M_1}{M_2}=\frac{f\left(t\right)(N_1+{\mathrm{\σ}}_1)}{N_1+{\mathrm{\σ}}_2}\≈f\left(t\right)[1+\frac{{\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2}{N_1}]---\left(7\right)$

此时引入的不确定因子为： $E\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_2}{N_1}\right)=\frac{2\sqrt{N_1}}{N_1}=\frac{2}{\sqrt{N_1}}---\left(8\right)$

2.加光放大模块时：

信号光经过放大模块后，经过分光系统后一部分通过增益调制接收器被摄像机接收，另一部分直接被摄像机接收。

放大前光脉冲在某一像素点所包含的光子数为：N₃+σ₃，其中σ₃表示光信号附加的散粒噪声， $E\left({\mathrm{\σ}}_3\right)=\sqrt{N_3}.$

设光放大模块的放大倍数为k，信号光经过放大模块后，该像素点出射的光脉冲所包含的光子数M₃为：

M₃＝k(N₃+σ₃)+σ₄                    (9)

式中σ₄为放大过程中引入的噪声。由于光子被光电阴极接收后放大，光电子的出射也是一个典型的泊松过程。所以 $E\left({\mathrm{\σ}}_4\right)=\sqrt{k(N_3+{\mathrm{\σ}}_3)}.$ 由(3)式可知：通过光放大模块后，光信号功率变大，信噪比提高。该像素点的光信号信噪比SNR₂可表示为：

${\mathrm{SNR}}_2=\sqrt{M_3}=\sqrt{k(N_3+{\mathrm{\σ}}_3)+{\mathrm{\σ}}_4}---\left(10\right)$

当k较大时，信噪比较高，放大过程中引入的噪声σ₄相对信号可以忽略。故放大后该像素点出射的光脉冲所包含的光子数可以简化为M₄：

M₄＝k(N₃+σ₃)                   (11)

放大后的光信号经过1:1分光后，对应像素点光脉冲所包含的光子数分别为：

和

其中σ₅，σ₆分别为放大后的光束在传输过程中附加的散粒噪声。散粒噪声符合泊松分布，因此有 $E\left({\mathrm{\σ}}_5\right)=E\left({\mathrm{\σ}}_6\right)=\sqrt{\frac{M_4}{2}}.$

设增益调制接收器的增益调制函数为g(t)，g(t)在[t₁，t₂]是单调的，t₁和t₂分别表示门选通开始和结束的时间。摄像机上该像素点的接收到的光子数M₅、M₆分别为：

$M_5=g\left(t\right)[\frac{M_4}{2}+{\mathrm{\σ}}_5]---\left(12\right)$

$M_6=\frac{M_4}{2}+{\mathrm{\σ}}_6---\left(13\right)$

(12)(13)相除得到：

$\frac{M_5}{M_6}=\frac{g\left(t\right)[\frac{M_4}{2}+{\mathrm{\σ}}_5]}{\frac{M_4}{2}+{\mathrm{\σ}}_6}=g\left(t\right)(1+\frac{{\mathrm{\σ}}_5+{\mathrm{\σ}}_6}{\frac{M_4}{2}})---\left(14\right)$

由此带来的不确定因子为： $E\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_5+{\mathrm{\σ}}_6}{\frac{M_4}{2}}\right)=\frac{2\sqrt{\frac{M_4}{2}}}{\frac{M_4}{2}}\≈\frac{2}{\sqrt{\frac{k{N}_3}{2}}}.$ 当k→+∞时， $\frac{2}{\sqrt{\frac{{\mathrm{kN}}_3}{2}}}\→0.$ 因此，当光放大模块的增益较大时，不确定因子趋近于0。

下面对本实用新型的具体实施方案作详细说明：如附图1所示，本实用新型的系统包括：时序信号控制模块1，脉冲激光器2，扩束系统3，成像系统4，光放大模块5，分光系统6，增益调制接收器7，两台摄像机8、9和图像处理模块10；时序信号控制模块1的第一路输出控制脉冲激光器2发出脉冲光通过扩束系统3，照射在被测物体上。发射回来的光经过成像系统4进入光放大模块5，被放大的光信号经过分光系统6分光后分为两路，一路通过增益调制接收器7，被第一台摄像机8接收，另一路被第二台摄像机9接收，两台摄像机8、9获取的图像分别输出到图像处理模块10，时序信号控制模块1的第二、第三、第四路分别与光放大模块5、增益调制接收器7和图像处理模块10连接。

所述的脉冲激光器2为光脉冲脉宽大于几十纳秒的激光器；所述的光放大模块5是荧光屏荧光寿命比光脉冲持续时间更短的像增强器，或是由多根具有放大功能的光纤组成；所述的增益调制接收器7是像增强器；所述的图像处理模块10是个人计算机、DSP数字信号处理系统或者嵌入式处理器。

像增强器的输出光强与输入光强和增益乘积成正比。在光放大模块5中，设定合适的像增强器增益系数，将含有场景信息的光信号放大。设定增益调制接收器7中像增强器的增益调制函数在门选通时间内为单调函数。强度图像时是通过一次或若干次曝光获得的。获得强度图像后，可以计算出距离图像。由此生成三维图像。

1、脉冲激光器2发出脉冲光经过扩束系统3，照明被测场景。进入成像系统4时某像素接收的光强I₁可以表示为：

I₁＝Kn(P_S+P_N)                   (16)

式中K是比例系数，表示光强与光能之间的转换关系，n是一次探测中门选通的次数，P_S是返回光信号的光功率，P_N是信号光传播过程中由于到达的时间空间不确定性引起散粒噪声对应的光功率。

2、信号光通过成像系统4进入光放大模块5。由于通过光放大模块后，光信号功率变大，信噪比提高，放大过程中引入的噪声相对信号可以忽略。设定光放大模块5的像增强器增益为常数的情况下，光放大模块5的荧光屏上该象素点接收的光强I₂可以表示为：

I₂＝AI₁                     (17)

式中A为像增强器的增益。

3、经过分光系统6按1:1分光后，部分信号光通过增益调制接收器7，被摄像机8接收。摄像机8上该像素点接收的光强I₃可以表示为

$I_3=\frac{I_2}{2}h\left(t\right)---\left(18\right)$

式中h(t)为增益调制器像增强器的增益调制函数。h(t)在[t₁，t₂]是单调的，t₁和t₂分别表示门选通开始和结束的时间。

4、经过分光系统6按1:1分光后，另一部分信号光直接进入摄像机9。摄像机9上该像素点接收的光强I₄可表示如下：

$I_4=\frac{I_2}{2}---\left(19\right)$

5、两台摄像机8，9通过实验标定，确定同一像素点灰度和位置的对应关系后，即可得到相同像素点的光强之比：

$\frac{I_3}{I_4}=h\left(t\right)---\left(20\right)$

6、由式(4)(20)，且h(t)在[t₁，t₂]是单调的，因此h^-1(t)存在。可以得到在选通距离内该像素点对应目标的相对位置x，可表示为：

$x=\frac{1}{2}{V}_C{h}^{-1}\left(\frac{I_3}{I_4}\right)---\left(21\right)$

式中V_C表示该种波长在介质中的传播速度。

Claims (2)

1.一种光放大型三维成像系统，包括时序信号控制模块(1)，脉冲激光器(2)，扩束系统(3)，成像系统(4)，增益调制接收器(7)，两台摄像机(8、9)和图像处理模块(10)；时序信号控制模块(1)的第一路输出控制脉冲激光器(2)发出脉冲光通过扩束系统(3)，照射在被测物体上；其特征在于：发射回来的光经过成像系统(4)进入光放大模块(5)，被放大的光信号经过分光系统(6)分光后分为两路，一路通过增益调制接收器(7)，被第一台摄像机(8)接收，另一路被第二台摄像机(9)接收，两台摄像机(8、9)获取的图像分别输出到图像处理模块(10)，时序信号控制模块(1)的第二、第三、第四路分别与光放大模块(5)、增益调制接收器(7)和图像处理模块(10)连接。

2.根据权利要求1所述的一种光放大型三维成像系统，其特征在于：所述的脉冲激光器(2)为光脉冲脉宽大于几十纳秒的激光器；所述的光放大模块(5)是荧光屏荧光寿命比光脉冲持续时间更短的像增强器，或是由多根具有放大功能的光纤组成；所述的增益调制接收器(7)是像增强器；所述的图像处理模块(10)是个人计算机、DSP数字信号处理系统或者嵌入式处理器。

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