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。無掃描成像是近年來的研宄熱點，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，但它的成本還比較高，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。利用2D成像器件來實現3D成像，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，作用距離比較有限。也可以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ICXD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，離工程化驗還有一定的距離，還有較多的理論和技術問題需要解決。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種基于LED光源的3D成像光雷達系統，用于降低現有3D成像光雷達系統成本。
[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、第一光學成像鏡頭、第二光學成像鏡頭、三組成像組件、濾光片、分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第一光學成像鏡頭成像到高速旋轉調制盤上，經過調制的光波再入射到第二光學成像鏡頭，從第二光學成像鏡頭輸出的光通過分光片，分別入射到三組成像組件，每一組成像組件包括一個光學成像鏡頭和一個單色(XD傳感器、光經過光學成像鏡頭后到達單色(XD傳感器、單色CCD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光發射組件和尚速旋轉調制盤的控制端。
[0005]進一步的，所述高速旋轉調制盤具有兩圈占空比均為50%的交替透過與不透過圖案，由高速電機帶動旋轉；其中外圈用于對回波進行強度外調制、調制頻率與大功率高速LED光發射組件的驅動頻率相同，內圈內圈圖案中還包含有起始標志，用于檢測調制盤的旋轉速度。高速旋轉調制盤內圈通過一個LD組件和一個PIN探測器檢測調制盤的旋轉速度，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旋轉調制盤的內圈，計算處理PIN探測器的輸出信號即檢測到調制盤的旋轉速度，再通過數據處理模塊控制調制盤的旋轉速度。
[0006]進一步的，所述三組成像組件中三個單色C⑶傳感器的快門是依次打開和關閉的，而大功率高速LED光發射組件(I)在三個單色CCD傳感器各自的快門打開時分別發射一個方波調制光，對任一像點而言，在第一個單色CCD傳感器的快門打開期間，LED的驅動方波信號和調制盤對該像點產生的調制信號之間的相位差為Φ，則第二個單色CCD傳感器的快門打開期間，LED的驅動方波信號和調制盤對該像點產生的調制信號之間的相位差為Φ+2 π /3，第三個單色CXD傳感器的快門打開期間，LED的驅動方波信號和調制盤對該像點產生的調制信號之間的相位差為Φ+4π/3。由三個CCD輸出的2D像便可以解算出各個像素對應的Φ，Φ包含由目標點的距離引起的相位和對應像點在調制盤上的位置引起的相位，后者由系統參數可以確定，解算3D像的核心問題是求解出各個像素對應的目標由于距離而產生的相位量，再利用相位與距離的對應關系，求解出距離值。三個CCD通過快門的分時開關實現了信號的隔離，從而用同一個LED光發射組件來滿足三個CCD的不同要求。
[0007]所述大功率高速LED光發射組件(I)為多個已封裝好的高速LED直接拼裝，其中所有高速LED具有足夠的上升下降速度，以保證發射光為方波調制；或者用大功率高速LED芯片封裝而成，并配上合適的發射鏡頭。
[0008]本發明的原理為:采用大功率高速LED組件對目標區進行泛光照明，但LED組件發射的光需要進行方波調制，回波先通過一個成像鏡頭，使目標區成像在高速旋轉調制盤的外圈上，再通過成像鏡頭和分光片使目標在三個CCD上成像并保持三個CCD上的像的位置是一致的。對CCD上不同位置的像素點，回波通過調制盤后在CCD積分特性的作用下產生相位解調，減去由于像素點所在位置引起的初始相位，即可以恢復出由于距離引起的相位變化量，從而解算出該像素點對應目標的距離。僅利用一個CCD所獲得的2D數據，尚不足以求解出3D像，這是因為對單幅CCD數據而言，相位反應出來的實際上是CCD上像的亮暗的變化，但這種亮暗變化與目標本身亮暗無法區分。用三個或三個以上CCD的數據則則可以解算得到3D像。解算的過程并不復雜。
[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ICXD，從而使整個3D成像光雷達系統的成本大幅度降低；并且由于解算3D像的三幅2D像成像所占用時間很短，因此本發明能夠實現對運動目標成像。
【附圖說明】
[0010]圖1是基于LED照射的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，41為第一光學成像鏡頭，42為第三光學成像鏡頭，43、44,45為三組成像組件中三個光學成像鏡頭，31、32、33為三組成像組件中對應單色CXD傳感器，5為濾光片，61、62為分光片，7為數據處理模塊。
[0011]圖2是尚速旋轉調制盤的圖案不意圖。
[0012]圖3是指定一像素點上光強度波形的產生示意圖。
[0013]圖4是大功率高速LED光發射組件三種不同驅動相位下像素點光強度波形的產生示意圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合實施例作對本發明做進一步的說明