一種基于led光源的3d成像光雷達系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及到成像光雷達技術，主要涉及到利用2D傳感器實現3D成像的光雷達技術，具體為一種基于LED光源的3D成像光雷達系統。
【背景技術】
[0002]光學成像雷達(Lidar)基本上都采用激光作為發射光源，這是與激光的特性分不開的。激光成像雷達能夠獲取目標的3D圖像，具有重要的應用價值。國內外利用各種掃描機制已研制出多種不同用途的激光成像雷達。近年來的研宄熱點是無掃描成像，主要又朝著兩個方向發展，一個方向是研制3D傳感器，另一個方向是采用2D傳感器實現3D成像。前者最具代表性的是林肯實驗室研制的FLASH雷達，其重點即是研制具有三維成像功能的FLASH器件，該器件是一個二維像素陣列器件，每個像素具有了獨立測距功能，FLASH器件技術已日趨成熟，如果像素規模做大并能將成本降到較低，其前景將是不可估量的，目前它的成本還比較高，且像素規模還遠不如2D傳感器的水平。另外，3D傳感器的實現需要高水平的微電子技術基礎，國內外都在投入大力研宄。利用2D成像器件來實現3D成像有一定的優勢，由于2D成像器件已經非常成熟，像素規模也比較大，易于實現較大視場范圍內的具有高角分辨率的距離像。2D成像器件實現3D成像，近幾年就有數種方案，一種是相位測距原理，發射的是經過調制的正弦波，接收時，對二維器件IC⑶進行增益調制，以實現混頻的目的，處理所得到的圖像，即獲得目標的三維像。這種成像體制要求發射連續波調制激光，并需要對ICCD的增益進行準確的控制，同時由于需要至少三幀數據，因此不能對運動目標成像。也有采用線性調頻波調制激光，利用線性調頻波的測距能力實現測距，或者采用其它的波形，但原理與相位法測距基本相似，只是信號處理上有所不同。另一種方案是發射脈沖激光，用兩路ICCD去接收，一路增益不變，另一路增益線性變化，距離不同的目標點的回波在增益變化的ICCD上會獲得不同的增益，通過兩幅圖像比較獲得三維像，這種成像方案由于積分時間短，能夠大幅度抑制背景光的影響，并能獲得較遠的成像距離。無論如何，由于需要對回波調制(實際上是增益調制)，因此都需要用到昂貴的ICCD器件，前一種需要大功率高調制速率的激光器，后一種還要用到固體脈沖激光器，這些因素都直接導致了其成本上難以降低。另外，這些利用2D傳感器實現3D成像的方案基本上還處于理論和實驗研宄階段，離工程化還有一定的距離，還有較多的理論和技術問題需要解決。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種基于LED光源的3D成像光雷達系統，該成像光雷達系統采用廉價的LED光源，且僅需使用單色CCD傳感器，有效降低了光雷達系統的成本，并能夠對運動目標成像。
[0004]本發明的方案是:基于LED光源的3D成像光雷達系統，其特征在于所述成像光雷達系統包括大功率高速LED光發射組件、高速旋轉調制盤、單色CCD傳感器、三單元光學成像鏡頭、轉換成像鏡頭、濾光片及數據處理模塊，大功率高速LED光發射組件按方波驅動，對成像視場內的目標區進行泛光照明，經目標反射的回波光束經濾光片后到達三單元光學成像鏡頭，經過三單元光學成像鏡頭成像到高速旋轉調制盤上，經過調制光波經轉換成像鏡頭后成像到單色CXD傳感器上，單色CXD傳感器輸出端連接數據處理模塊，數據處理模塊同時還連接大功率高速LED光發射組件和高速旋轉調制盤的控制端。
[0005]進一步的，所述高速旋轉調制盤上具有三圈調制區和一圈位置檢測區，均為不滿圈的占空比為50%的交替透過與不透過圖案，由高速電機帶動旋轉。所述高速旋轉調制盤上的三圈調制區，在轉過相同個數周期圖案時各自圈內半徑為最大半徑與最小半徑之和的二分之一的圓上的點所經過的圓弧路徑等長，且各圈有效圖案所占據的方向區域之間互不重疊，沒有圖案的區域都為完全不透。
[0006]所述高速旋轉調制盤的位置檢測區上設計有不同的圈內分區，隨著角度的變化表現為透過或不透過，內圈的圖案中包含基本位置識別圖案和50%占空比的圖案，前者主要是提取基本位置信息，而后者用于轉速反饋；內圈圖案的信號提取通過一個LD組件和PIN探測器來完成，LD組件和PIN探測器均連接于數據處理模塊，LD組件產生一個會聚的光點照射在高速調制盤的內圈，通過處理PIN探測器的輸出信號即提取內圈圖案信號。
[0007]更進一步的，所述三單元光學成像鏡頭由三套完全一樣且緊鄰的光學成像鏡頭制成，三個單元的橫向位置與旋轉調制盤的調制區相對應。
[0008]本發明的工作原理為:采用大功率高速LED光發射組件對成像視場內的目標區進行泛光照明，LED光發射組件按方波驅動，驅動頻率與高速旋轉調制盤的轉速和圖案相關。回波經過一套三單元成像鏡頭將目標區在高速旋轉調制盤的盤面上成三個相同的像，再經過一個轉換成像鏡頭將這三個像轉換到CCD傳感器的傳感面上，CCD傳感器的輸出將分出三個區，每個分區對應一個像，有效的3D視場與單個區的視場相對應；調制盤采用特別設計的透過率圖案，具有三圈調制區和一圈位置檢測區，均為不滿圈的占空比為50%的交替透過與不透過圖案，所述高速旋轉調制盤上的三圈調制區，在轉過相同個數周期圖案時各自圈內半徑為最大半徑與最小半徑之和的二分之一的圓上的點所經過的圓弧路徑等長，使得三圈調制區中每圈圖案調制效果近似相同，誤差在允許范圍內，且各圈有效圖案所占據的方向區域之間互不重疊，沒有圖案的區域都為完全不透；CCD傳感器的快門打開時間要包含這三個分區總的有效期，使得CCD傳感器上的三個分區依次在三個不同的期間有光進入；同時，通過數據處理模塊的控制，大功率高速LED光發射組件的驅動方波信號在三個不同時期具有和各對應分區相同的調制頻率和對應的相位，保證了 CCD傳感器三個分區中同一對應像素的解調結果反應的相位兩兩之間的差值為120度；最后由CCD傳感器輸出三個分區中的2D像數據解算出各個像素對應的目標距離，從而獲得3D像。
[0009]本發明的有益效果是:通過合理的3D成像機制，使照射光源可以采用成本低廉的大功率高速LED。由于采用高速旋轉調制盤來實現相位解調，因此可以采用CCD而不是ICCD，從而使整個成像雷達的成本大幅度降低。調制盤的特殊的透過率圖案設計，使得可以采用單個CCD通過單幀2D成像即獲取解算3D像需要的多個2D像數據，使信號處理變得更為簡單，并能對運動目標成像。
【附圖說明】
[0010]圖1是基于LED光源的3D成像光雷達系統原理示意圖，其中，I為大功率高速LED光發射組件，2為高速旋轉調制盤，3為CXD傳感器，4為三單元光學成像鏡頭，5為濾波片，6為轉換成像鏡頭，7為數據處理模塊，8為LD組件，9為PIN探測器。
[0011]圖2是回波解調數據獲取過程示意圖。
[0012]圖3是調制盤上像素分區示意圖。
[0013]圖4是調制盤圖案分布示意圖。
[0014]圖5是三個調制區的圖案基本結構比較示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例作進一步的說明。
[0016]如圖1所示，為基于LED光源的3D成像光雷達系統原理示意圖。
[0017]回波經過一個三單元成像鏡頭將目標區在高速旋轉調制盤的盤面上成三個相同的像，再經過一個成像鏡頭將這三個像轉換到CCD傳感器的傳感面上，CCD傳感器的輸出將分出三個區，每個分區對應一個像，有效的3D視場與單個區的視場相對應。以一種CCD傳感器為例，其芯片尺寸為5.8_X5mm，像素數為1077X788，因此可以分出三個5_X 1.8mm的分區，調制盤圖案依此進行設計，具有前述設計特征。
[0018]大功率高速LED光發射組件對成像視場內的目標區進行泛光照明，LED光發射組件按方波驅動，驅動頻率與高速旋轉調制盤的轉速和圖案相關。大功率高速LED光發射組件可以采用多個封裝好的聚光高速直插LED焊接在同一塊PCB板上，并在PCB板上配置相應的驅動電路，可以采用一路驅動電路同時驅動多個串接的LED，通過多路組合，構建一個照射視場與成像視場相匹配(能略大但不能小)的LED光發射組件。比如采用10個一路驅動，組合10路構建出100個LED燈同時照射一個視場，如果每個燈的峰值功率為150mW，則總的峰值功率可達到15W，LED燈間