CN211206789U - 一种彩色激光雷达成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种彩色激光雷达成像装置，包括有计算机、信号发生器、激光驱动器、激光发射器、镀膜镜片、扫瞄镜、接收镜头、像增强器、CCD相机；激光驱动器包括N个单色激光驱动器；激光发射器包括N个单色激光发射器，每个单色激光驱动器对应驱动一个单色激光发射器；镀膜镜片也有N个，分别对应于各单色激光发射器；以一个镀膜镜片作为合束镜片，其他镀膜镜片的光均聚集至所述合束镜片上；扫瞄镜置于合束镜片的光出射路径上。该装置可以实现单色激光分时分发，只用同一台相机延时接收，即可计算合成成像，在接收过程中，像增强器和相机延时触发接收，且多触发一次，有效除燥，且可根据目标距离，计算延时时间。

Description

一种彩色激光雷达成像装置

技术领域

本实用新型涉及激光雷达遥感技术领域，尤其涉及一种彩色激光雷达成像装置。

背景技术

激光雷达是一种主动成像技术，它可以全天时全天候获取目标的强度图像及距离信息，在军事、民用等领域应用广泛。随着工业技术的不断发展，在很多应用领域中，对目标的三维形状及色彩信息的需求越来越高，因此三维彩色成像技术受到广泛重视。一般激光成像系统，由于激光亮度较高，不易同时获取目标的三维数据与色彩信息。目标三维彩色图像的获取往往需要借助后期图像融合技术，因此存在图像获取周期长，系统实时性差等问题，另外，匹配过程中易引入匹配误差，降低了彩色图像的成像精度。传统激光雷达成像装置是采用探测器测距，相机采集图像的方式，对于彩色图像，需要配置多激光发射器+多探测器+多相机，造成光学系统庞大复杂，目前还没有发现只用一台接收器+一台相机就能完成三维目标高精准测距+彩色成像的技术。

实用新型内容

因此，本实用新型提供一种彩色激光雷达成像装置。本实用新型采用一套探测接收成像设备，就能完成三维目标的彩色成像，彩色激光雷达系统结构紧凑，成本低廉，同时能对目标进行精准分类，全面提升激光雷达对目标的探测识别能力。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种彩色激光雷达成像装置，其技术方案是：一种彩色激光雷达成像装置，包括有计算机、信号发生器、激光驱动器、激光发射器、镀膜镜片、扫瞄镜、接收镜头、像增强器、CCD相机；所述计算机与信号发生器电控连接；所述信号发生器与激光驱动器电控连接，所述激光驱动器包括N个单色激光驱动器；所述激光驱动器与激光发射器电控连接，所述激光发射器包括N个单色激光发射器，每个单色激光驱动器对应连接一个单色激光发射器；所述镀膜镜片有N个，分别对应设置于各单色激光发射器的发射路径上；其中，以一个镀膜镜片作为合束镜片，其他镀膜镜片的光均聚集至所述合束镜片上；所述扫瞄镜置于所述合束镜片的光出射路径上；N为自然数。

优选地，所述单色激光发射器包括有红光激光发射器、绿光激光发射器、蓝光激光发射器。

优选地，所述信号发生器与像增强器、CCD相机电控连接，控制所述像增强器、CCD相机与各颜色激光脉冲同步延时触发。

优选地，各所述镀膜镜片摆放角度一致。

优选地，各所述镀膜镜片中，有单面采用全反射镀膜镜面，有单面采用全透射镀膜镜面，有双面分别采用全反射镀膜镜面和全透射镀膜镜面。

优选地，作为合束镜片的镀膜镜片，一面为全反射镀膜镜面，另一面为全透射镀膜镜面。

优选地，所述扫瞄镜为一维或二维扫瞄镜。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：本实用新型通过采用多色激光发射器分时激发照射目标，由像增强器和CCD相机采集获取目标强度RGB矩阵，得到目标的真彩强度图像，实现彩色激光雷达合成像。传统真彩成像通常采用同时激发的方法，采用多个CCD相机获取合成图像。而本实用新型中不仅部分光学镜片可供三色激光使用，而且只需要一套光电探测器即像增强器加CCD相机即可满足，使得系统结构紧凑成本低廉，在汽车激光雷达，水下激光雷达成像等民用领域具有广泛的应用空间。

附图说明

图1为实施例的彩色激光雷达结构示意图。

图2为本实施例的控制信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述，但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本实用新型技术方案作的唯一限定，凡是在本实用新型技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本实用新型的保护范围。

本实用新型提供一种彩色激光雷达成像装置：参见图1所示，该装置主要包括计算机1、信号发生器2、激光驱动器、激光发射器、镀膜镜片、扫瞄镜6、接收镜头7、像增强器8、CCD相机9。计算机1控制连接信号发生器2，信号发生器2控制连接激光驱动器，激光驱动器驱动激光发射器发射出激光，发射出的激光经镀膜镜片透射或反射后被扫瞄镜6以一定的扫瞄视场角扫瞄，然后转换方向照向雷达目标，目标反射的回波由接收镜头7、像增强器8和CCD相机9接收并传输至计算机1，由计算机1根据距离和颜色处理获取目标三维彩色强度图像。

本实用新型装置中，激光驱动器采用多个单色激光驱动器，分别单独驱动一个单色激光发射器，如图1所示的单色激光驱动器一31、单色激光驱动器二32、单色激光驱动器三33，直至单色激光驱动器N 3N。相应地，配置有与激光驱动器等同数量的激光发射器，每个激光驱动器驱动一台激光发射器，如图1所示的单色激光发射器一41、单色激光发射器二42、单色激光发射器三43，直至单色激光发射器N 4N。

一般来讲，单色激光发射器一般用三个三原色激光发射器就够用，分别为红色激光发射器、绿色激光发射器、蓝色激光发射器。

本实用新型用多个单色激光发射器，是因为各个颜色的激光发射波长不一样，需要单独驱动，再者，本实用新型这样设置的目的是需要各个波长的激光分别分时发射，每次只能发射一种颜色的激光，这样才能获得单色图像，然后各个单色图像合成获得彩色图像，这样的好处是，单色激光测距和图像获取精准度高。

为了聚集激光使其被扫瞄镜扫瞄到，然后照向目标，在每个激光发射器的发射路径上都布置一镀膜镜片，同样相应地，所述镀膜镜片也包括有N个，镀膜镜片一51、镀膜镜片二52、镀膜镜片三53、镀膜镜片N 5N，分别对应设置于各个激光发射器的激光发射路径上。

以上的N、3N、4N、5N仅代表顺序排列的自然数。

这些镀膜镜片中，可以选择一个作为合束镜片，将其他镜片的光全部集中到这个合束镜片上，然后由这个合束镜片统一发射出去，这样可以避免使用多个扫瞄镜分别扫瞄，仅由一个扫瞄镜就可以将所有光束通过该镜照向目标。因此，所使用的镀膜镜片中，根据摆放的位置、用途以及采集激光路径的不同，镀膜方式也有不同，有的是单面采用全反射式滤光镀膜镜面，有的是单面采用抗反射式增透镀膜镜面，有的是双面各采用一种镜面。

进一步地，各单色激光发射器可以是半导体激光器，也可是其它形式的脉冲激光器。

进一步地，所述扫瞄镜可以是一维或二维扫瞄器，激光脉冲经过扫瞄器后可实现对目标的一维线扫瞄或二维面扫瞄。还进一步地，可以是双面扫瞄振镜、多面体扫瞄转镜及二维MEMS旋转振镜等。

信号发生器2信号连接各激光驱动器、扫瞄镜、像增强器和CCD相机，计算机1控制信号发生器2产生激光、扫瞄、像增强和CCD的触发和控制信号。各单色激光驱动器分别对应分时触发单色激光发射器，发射不同颜色的激光。该装置既可以同时触发各单色激光发射器，也可以分时按序触发，尤其是顺序触发，可以先后被像增强器和CCD相机延时接收，像增强器8由信号发生器2控制，与激光脉冲同步延时触发。

分时顺序触发实现彩色激光雷达成像的方法是：

信号发生器产生激光触发信号，分别分时触发各激光驱动器，同时信号发生器同步产生扫瞄信号控制扫瞄镜的扫瞄范围和帧频。由于是分时触发各颜色激光，不是同时出射，因此各颜色激光分别经镀膜镜片、按触发的先后顺序发射至扫瞄镜，各颜色激光束在不同时刻通过扫瞄镜后发射至远处目标，目标散射激光回波也按触发先后次序依次由接收镜头和像增强器接收并由CCD相机传输至计算机，由计算机成像。

如图2所示，设一帧彩色图像由红绿蓝3帧单色图像合成，在一采集周期内，分时激发不同波长的窄脉冲激光器，例如，先发射脉冲宽度为τ_R的红色激光，然后发射脉冲宽度为τ_G的绿色激光，最后发射脉冲宽度为τ_B的蓝色激光。设扫瞄器扫瞄红、绿、蓝激光脉冲个数分别为i_R×j_R、i_G×j_G、i_B×j_B个，其中i代表扫瞄一行的脉冲个数，j代表扫瞄行数，τ_R、τ_G、τ_B、i_R×j_R、i_G×j_G、i_B×j_B均为预设参数，本实施例中预设τ_R＝τ_G＝τ_B，i_R＝i_G＝i_B，j_R＝j_G＝j_B，τ_R、τ_G、τ_B均为ns(纳秒)级。计算机控制信号发生器控制红、绿、蓝色激光触发时序与红、绿、蓝强度图像采集顺序同步一致，像增强器经延时t_d后以一定的增益触发，信号发生器控制像增强器延时触发信号和激光触发信号同步。

进一步地，为获取彩色激光雷达高信噪比图像，像增强器在红光触发i_R×j_R次之后，再以门宽为τ_R触发1次；在绿光触发i_G×j_G次之后，再以门宽为τ_G触发1次；在蓝光触发i_B×j_B次之后，再以门宽为τ_B触发1次。如上所述，一帧激光雷达图像采集过程中，像增强器按照时序同步开启i_R×j_R+i_G×j_G+i_B×j_B+3次。

像增强器光阴极依次按照扫瞄激光点的空间位置进行依次选通成像，通过像增强器的余辉效应和CCD的积分时间对目标距离为ct_d/2处成强度像，c为光速。若CCD相机像素为m×n，m为CCD像素行数，n为CCD像素列数。像增强器触发一次获得红色激光的强度图像，其强度矩阵I_R为：

由于红光发射的脉冲个数为q_R＝i_R×j_R，则一个周期内可获取q_R个强度矩阵，将获取的强度矩阵累加可得J_R：

其中

为第s次触发红光CCD相机获取的强度矩阵，s＝1～q_R。

设红光发射期间像增强器暗噪声不发生改变，为获取高信噪比雷达图像将暗噪声扣除后可得去噪强度矩阵F_R：

同理，绿色和蓝色激光的一次强度矩阵表述为I_G、I_B，进一步可获取其强度矩阵累加矩阵分别为J_G、J_B：

为第s次触发绿光CCD相机获取的强度矩阵，

为第s次触发蓝光CCD相机获取的强度矩阵，q_G＝i_G×j_G，q_B＝i_B×j_B。

可获得扣除背景暗噪声后强度矩阵分别为F_G、F_B：

由累加强度矩阵J_R、J_G、J_B，扣除暗噪声后强度矩阵F_R、F_G、F_B，可得目标的三维真彩强度像如下式：

K(t₀)＝[F_R,F_G,F_B]。

由于激光雷达外界背景噪声、像增强器及相机固有噪声低频变化，采用此种成像方法在脉冲重频很高的情况下，相当于实时同步去除了背景暗噪声；同时由于每一帧激光雷达图像成像时只在发射完红、绿、蓝激光脉冲后发射一个门控信号采集背景及暗噪声，相比每一个激光脉冲去除背景及暗噪声方法的成像帧频会减慢，而该方法成像帧带并未减慢。

激光雷达距离方程的一般表达式为：

式中：P_r－像增强器接收功率；P_t－激光发射功率；T₁－光学系统效率；T₂－单程大气透过率；ρ₁－接收方向的反射率定向分布函数，如果目标上各处的特性一致时，可取平均值；A_r－接收透镜的有效接收面积；s－目标与发射器或接收器的距离。

其中A_i－垂直于光束的目标被照面积；A_b－目标处的光束截面积；

A_b＝s²Ω_t

其中Ω_t－激光发射立体角。

另，激光发射器发出一个光脉冲，经大气传输后到达目标，经像增强器及CCD相机接收的回波有延时，通过控制像增强器选通的延时时间可以获取不同距离处目标的三维真彩强度图像，获取目标的距离s为：

其中c为光速。

因此，联立上述各方程可计算出延时时间t_d，通过计算机控制不断调节延时t_d,可获取目标的距离信息和三维真彩强度像。

根据上述表达式，当P_t、T₁、T₂、ρ₁及A_r一定时，可获知激光雷达接收功率

即

关于增益，与下列几方面有关：

1)由于像增强器响应与增益系数并非线性关系，对于某一像增强器通过实验或原厂说明获得其响应v与增益系数g的函数关系v＝f(g)，即g＝f^-1(v)。根据光成像原理P_r∝v，因此可得

本实用新型预设了0时刻增益系数g(0)，由像增强器及CCD相机获取第一帧雷达图像的t_d后，再根据像增强器增益与延时曲线关系

给出下次采集像增强器增益系数。记与延时时间有关的增益系数为g₁(t_d)。

2)另外，当T₁、T₂、ρ₁发生较大变化时，像增强器的增益系数也要进行调节，记与T₁、T₂、ρ₁有关的增益系数为g₂(T₁、、T₂ρ₁)，经调节后使像增强器以叠加增益采集获取激光雷达灰度图像。

3)另外，在获取完一帧彩色激光雷达图像K(t₀)＝[F_R,F_G,F_B]后，由于预设参数τ_R、τ_G、τ_B、i_R、i_G、i_B、j_R、j_G、j_B未必理想，计算机将重新计算参数并将计算结果生成信号送至信号发生器，其调节结果将影响激光雷达成像系统的增益系数，记为g₃(τ_R,G,B,i_R,G,B,j_R,G,B)；

τ_R,G,B,i_R,G,B,j_R,G,B分别是τ_R、τ_G、τ_B，i_R、i_G、i_B，j_R、j_G、j_B的简写。

4)综合上述，整体增益系数为G(g₁,g₂,g₃)，调节后可得激光雷达三维真彩强度像为：

K(t)＝K(t₀)G(g₁,g₂,g₃)

不断进行参数调节，当得到的K(t)中，F_R:F_G:F_B＝1:1:1(或其它用户预设值)时，以当前参数运行，得到标准三维真彩强度像。

Claims (7)

1.一种彩色激光雷达成像装置，其特征在于：包括有计算机、信号发生器、激光驱动器、激光发射器、镀膜镜片、扫瞄镜、接收镜头、像增强器、CCD相机；

所述计算机与信号发生器电控连接；

所述信号发生器与激光驱动器电控连接，所述激光驱动器包括N个单色激光驱动器；

所述激光驱动器与激光发射器电控连接，所述激光发射器包括N个单色激光发射器，每个单色激光驱动器对应连接一个单色激光发射器；

所述镀膜镜片有N个，分别对应设置于各单色激光发射器的发射路径上；

其中，以一个镀膜镜片作为合束镜片，其他镀膜镜片的光均聚集至所述合束镜片上；

所述扫瞄镜置于所述合束镜片的光出射路径上；

N为自然数。

2.根据权利要求1所述的彩色激光雷达成像装置，其特征在于：所述单色激光发射器包括有红光激光发射器、绿光激光发射器、蓝光激光发射器。

3.根据权利要求1或2所述的彩色激光雷达成像装置，其特征在于：所述信号发生器与像增强器、CCD相机电控连接，控制所述像增强器、CCD相机与各颜色激光脉冲同步延时触发。

4.根据权利要求1所述的彩色激光雷达成像装置，其特征在于：各所述镀膜镜片摆放角度一致。

5.根据权利要求1或4所述的彩色激光雷达成像装置，其特征在于：各所述镀膜镜片中，有单面采用全反射镀膜镜面，有单面采用全透射镀膜镜面，有双面分别采用全反射镀膜镜面和全透射镀膜镜面。

6.根据权利要求5所述的彩色激光雷达成像装置，其特征在于：作为合束镜片的镀膜镜片，一面为全反射镀膜镜面，另一面为全透射镀膜镜面。

7.根据权利要求1所述的彩色激光雷达成像装置，其特征在于：所述扫瞄镜为一维或二维扫瞄镜。

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