基于光源调制解调的ICMOS高速三维成像激光雷达 |
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| 申请号 | CN201510325937.0 | 申请日 | 2015-06-15 | 公开(公告)号 | CN104931974A | 公开(公告)日 | 2015-09-23 |
| 申请人 | 中国科学院上海光学精密机械研究所; | 发明人 | 贺岩; 罗远; 陈卫标; | ||||
| 摘要 | 一种基于 光源 调制解调的ICMOS高速三维成像 激光雷达 。该系统由激光光源模 块 、激光发射光学系统、激光接收光学系统、高速ICMOS成像模块、主控 电路 模块和上位机组成。主控电路模块产生两路 频率 相近的调制解调 信号 ，一路作为激光光源模块的调制信号，另一路作为像增强器的光 阴极 的解调信号。该两路调制信号有微小的频率差，当经过调制的激光通过光阴极解调后，会产生低频 光信号 ，高速CMOS相机采集低频光信号，并将图像上传至上位机。上位机对图像进行处理，获得低频光信号的 相位 信息，从而推算出目标的三维信息。该系统的三维成像 帧 频可达千帧，尤其适合高速运动物体的连续三维成像，具有成像速度快、 分辨率 高、系统结构简单和作用距离较远等优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于光源调制解调的ICMOS高速三维成像激光雷达，其特征是：该激光雷达系统由主控电路模块(100)、激光光源模块(200)、高速ICMOS相机模块(300)、上位机(400)、激光发射光学系统(500)和激光接收光学系统(600)组成：所述的主控电路模块(100)包括调制信号发生器(110)和解调信号发生器(120)，所述的激光光源模块(200)包括半导体激光器(220)和半导体激光器驱动电路模块(210)，所述的半导体激光器驱动电路模块(210)由电压-电流转换电路(211)、电流放大电路(212)和保护电路(213)依次连接构成，所述的高速ICMOS相机模块(300)包括像增强器(310)和高速CMOS相机(320)，所述的像增强器(310)由光阴极(311)、微通道板(312)、荧光屏(313)、耦合光学系统(314)依次连接构成，所述的调制信号发生器(110)产生的光源调制信号，依次经过所述的电压-电流转换电路(211)、电流放大电路(212)、保护电路(213)，输入到所述的半导体激光器(220)，该半导体激光器(220)产生和所述的调制信号波形一致的激光信号，该激光信号经激光发射光学系统(500)发射，出射后的激光被目标反射后形成激光回波信号，该激光回波信号返回由所述的激光接收光学系统(600)接收，所述的激光回波信号入射到所述的像增强器(310)的光阴极(311)上，所述的解调信号发生器(120)产生的解调信号输入到所述的像增强器(310)的光阴极(311)，当激光回波信号入射到光阴极(311)时，实现对激光回波信号的解调，光阴极(311)产生的光电子经过微通道板(312)放大后，轰击荧光屏(313)产生荧光图像，该荧光图像经耦合光学系统(314)后被所述的高速CMOS相机(320)采集，所述的高速CMOS相机(320)将该荧光图像上传至所述的上位机(400)，该上位机对所述的荧光图像进行处理，获得激光回波信号的相位信息，从而推算出目标的距离信息。 |
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| 说明书全文 | 基于光源调制解调的ICMOS高速三维成像激光雷达技术领域[0001] 本发明涉及激光雷达，特别是一种基于光源调制解调的ICMOS高速三维成像激光雷达。 背景技术[0002] 三维成像激光雷达有着广泛的应用背景，涉及的领域非常广泛，首先，在工程上有矿场检测、地形绘制、桥梁监测、公路检测等应用，工业上可用于流水线生产产品质量的监测、汽车的无人驾驶、机器视觉等广泛应用，同时在军事、航天等领域也发挥着关键的作用。目前在工程应用领域，已经存在基于高精度步进电机实现二维扫描的三维成像激光雷达，能够实现大范围、高点密度的三维测量，但同时存在成像速度慢、体积大、质量大等缺点，通常获取一幅完整的三维图像需要数十秒，不能满足对成像速度要求高的特殊场合，如自动驾驶、航天器着陆地点的选择、无人机的避障和导航等。由于基于扫描法的三维成像激光雷达的局限性，目前国内外为实现无扫描快速的三维成像技术进行了多种技术途径的研究。 研究方法主要包括以下几种方法： [0003] ①基于面阵焦平面探测器的无扫描直接飞行时间测距法的三维成像激光雷达。该探测器将高精度的时间差测量电路集成到每个探测像元的后面，探测器的每个像元作为一个独立的探测器，可单独输出信号，后续电路可测量从激光发射到接收到激光回波的时间差，反演出每个像素对应的距离信息，因此，只需发射一个激光脉冲，便可获得被激光照射物体的整幅三维图像，成像速度快。目前国外已经开发出较大面阵的具有时间测量能力的APD面阵探测器和GM-APD面阵探测器，由于这种高灵敏度的大面阵探测器制作工艺复杂，目前面阵的分辨率仅有128×32，成像分辨率低，且目前国内对该种器件的研究正处于实验样品研制阶段，无成品供应，尚无法实现基于面阵焦平面探测器的无扫描直接飞行时间测量法的三维成像激光雷达技术。 [0004] ②基于专用调制解调面阵探测器的无扫描间接飞行时间测距法的三维成像激光雷达。该器件与普通图像传感器的区别:一是具有高速快门,能达到10ns级曝光速度；二是具有曝光累积功能,能将连续多次曝光产生的信号累积。测距方法上采用基于余弦波-方波鉴相法的间接飞行时间测距法,从光源发出的余弦调制光经物体反射后被摄像机接收,光子混频探测器在单周期内等间隔连续四次曝光得到四次采样值,最后通过四次采样值在光子混频探测器后续的计算电路中直接计算出各像素对应的入射光的相位、幅值和偏移值,从而计算出各点的距离和灰度值,得到深度图和灰度图。目前国外已经开发出相对成熟的调制解调面阵探测器，但是该探测器积分时间短、探测灵敏度低，因此成像距离只有十几米，无法实现长距离的三维成像。 [0005] ③基于ICCD的无扫描间接飞行时间测距法的三维成像激光雷达。最初的无扫描三维成像技术都基于ICCD传感器,对光源和像增强器增益进行余弦波、方波或三角波等波形调制,按照间接飞行时间测距理论,实现三维信息测量。这一技术的代表性研究机构有美国桑迪亚国家实验室和日本广播公司。国内也有少量的研究机构开展过这方面的研究。由于ICCD帧频低、光源能量利用率低，该成像技术同样具有成像速度低，作用距离近等缺点。 [0006] 为克服传统三维成像速度慢和基于ICCD的无扫描三维成像能量利用率低、作用距离近的缺点，同时基于目前国内条件的考虑，提出基于光源调制解调的ICMOS高速三维成像激光雷达，利用高速CMOS相机高帧频、像增强器曝光时间可调制的特点，同时对光源进行光强调制，相机接收到的光为调制激光通过像增强器解调后的混频光信号，这样激光飞行时间的时间差体现为混频信号的相位差，高速相机对混频信号进行采集，最后通过计算得到每个像素相位值，从而获得整个目标的三维信息。由于高速ICMOS相机成像速度快，该成像方法具有成像速度快、分辨率高、系统结构简单和作用距离较远等优点。 发明内容[0007] 为克服传统三维成像速度慢和基于ICCD的无扫描三维成像能量利用率低、作用距离近的缺点，本发明提出一种基于光源调制解调的ICMOS高速三维成像激光雷达，利用高速CMOS相机高帧频和像增强器曝光时间可调制的特点，同时对光源进行光强调制，在像增强器接收端对激光回波信号进行解调，解调后的信号为低频光信号，这样激光飞行时间的时间差体现为低频光信号的相位差，高速CMOS相机对低频光信号进行采集，最后通过计算得到每个像素相位值，从而获得整个目标的三维信息。由于高速ICMOS相机成像速度快，该成像方法具有成像速度快、分辨率高、系统结构简单和作用距离较远等优点。 [0008] 本发明的技术解决方案如下： [0009] 一种基于光源调制解调的ICMOS高速三维成像激光雷达，其特点是：该激光雷达系统由主控电路模块、激光光源模块、高速ICMOS相机模块、上位机、激光发射光学系统和激光接收光学系统组成，所述的主控电路模块包括调制信号发生器和解调信号发生器，激光光源模块包括半导体激光器和半导体激光器驱动电路模块两部分，所述的半导体激光器驱动电路模块由电压-电流转换电路、电流放大电路和保护电路依次连接构成，所述的高速ICMOS相机模块包括像增强器和高速CMOS相机，所述的像增强器由光阴极、微通道板、荧光屏、耦合光学系统依次连接构成，所述的调制信号发生器产生的光源调制信号，依次经过所述的电压-电流转换电路、电流放大电路、保护电路，输入到所述的半导体激光器，该半导体激光器产生和调制信号波形一致的激光信号，该激光信号经激光发射光学系统发射，出射后的激光被目标反射后形成激光回波信号，该激光回波信号返回由所述的激光接收光学系统接收，所述的激光回波信号入射到所述的像增强器的光阴极上，所述的解调信号发生器产生的解调信号，输入到所述的像增强器的光阴极，当激光回波信号入射到光阴极时，实现对激光回波信号的解调，光阴极产生的光电子经过微通道板放大后，轰击荧光屏产生荧光图像，该荧光图像经耦合光学系统后被采集，所述的高速CMOS相机将该荧光图像上传至所述的上位机，该上位机对所述的荧光图像进行处理，获得激光回波信号的相位信息，从而推算出目标的距离信息。 [0010] 所述的调制信号发生器产生的调制信号是占空比50％的方波信号，或正弦波信号，调制信号的频率变化范围为10kHz～10MHz；所述的解调信号发生器产生的解调信号是占空比50％的方波信号，解调信号的频率变化范围是10kHz～10MHz。 [0011] 所述的高速CMOS相机为帧频极高和曝光时间可控的相机，高速相机的曝光时间在1μs～50ms范围内可调，时间调节分辨率为1μs，相机的帧频数千帧每秒，在相机分辨率为256×256时，相机的帧频为4000fps。 [0013] 所述的激光发射光学系统由光学发射透镜和匀化片组成，主要用于匀化光斑和控制激光的发散角，且激光的发散角可调，以适应不同场合的需求。 [0014] 本发明的优点在于： [0015] ①本发明的三维成像速率高，最快能够达到1000fps，能够适用于对成像速度要求高的场合。 [0016] ②本发明使用了高速ICMOS作为成像器件，因此具有更高的图像分辨，且图像分辨率可调，最大分辨率为1024×1024，大于现有的专用面子三维成像探测器的分辨率。 [0018] 图1为本发明基于光源调制解调的ICMOS高速三维成像激光雷达的整体机构示意图； [0019] 图2为本发明的主动激光调制解调技术原理示意图； [0020] 图中：100——主控电路模块，200——激光光源模块，210——半导体激光器驱动电路模块，211——电压-电流转换电路，212——电流放大电路，213——保护电路，220——半导体激光器，300——高速ICMOS相机模块，310——像增强器，311——光阴极，312——微通道板，313——荧光屏，314——耦合光学系统，320——高速CMOS相机，400——上位机，500——激光发射光学系统，600——激光接收光学系统。 具体实施方式[0021] 本发明以某场合下的对物体的三维视频成像为实施例，采用大功率的半导体激光器220作为光源，激光器的发射功率为20W，激光波长为808nm；主控电路模块100生成两路调制信号和解调信号，其中加载到半导体激光器驱动电路模块110的调制信号为频率1MHz、占空比50％的方波信号，加载到像增强器310上的解调信号为频率999kHz、占空比50％的方波信号，解调后会产生1kHz的低频光信号；高速CMOS相机320的分辨率为1024×1024，最大分辨率时帧频为1000fps，在分辨率为256×256时，帧频为4000fps，可采集1kHz的解调后的低频光信号。下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应该以此限制本发明的保护范围。 [0022] 首先请参照图1，图1为本发明基于光源调制解调的ICMOS高速三维成像激光雷达的整体机构示意图。 [0023] ①调制信号发生器110生成频率为1MHz、占空比为50％的方波调制信号，该调制信号加载到半导体激光器驱动电路模块210的电压-电流转换电路211上，用以调制激光输出光强；解调信号发生器120生成频率为999kHz、占空比为50％的方波解调信号，该解调信号加载到像增强器310的光阴极311上，用以控制像增强器曝光的时间和频率。 [0024] ②半导体激光器驱动电路模块210的电压-电流转换电路211在接收到调制信号发生器输入的调制信号后，对其转换后，经电流放大电路212放大，再通过保护电路213后加载到半导体激光器220上，半导体激光器220产生和调制信号频率相同、占空比相同的激光信号，激光经过激光发射光学系统500准直、匀化后向目标发射。 [0025] ③激光接收光学系统600接收目标反射回来的激光回波信号，并滤除背景光，将激光回波信号收集到像增强器310的光阴极311上，激光回波信号在经过通过光阴极311解调后，产生1kHz的低频光信号，实现激光回波信号的解调。320在分辨率为256×256时，最高帧频可达4000fps，对1kHz的低频光信号进行采集，在一个低频光信号的周期内，可以采集到四幅图像，高速CMOS相机将采集到的图像上传至上位机400。 [0026] ④上位机400在接收到图像后，对连续采集的四幅图像中的每个像素逐个处理，设四幅图像中某个像素的灰度值分别为A0、A1、A2、A3，该像素对应的相位值通过如下公式计算： [0027] [0028] 由于不同像素对应目标不同的点，因此不同像素的激光回波信号的到达时间不同，对应的相位值也不相同，由此可计算出激光照射到的目标的三维信息，同时，通过图像的灰度值，可以获取目标的灰度信息。另外，也可通过对多幅图像进行傅立叶变换来获取每个像素对应的相位信息，从而反算出目标的距离信息，得到三维图像。 [0029] 其次请参考图2，图2为本发明的主动激光调制解调技术的原理示意图。如图所示，长虚线代表激光光源的调制信号，信号的频率为100kHz，实线代表像增强器310的解调信号，信号的频率为110kHz，当激光回波信号通过像增强器解调后，产生图中短虚线所示的低频光信号，光信号的频率为两个调制信号的频率差10kHz，当激光回波信号到达像增强器310的时间改变时，解调后信号的相位值会发生相应的变化。高速CMOS相机对解调后的信号进行采样，高速CMOS相机的曝光时间为低频光信号周期的四分之一，采样频率为低频光信号频率的四倍。 [0030] 本实施例采用的主要器件有：用于产生不同频率方波信号的多路信号发生器100；带有电压-电流转换、电流放大和过流保护等功能的半导体激光器的驱动电路模块 210；平均功率为20W、中心波长为808nm的大功率半导体激光器220；曝光时间可调制的像增强器310；高速CMOS相机320采用IDT_nx4_s1相机，相机的分辨率为1024×1024，最大分辨率时帧频为1000fps，在分辨率为256×256时，帧频为4000fps；激光发射光学系统500采用发射视场角可调的光学透镜组和具有光斑匀化作用的匀化片；激光接收光学系统600采用窄带滤光片和接收视场角可调的接收透镜组；上位机400采用电脑编辑程序对图像进行采集处理。 [0031] 结合图1、图2，本实施例的基于光源调制解调的ICMOS高速三维成像激光雷达的工作过程是： [0032] ①参数设置和器件准备：设置调制信号发生器110和解调信号发生器120参数，调制信号发生器110生成频率为1MHz、占空比为50％的方波调制信号，该调制信号加载到半导体激光器驱动电路模块210的电压-电流转换电路211上，用以调制激光输出光强；解调信号发生器120生成频率为999kHz、占空比为50％的方波解调信号，该解调信号加载到像增强器310的光阴极311上，用以控制像增强器曝光的时间和频率。 [0033] ②半导体激光器驱动电路模块210的电压-电流转换电路211在接收到调制信号发生器输入的调制信号后，对其转换后，经电流放大电路212放大，再通过保护电路213后加载到半导体激光器220上，半导体激光器220产生和调制信号频率相同、占空比相同的激光信号，激光经过激光发射光学系统500准直、匀化后出射。 [0034] ③激光接收光学系统600接收目标反射回来的激光回波信号，并滤除背景光，将激光回波信号收集到像增强器310的光阴极311上，激光回波信号在通过光阴极311解调后，产生1kHz的低频光信号。高速CMOS相机320在分辨率为256×256时，最高帧频可达4000fps，对1kHz的低频光信号进行采集，并将采集到的图像上传至上位机400。 [0035] ④上位机400在接收到图像后，对图像中的每个像素逐个处理，通过连续采集的四幅图像，就可以计算得到每个像素对应的相位值，由于不同像素对应的激光回波信号的到达时间不同，因此对应的相位值也不相同，从而计算出目标的三维信息，同时，通过图像的灰度值，可以获取目标的灰度信息。当图像的分辨率为256×256时，相机的帧频为4000fps，因此，最高的三维成像速率可高达1000fps。在激光出射功率为20W时，最远作用距离可达200m，距离分辨率为0.15m。 |
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