基于空間編碼的遠距離高分辨率激光主動成像裝置及方法與流程

本發明屬于激光雷達成像技術領域，具體涉及一種基于空間編碼的遠距離高分辨率激光主動成像裝置及方法。

背景技術：

目前掃描式激光雷達存在一個問題，即脈沖激光器的重復頻率與探測距離之間的矛盾。我們需要呈現高分辨率的圖像，就要求激光源有較高的重復頻率。但是重復頻率越高，目標物體的探測距離就相應縮短。以重復頻率為1MHZ的激光器為例，其發射間隔周期為1μs。為了確保精確測距，必須保證上一時刻激光束的發射和接收在下一時刻激光束發出前完成。因此，最遠探測距離為150m。當超過150m時，t₁時刻激光束在被APD探測器接收前，t₂時刻的激光束已經發射。這樣的話，就有可能出現t₂時刻的激光束先于t₁時刻激光束被探測器接收到，造成混亂。這種情況下，則無法測算出探測目標的距離。

按照傳統方法與裝置，若要增加探測距離，則需降低脈沖激光器的重復頻率，進而圖像分辨率也隨之降低，制約了成像質量和探測距離的進一步提高。因此，為了在提升探測距離的情況下，并保證較高的圖像分辨率，我們設計了一種基于空間編碼的遠距離、高分辨率的激光主動成像裝置。

技術實現要素：

針對傳統掃描成像技術存在的不足，本發明提供了一種基于空間編碼的遠距離高分辨率激光主動成像裝置及方法，能夠保證高分辨率的情況下，擴大探測距離。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于空間編碼的遠距離高分辨率激光主動成像裝置，包括激光光源1，固定于激光光源1出光端的二維激光掃描鏡2，固定于二維激光掃描鏡2掃描區域的目標8，固定于目標8反射光路上的成像透鏡3，固定于成像透鏡3成像光路上的光電陣列探測器4，同時包括與激光掃描鏡2連接的掃描鏡轉角測量裝置5，與光電陣列探測器4通過導線連接的空間解碼及激光測距模塊6，同時與空間解碼及激光測距模塊6和掃描鏡轉角測量裝置5通過導線連接的計算機7以及與激光光源1通過導線連接的激光控制器9。

所述激光光源1為高重復頻率脈沖式激光器。

所述光電陣列探測器4的探測單元數量遠低于每幀激光圖像像素點的數量。

所述光電陣列探測器4中每個探測單元的探測區域與空間編碼區域一一對應，即某一空間編碼區域的反射光僅能被其所對應的探測單元探測到。

上述所述基于空間編碼的遠距離高分辨率激光主動成像裝置的成像方法，激光控制器9控制激光光源1發射的激光照射到二維激光掃描鏡2上，此時掃描鏡轉角測量裝置5記錄當前二維激光掃描鏡2的轉角θ₁,θ₂及激光照射區域的空間編碼值M，激光經目標8反射后經過成像透鏡3，光電陣列探測器4中的某個探測單元會探測到目標的返回激光，空間解碼及激光測距模塊6根據接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，解算出反射激光來源于哪個空間編碼區域，并測量激光控制器9輸出的觸發脈沖和光電陣列探測器4某個探測單元輸出的脈沖信號之間的時間差，就能夠計算出目標8上某點的距離。

由于激光二維掃描鏡掃描速度非常快，假如第N個脈沖激光照射到了編碼為M的空間區域，根據透鏡成像的原理，該脈沖激光信號會被光電陣列探測器的第M個探測單元探測到；而第N+1個脈沖激光就會照射到編碼為非M的空間區域，并且該脈沖激光信號會被陣列探測器中第M個以外的探測器探測到；根據接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，就可以判斷出該脈沖激光來自于空間的哪個區域，再利用掃描鏡轉角測量信息，就能準確的定位目標某點三維(角度-角度-距離)信息；利用上述方法，不斷探測目標不同位置的距離，則可以獲得目標的三維輪廓。

上述成像方法的具體步驟如下：

步驟1：對探測空間進行二維編碼：設激光雷達的視場范圍是：θ₁*θ₂，將該區域分成5*5(不限于5*5)個子區域并對其進行編碼，則不同編碼區域所對應的探測視場角范圍下表1所示：

表1.空間區域編碼與空間區域視場角之間的關系

步驟2：初始化系統，激光光源1開始工作；

步驟3：激光經二維激光掃描鏡2反射，此時掃描鏡轉角測量裝置5記錄當前二維激光掃描鏡2的角度值并根據表1獲得當前激光照射空間區域的編碼值M(M＝1...25)；

步驟4：激光被目標8反射后經成像透鏡3，匯聚至光電陣列探測器4上對應空間編碼值M的探測單元上，空間解碼及激光測距模塊6將聚焦后的光信號轉化為放大的電壓信號，根據接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，解算出反射激光來源于哪個空間編碼區域，并利用飛行時間法(不限于飛行時間法)測量激光控制器9輸出的觸發脈沖和光電陣列探測器4某個探測單元輸出的脈沖信號之間的時間差，就能夠計算出目標上某點的距離；

步驟5：在第一束激光未到達光電陣列探測器4之前，也就是步驟4進行的同時，激光源依次發出第2、3、4…n束激光，經二維激光掃描鏡2反射后照射在不同的空間編碼區域內；此時，掃描鏡轉角測量裝置5分別記錄下對應時刻二維激光掃描鏡2的角度

步驟6：與步驟4相類似，第2、3、4...n束激光被目標8反射后，經成像透鏡3，匯聚至光電陣列探測器4對應的探測單元上，并通過空間解碼及激光測距模塊6根據接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，解算出反射激光來源于哪個空間編碼區域，并測量目標位置的距離信息，計算機7通過判斷是哪個探測單元探測到的激光信號，就能夠分辨出是其所對應的掃描鏡的角度；

步驟7：計算機7利用多次測量的目標距離和角度信息，即能夠獲得目標8的三維圖像。

本發明提出這種遠距離、高分辨率激光主動成像雷達裝置，主要創新點在于將被探測區域進行空間編碼，反射激光經過透鏡后聚焦在對應的探測單元上，通過辨別哪個探測單元探測到激光，就可以尋找到對應激光發射的角度，從而實現遠距離、高分辨率激光成像功能。

附圖說明

圖1為本發明成像裝置原理圖。

圖2為空間區域編碼原理圖。

圖3為空間編碼區域對應的視場角。

圖4為空間編碼區域與光電陣列探測器探測單元之間的對應關系。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明：

如圖1所示，本發明一種基于空間編碼的遠距離高分辨率激光主動成像裝置，包括激光光源1，固定于激光光源1出光端的二維激光掃描鏡2，固定于二維激光掃描鏡2掃描區域的目標8，固定于目標8反射光路上的成像透鏡3，固定于成像透鏡3成像光路上的光電陣列探測器4，同時包括與激光掃描鏡2連接的掃描鏡轉角測量裝置5，與光電陣列探測器4通過導線連接的空間解碼及激光測距模塊6，同時與空間解碼及激光測距模塊6和掃描鏡轉角測量裝置5通過導線連接的計算機7以及與激光光源1通過導線連接的激光控制器9。

作為本發明的優選實施方式，所述掃描鏡轉角測量裝置5與二維激光掃描鏡2非接觸連接，具有測角精度高，角度分辨率高的優點。

作為本發明的優選實施方式，所述二維激光掃描鏡2與水平面呈45°，具有激光圖像探測視場均勻，畸變小等優點。

上述所述基于空間編碼的遠距離高分辨率激光主動成像裝置的成像方法，激光控制器9控制激光光源1發射的激光照射到二維激光掃描鏡2上，此時掃描鏡轉角測量裝置5記錄當前二維激光掃描鏡2的轉角θ₁,θ₂及激光照射區域的空間編碼值M，激光經目標8反射后經過成像透鏡3，光電陣列探測器4中的某個探測單元會探測到目標的返回激光，空間解碼及激光測距模塊6根據接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，解算出反射激光來源于哪個空間編碼區域，并測量激光控制器9輸出的觸發脈沖和光電陣列探測器4某個探測單元輸出的脈沖信號之間的時間差，就能夠計算出目標8上某點的距離。

由于激光二維掃描鏡掃描速度非常快，假如第N個脈沖激光照射到了編碼為M的空間區域，根據透鏡成像的原理，該脈沖激光信號會被光電陣列探測器的第M個探測單元探測到；而第N+1個脈沖激光就會照射到編碼為非M的空間區域，并且該脈沖激光信號會被陣列探測器中第M個以外的探測器探測到；根據接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，就可以判斷出該脈沖激光來自于空間的哪個區域，再利用掃描鏡轉角測量信息，就能準確的定位目標某點三維(角度-角度-距離)信息。利用上述方法，不斷探測目標不同位置的距離，則可以獲得目標的三維輪廓。

上述成像方法的具體步驟如下：

步驟1：對探測空間進行二維編碼。如圖2所示，設激光雷達的視場范圍是：θ₁*θ₂，將該區域分成5*5(不限于5*5)個子區域并對其進行編碼，則不同編碼區域所對應的探測視場角范圍下表1所示，可參考圖3。

表1.空間區域編碼與空間區域視場角之間的關系

步驟2：初始化系統，激光光源1開始工作；

步驟3：激光經二維激光掃描鏡2反射，此時掃描鏡轉角測量裝置5記錄當前二維激光掃描鏡2的角度值并根據表1獲得當前激光照射空間區域的編碼值M(M＝1...25)；

步驟4：激光被目標8反射后經成像透鏡3，匯聚至光電陣列探測器4上對應空間編碼值M的探測單元上，空間解碼及激光測距模塊6將聚焦后的光信號轉化為放大的電壓信號，根據接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，解算出反射激光來源于哪個空間編碼區域，并利用飛行時間法測量激光控制器9輸出的觸發脈沖和光電陣列探測器4某個探測單元輸出的脈沖信號之間的時間差，就能夠計算出目標上某點的距離；

步驟5：在第一束激光未到達光電陣列探測器4之前，也就是步驟4進行的同時，激光源依次發出第2、3、4…n束激光，經二維激光掃描鏡2反射后照射在不同的編碼區域內；此時，掃描鏡轉角測量裝置5分別記錄下對應時刻二維激光掃描鏡2的角度

步驟6：與步驟4相類似，第2、3、4...n束激光被目標8反射后，經成像透鏡3，匯聚至光電陣列探測器4對應的探測單元上，并通過空間解碼及激光測距模塊6根據接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，解算出反射激光來源于哪個空間編碼區域，并測量目標位置的距離信息，計算機7通過判斷是哪個探測單元探測到的激光信號，就能夠分辨出是其所對應的掃描鏡的角度；

步驟7：計算機7利用多次測量的目標距離和角度信息，即能夠獲得目標8的三維圖像。