專利名稱：亮度調制無掃描激光三維成像系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光三維成像技術領域、尤其涉及一種亮度調制無掃描激光三維成像系統。
背景技術：
目前主要有幾種無掃描激光成像的技術方案，第一種是利用連續波調制的方法進行三維成像的方案；該方案由于需要對半導體激光器進行高速調制，成像精度和成像距離存在矛盾關系，而且需要幾次發射激光才能得到一副三維圖像，實時性不好，不利于動目標的測量。第二種是采用帶距離測量功能的面陣探測器的放大，該方案受制于現有面陣探測器的技術水平。第三種是采用切片距離選通的方案，該方案拼接算法復雜且難以做到實時處理。
發明內容
鑒于上述的分析，本發明旨在提供一種亮度調制無掃描激光三維成像系統，用以解決現有無掃描激光成像的方法所存在的實時性不好等問題。本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的本發明提供了一種亮度調制無掃描激光三維成像系統，包括激光電源、脈沖激光器、激光擴束器、成像接收鏡頭、雙通道分光鏡、兩路增強型數字相機、測距接收鏡頭、實時圖像處理器、數據存儲器、圖像顯示器、測距處理器和像增強器控制器，其中，激光電源，用于給脈沖激光器供電；脈沖激光器，用于發射脈沖激光；激光擴束器，用于對脈沖激光器發出的脈沖激光，根據不同距離和目標大小調節脈沖激光的發散角，使脈沖激光的光斑都照射在目標物體上，經目標物體反射后的回波信號分別由測距接收鏡頭和成像接收鏡頭同時接收；成像接收鏡頭，用于接收目標物體反射后的回波信號生成成像回波信號并發送給雙通道分光鏡；雙通道分光鏡，用于將成像接收鏡頭輸出的成像回波信號分成兩路，同時進入到兩路增強型數字相機；增強型數字相機，設置有兩路，每路均包含有數字相機和像增強器，其中，像增強器和數字相機通過光錐耦合，兩路像增強器，用于接收雙通道分光鏡發來的兩路成像回波信號并進行放大后進入到兩路數字相機；并且還根據像增強控制器產生的像增強器選通信號控制像增強器的開關，根據像增強控制器產生的兩路像增強器增益調制信號，分別對一路圖像數據的增強增益進行恒定調制，對另一路圖像數據的增強增益進行線性增大調制；兩路數字相機，用于將像增強器輸出的兩路成像回波信號生成對應的兩路圖像數據，并將經過像增強器調制處理后的兩路圖像數據輸出給實時圖像處理器；
實時圖像處理器，用于同時接收兩路增強型數字相機輸出的兩路圖像數據，對兩路圖像數據進行預處理，根據預處理后的圖像數據計算得出目標物體各點的三維信息，并送到數據存儲器和圖像顯示器；數據存儲器，用于保存實時圖像處理器輸出的目標物體各點的三維信息；圖像顯示器，用于根據目標物體各點的三維信息進行顯示處理，顯示相應的目標物體的三維圖像；測距接收鏡頭，用于接收目標物體反射后的回波信號生成測距回波信號并輸出給測距處理器；測距處理器，用于接收測距接收鏡頭輸出的測距回波信號，計算測距回波信號與主波信號的時間差，進而得到目標物體中心點到脈沖激光器的距離值；像增強器控制器，用于根據目標物體中心點到脈沖激光器的距離值產生像增強器選通信號，以及根據需要產生像增強器增益調制信號，并將產生的像增強器選通信號以及像增強器調制信號出給兩路增強型數字相機。進一步地，所述實時圖像處理器具體包括圖像采集電路，用于同時接收兩路增強型數字相機輸出的兩路圖像數據，對兩路圖像數據進行中值濾波、閾值分割預處理后送入到實時圖像計算處理單元；實時圖像計算處理單元，用于將經過線性增大調制的那路圖像數據的各點像素值與經過恒定調制的那路圖像數據的各點像素值做除法運算，得到兩路圖像數據的強度比； 然后將除法運算結果與預定的恒定增益值相乘，得到線性增大增益值；然后根據線性增大增益和時間的關系，得到目標物體各點回波信號相對選通信號的時間值，進而依據該時間值算出目標物體各點相對選通信號的距離值；最后，將目標物體各點相對選通信號的距離值和目標物體中心點到脈沖激光器的距離值相加，得到目標物體各點的實際距離值。進一步地，所述脈沖激光器的波長為532nm，激光脈沖寬度為8ns，出光抖動 < Ins0進一步地，所述激光擴束器為由電機帶動的兩片鏡片組成，擴束倍數可調。進一步地，所述成像接收鏡頭為可調焦鏡頭。進一步地，所述成像接收鏡頭還包括窄帶濾光片，設置于成像接收鏡頭后面，用于濾除多余的背景光，得到純凈的脈沖激光。進一步地，所述測距接收鏡頭還包括增透膜和窄帶濾光片，所述增透膜設置于測距接收鏡頭前面，用于增加測距回波信號的透過率；所述窄帶濾光片設置于測距接收鏡頭后面，用于濾除多余的光，得到純凈的脈沖激光。進一步地，所述激光擴束器、測距接收鏡頭、成像接收鏡頭的位置調整到使激光發射和接收同軸。進一步地，所述像增強器的響應波長范圍為200nm 900nm，像增強器的最小探測照度為10-51UX，分辨率> 501p/mm。進一步地，所述數字相機的像素位數為10位，并帶有外觸發功能。進一步地，所述數據存儲器采用SATA硬盤或者大容量SD卡作為存儲介質，其與圖像處理器之間的接口為標準FMC接口。進一步地，所述圖像顯示器采用液晶顯示器或者其它彩色顯示器作為顯示介質， 其與實時圖像處理器之間的接口為標準FMC接口。進一步地，其特征在于，所述圖像顯示器為基于距離顏色編碼的彩色顯示。進一步地，所述測距處理器具體包括雪崩光電二極管、自動增益調整過的視頻放大電路、閾值控制電路、整形電路、計數電路，其中，雪崩光電二極管，用于探測測距接收鏡頭發送的回波信號生成測距回波信號；視頻放大電路，用于將探測到的測距回波信號進行放大處理；閾值控制電路，用于對放大后的測距回波信號濾除噪聲；整形電路，用于讓測距回波信號能夠觸發計數電路；計數電路，用于計量主波信號和測距回波信號的時間差，進而得到目標物體中心點到脈沖激光器的距離值。進一步地，所述像增強器控制器具體包括像增強器選通信號控制器、像增強器增益高速調制器，其中，像增強器選通信號控制器，用于根據目標物體中心點到脈沖激光器的距離值產生像增強器選通信號并輸出給兩路增強型數字相機；像增強器增益高速調制器，用于根據需要產生兩路像增強器增益調制信號，分別輸出給增強型數字相機中的像增強器，使像增強器所產生的增益最大調制斜率為10000V/ μ S。本發明有益效果如下相對于現有激光成像技術而言，本發明成像速度快，當目標或測量設備移動時，沒有圖像失真；由于沒有高速掃描器，結構更加緊湊，系統可靠性得到大大提高；該系統使用方便，成像過程和圖像質量不受其它外界設備的影響。本發明的其他特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
圖1為本發明實施例所述系統的結構示意圖；圖2為數字相機與像增強器的耦合示意圖；圖3為亮度調制無掃描激光三維成像主回波示意圖；圖4為實時圖像處理器的結構示意圖；圖5為測距處理器的結構示意圖；圖6為像增強器控制器的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖來具體描述本發明的優選實施例，其中，附圖構成本申請一部分，并與本發明的實施例一起用于闡釋本發明的原理。為了清楚和簡化目的，當其可能使本發明的主題模糊不清時，將省略本文所描述的器件中已知功能和結構的詳細具體說明。
如圖1所示，圖1為本發明實施例所述系統的結構示意圖，具體可以包括激光電源1、脈沖激光器2、激光擴束器3、成像接收鏡頭4、雙通道分光鏡5、兩路增強型數字相機 6、測距接收鏡頭10、實時圖像處理器7、數據存儲器8、圖像顯示器9、測距處理器11和像增強器控制器12;其中，激光電源1，主要負責給脈沖激光器2供電。脈沖激光器2，用于發射脈沖激光，其發出的脈沖激光經激光擴束器照射到目標物體，波長為532nm，激光脈沖寬度為8ns，出光抖動< 1ns，；本發明實施例中采用的脈沖激光器為二極管泵浦的固體激光器，體積小、功耗少，使用維護方便。激光擴束器3，由電機帶動的兩片鏡片組成，擴束倍數可調；激光擴束器3對于脈沖激光器2發出的脈沖激光，根據不同距離和目標大小調節激光的發散角，距離越近，發散角越大，使激光光斑都照射在目標物體上，經目標物體反射后的回波信號分別由測距接收鏡頭10和成像接收鏡頭4同時接收；激光擴束器3、測距接收鏡頭10、成像接收鏡頭4的位置需要調整到使激光發射和接收同軸。成像接收鏡頭4，接收目標物體反射后的回波信號并輸出給雙通道分光鏡5 ；本發明實施例中，成像接收鏡頭4可以是可電動變焦的光學鏡頭，根據目標距離和大小調節焦距，從而保證成像清晰；成像接收鏡頭4還包括窄帶濾光片，設置于成像接收鏡頭后面，用于濾除多余的光，得到純凈的脈沖激光。雙通道分光鏡5，將成像接收鏡頭4輸出的成像回波信號分成兩路，同時送入到兩路增強型數字相機6中；其中，同時的目的是保證一次照射能得到目標的三維圖像；增強型數字相機6，設置有兩路，如圖2所示，圖2為增強型數字相機的結構示意圖，每路增強型數字相機均包括數字相機和像增強器，數字相機與像增強器通過光錐耦合；如圖3所示，圖3為亮度調制無掃描激光三維成像主回波示意圖，雙通道分光鏡5發來的兩路成像回波信號分別經過兩路像增強器放大，進入到兩路數字相機生成對應的兩路圖像數據；像增強器根據像增強器控制器產生的像增強器選通信號控制像增強器的開關，使像增強器根據像增強器控制器產生的兩路像增強器增益調制信號，對一路圖像數據的增強增益進行恒定調制，對另一路圖像數據的增強增益進行線性增大調制；然后，數字相機再將經過像增強器調制處理的兩路圖像輸出給實時圖像處理器7 ；其中，像增強器的響應波長范圍為200nm 900nm，像增強器的最小探測照度為 l(T5lux，分辨率> 501p/mm。實時圖像處理器7，同時接收兩路增強型數字相機輸出的兩路圖像數據，對兩路圖像數據進行預處理，根據預處理后的圖像數據計算得出目標物體各點的三維信息，并送到數據存儲器和圖像顯示器；如圖4所示，圖4為實時圖像處理器7的結構示意圖，具體可以包括圖像采集電路和實時圖像計算處理單元，圖像采集電路，同時接收兩路增強型數字相機6輸出的圖像數據，對兩路圖像數據進行中值濾波以及閾值分割預處理，去掉圖像中的噪聲，初步將要處理的目標對象從圖像中分離出來，并送入到實時圖像計算處理單元；實時圖像計算處理單元，對圖像采集電路處理后的兩路圖像數據進行計算處理， 最終得到目標物體各點的實際距離值，其計算過程主要包括如下步驟
(1)將經過線性增大調制的那路圖像數據的各點像素值與經過恒定調制的那路圖像數據的各點像素值做除法運算，得到兩路圖像數據的強度比；由于除法運算比較耗時，而本發明中所要做的除法，除數和被除數都是知道的，可以先把他們各自對應除法后的結果保存起來列成一個表格，這樣通過查表就能實現除法運算，還節省時間。(2)將除法運算結果與預定的恒定增益值相乘，得到線性增大增益值；然后根據已知的線性增大增益和時間的關系，得到目標物體各點回波信號相對選通信號的時間值， 進而依據該時間值算出目標物體各點相對選通信號的距離值；(3)將目標物體各點相對選通信號的距離值和目標物體中心點到脈沖激光器的距離值相加，得到目標物體各點的實際距離值(即目標物體各點的三維信息)。數據存儲器8，主要負責保存實時圖像處理器輸出的目標物體各點的三維信息； 數據存儲器可以采用SATA(Serial Advanced Technology Attachment，串行高級技術附件，一種基于行業標準的串行硬件驅動器接口)硬盤或者大容量SD(Secure Digital Memory Card，安全數碼卡)卡作為存儲介質，其與實時圖像處理器之間的接口為標準 FMC(FPGA夾層卡)接口。圖像顯示器9，用于根據目標物體各點的三維信息進行顯示處理，顯示出相應的三維圖像；圖像顯示器采用液晶顯示器或者其它彩色顯示器作為顯示介質，其與實時圖像處理器之間的接口為標準FMC接口。測距接收鏡頭10，接收目標物體反射后的回波信號生成測距回波信號并輸出給測距處理器11 ；測距接收鏡頭10還包括增透膜和窄帶濾光片，其中，增透膜設置于測距接收鏡頭前面，用于增加測距回波信號的透過率；窄帶濾光片設置于測距接收鏡頭后面，用于濾除多余的光，得到純凈的脈沖激光。測距處理器11，接收測距接收鏡頭輸出的測距回波信號，計算測距回波信號與主波信號的時間差，將該時間差乘以光速再除以2，得到目標物體中心點到脈沖激光器的距離值；如圖5所示，圖5為測距處理器11的結構示意圖，具體可以包括雪崩光電二極管、自動增益調整過的視頻放大電路、閾值控制電路、整形電路、計數電路，其中，崩光電二極管，用于探測測距接收鏡頭發送的回波信號生成測距回波信號；視頻放大電路，用于將探測到的測距回波信號進行放大處理；閾值控制電路，用于對放大后的測距回波信號濾除噪聲；整形電路，用于讓測距回波信號能夠觸發計數電路；計數電路，用于計量主波信號和測距回波信號的時間差，進而得到目標物體中心點到脈沖激光器的距離值。像增強器控制器12，根據測距處理器11計算得到的目標物體中心點到脈沖激光器的距離值產生像增強器選通信號，以及根據需要產生像增強器增益調制信號，并將產生的像增強器選通信號以及像增強器調制信號出給兩路增強型數字相機。如圖6所示，圖6為像增強器控制器的結構示意圖，具體可以包括像增強器選通信號控制器、像增強器增益高速調制器，其中，像增強器選通信號控制器，用于根據目標物體中心點到脈沖激光器的距離值產生像增強器選通信號并輸出給兩路增強型數字相機；
像增強器增益高速調制器，用于根據需要產生兩路像增強器增益調制信號，并分別輸出給增強型數字相機中的像增強器，像增強器所產生的增益最大調制斜率為10000V/ μ S,綜上所述，本發明實施例提供了一種亮度調制無掃描激光三維成像系統，與現有技術相比，有以下優勢1)成像距離大大提高，而且體積較小；2)成像效率高、速度快、使用條件簡單方便；3)可以用于運動目標的測量，不會造成圖像失真；4)每秒鐘能得到25幀的三維圖像，能夠用在對實時性要求高的場合；5)采用了選通信號，可以減小噪聲干擾，提高信噪比；6)在數字圖像處理與圖像顯示、圖像存儲等部分通過FMC接口連接，升級換代非常方便。鑒于亮度調制無掃描激光三維成像技術的這些特點，該技術可以在地形地貌測繪、激光精確制導、車輛導航蔽障、月球車降落引導等方面發揮重要作用。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1.一種亮度調制無掃描激光三維成像系統，其特征在于，包括激光電源、脈沖激光器、激光擴束器、成像接收鏡頭、雙通道分光鏡、兩路增強型數字相機、測距接收鏡頭、實時圖像處理器、數據存儲器、圖像顯示器、測距處理器和像增強器控制器，其中，激光電源，用于給脈沖激光器供電； 脈沖激光器，用于發射脈沖激光；激光擴束器，用于對脈沖激光器發出的脈沖激光，根據不同距離和目標大小調節脈沖激光的發散角，使脈沖激光的光斑都照射在目標物體上，經目標物體反射后的回波信號分別由測距接收鏡頭和成像接收鏡頭同時接收；成像接收鏡頭，用于接收目標物體反射后的回波信號生成成像回波信號并發送給雙通道分光鏡；雙通道分光鏡，用于將成像接收鏡頭輸出的成像回波信號分成兩路，同時進入到兩路增強型數字相機；增強型數字相機，設置有兩路，每路均包含有數字相機和像增強器，其中，像增強器和數字相機通過光錐耦合，兩路像增強器，用于接收雙通道分光鏡發來的成像回波信號并進行放大后進入到數字相機；并且還根據像增強控制器產生的像增強器選通信號控制像增強器的開關，根據像增強控制器產生的兩路像增強器增益調制信號，分別對一路圖像數據的增強增益進行恒定調制，對另一路圖像數據的增強增益進行線性增大調制；兩路數字相機，用于將像增強器輸出的兩路成像回波信號生成對應的兩路圖像數據， 以及將經過像增強器調制處理后的兩路圖像數據輸出給實時圖像處理器；實時圖像處理器，用于同時接收兩路增強型數字相機輸出的兩路圖像數據，對兩路圖像數據進行預處理，根據預處理后的圖像數據計算得出目標物體各點的三維信息，并送到數據存儲器和圖像顯示器；數據存儲器，用于保存實時圖像處理器輸出的目標物體各點的三維信息； 圖像顯示器，用于根據目標物體各點的三維信息進行顯示處理，顯示相應的目標物體的三維圖像；測距接收鏡頭，用于接收目標物體反射后的回波信號生成測距回波信號并輸出給測距處理器；測距處理器，用于接收測距接收鏡頭輸出的測距回波信號，計算測距回波信號與主波信號的時間差，進而得到目標物體中心點到脈沖激光器的距離值；像增強器控制器，用于根據目標物體中心點到脈沖激光器的距離值產生像增強器選通信號，以及根據需要產生像增強器增益調制信號，并將產生的像增強器選通信號以及像增強器調制信號出給兩路增強型數字相機。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述實時圖像處理器具體包括圖像采集電路，用于同時接收兩路增強型數字相機輸出的兩路圖像數據，對兩路圖像數據進行中值濾波、閾值分割預處理后送入到實時圖像計算處理單元；實時圖像計算處理單元，用于將經過線性增大調制的那路圖像數據的各點像素值與經過恒定調制的那路圖像數據的各點像素值做除法運算，得到兩路圖像數據的強度比；然后將除法運算結果與預定的恒定增益值相乘，得到線性增大增益值；然后根據線性增大增益和時間的關系，得到目標物體各點回波信號相對選通信號的時間值，進而依據該時間值算出目標物體各點相對選通信號的距離值；最后，將目標物體各點相對選通信號的距離值和目標物體中心點到脈沖激光器的距離值相加，得到目標物體各點的實際距離值，即目標物體各點的三維信息，并發送給數據存儲器和圖像顯示器。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述脈沖激光器的波長為532nm，激光脈沖寬度為8ns，出光抖動< Ins。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述激光擴束器為由電機帶動的兩片鏡片組成，擴束倍數可調。
5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述成像接收鏡頭為可調焦鏡頭。
6.根據權利要求1或5所述的系統，其特征在于，所述成像接收鏡頭還包括窄帶濾光片，設置于成像接收鏡頭后面，用于濾除多余的背景光，得到純凈的脈沖激光。
7.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述測距接收鏡頭還包括增透膜和窄帶濾光片，所述增透膜設置于測距接收鏡頭前面，用于增加測距回波信號的透過率；所述窄帶濾光片設置于測距接收鏡頭后面，用于濾除多余的光，得到純凈的脈沖激光。
8.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述激光擴束器、測距接收鏡頭、成像接收鏡頭的位置調整到使激光發射和接收同軸。
9.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述像增強器的響應波長范圍為200nm 900nm，像增強器的最小探測照度為10-51ux，分辨率> 501p/mm。
10.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述數字相機的像素位數為10位，并帶有外觸發功能。
11.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述數據存儲器采用SATA硬盤或者大容量SD卡作為存儲介質，其與圖像處理器之間的接口為標準FMC接口。
12.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述圖像顯示器采用液晶顯示器或者其它彩色顯示器作為顯示介質，其與實時圖像處理器之間的接口為標準FMC接口。
13.根據權利要求1或12所述的系統，其特征在于，所述圖像顯示器為基于距離顏色編碼的彩色顯示。
14.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述測距處理器具體包括雪崩光電二極管、自動增益調整過的視頻放大電路、閾值控制電路、整形電路、計數電路，其中，雪崩光電二極管，用于探測測距接收鏡頭發送的回波信號生成測距回波信號；視頻放大電路，用于將探測到的測距回波信號進行放大處理；閾值控制電路，用于對放大后的測距回波信號濾除噪聲；整形電路，用于讓測距回波信號能夠觸發計數電路；計數電路，用于計量主波信號和測距回波信號的時間差，進而得到目標物體中心點到脈沖激光器的距離值。
15.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述像增強器控制器具體包括像增強器選通信號控制器、像增強器增益高速調制器，其中，像增強器選通信號控制器，用于根據目標物體中心點到脈沖激光器的距離值產生像增強器選通信號并輸出給兩路增強型數字相機；像增強器增益高速調制器，用于根據需要產生兩路像增強器增益調制信號，分別輸出給增強型數字相機中的像增強器，使像增強器所產生的增益最大調制斜率為10000V/μ S。
全文摘要
本發明公開了一種亮度調制無掃描激光三維成像系統，包括激光電源、脈沖激光器、激光擴束器、成像接收鏡頭、雙通道分光鏡、兩路增強型數字相機、測距接收鏡頭、實時圖像處理器、數據存儲器、圖像顯示器、測距處理器和像增強器控制器；相對于掃描型激光成像技術而言，本發明成像速度快，當目標或測量設備移動時，沒有圖像失真；由于沒有高速掃描器，結構更加緊湊，系統可靠性得到大大提高；該系統使用方便，成像過程和圖像質量不受其它外界設備的影響。鑒于亮度調制無掃描激光三維成像技術的這些特點，該技術可以在地形地貌測繪、激光精確制導、車輛導航蔽障、月球車降落引導等方面發揮重要作用。
文檔編號G01S17/89GK102323594SQ20111022514
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月8日 優先權日2011年8月8日
發明者劉波, 張穎, 曹昌東, 耿林, 陳斌 申請人:中國電子科技集團公司第十一研究所