基于光源調制解調的icmos高速三維成像激光雷達的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及激光雷達，特別是一種基于光源調制解調的ICM0S高速三維成像激光 雷達。
【背景技術】
[0002] 三維成像激光雷達有著廣泛的應用背景，涉及的領域非常廣泛，首先，在工程上有 礦場檢測、地形繪制、橋梁監測、公路檢測等應用，工業上可用于流水線生產產品質量的監 測、汽車的無人駕駛、機器視覺等廣泛應用，同時在軍事、航天等領域也發揮著關鍵的作用。 目前在工程應用領域，已經存在基于高精度步進電機實現二維掃描的三維成像激光雷達， 能夠實現大范圍、高點密度的三維測量，但同時存在成像速度慢、體積大、質量大等缺點，通 常獲取一幅完整的三維圖像需要數十秒，不能滿足對成像速度要求高的特殊場合，如自動 駕駛、航天器著陸地點的選擇、無人機的避障和導航等。由于基于掃描法的三維成像激光雷 達的局限性，目前國內外為實現無掃描快速的三維成像技術進行了多種技術途徑的研宄。 研宄方法主要包括以下幾種方法：
[0003] ①基于面陣焦平面探測器的無掃描直接飛行時間測距法的三維成像激光雷達。該 探測器將高精度的時間差測量電路集成到每個探測像元的后面，探測器的每個像元作為一 個獨立的探測器，可單獨輸出信號，后續電路可測量從激光發射到接收到激光回波的時間 差，反演出每個像素對應的距離信息，因此，只需發射一個激光脈沖，便可獲得被激光照射 物體的整幅三維圖像，成像速度快。目前國外已經開發出較大面陣的具有時間測量能力的 Aro面陣探測器和GM-Aro面陣探測器，由于這種高靈敏度的大面陣探測器制作工藝復雜， 目前面陣的分辨率僅有128X32,成像分辨率低，且目前國內對該種器件的研宄正處于實驗 樣品研制階段，無成品供應，尚無法實現基于面陣焦平面探測器的無掃描直接飛行時間測 量法的三維成像激光雷達技術。
[0004] ②基于專用調制解調面陣探測器的無掃描間接飛行時間測距法的三維成像激光 雷達。該器件與普通圖像傳感器的區別：一是具有高速快門，能達到l〇ns級曝光速度； 二是具有曝光累積功能，能將連續多次曝光產生的信號累積。測距方法上采用基于余弦 波-方波鑒相法的間接飛行時間測距法，從光源發出的余弦調制光經物體反射后被攝像機 接收，光子混頻探測器在單周期內等間隔連續四次曝光得到四次采樣值，最后通過四次采 樣值在光子混頻探測器后續的計算電路中直接計算出各像素對應的入射光的相位、幅值和 偏移值，從而計算出各點的距離和灰度值，得到深度圖和灰度圖。目前國外已經開發出相 對成熟的調制解調面陣探測器，但是該探測器積分時間短、探測靈敏度低，因此成像距離只 有十幾米，無法實現長距離的三維成像。
[0005] ③基于ICCD的無掃描間接飛行時間測距法的三維成像激光雷達。最初的無掃描 三維成像技術都基于ICXD傳感器，對光源和像增強器增益進行余弦波、方波或三角波等波 形調制，按照間接飛行時間測距理論，實現三維信息測量。這一技術的代表性研宄機構有 美國桑迪亞國家實驗室和日本廣播公司。國內也有少量的研宄機構開展過這方面的研宄。 由于ICCD幀頻低、光源能量利用率低，該成像技術同樣具有成像速度低，作用距離近等缺 點。
[0006] 為克服傳統三維成像速度慢和基于ICCD的無掃描三維成像能量利用率低、作用 距離近的缺點，同時基于目前國內條件的考慮，提出基于光源調制解調的ICMOS高速三維 成像激光雷達，利用高速CMOS相機高幀頻、像增強器曝光時間可調制的特點，同時對光源 進行光強調制，相機接收到的光為調制激光通過像增強器解調后的混頻光信號，這樣激光 飛行時間的時間差體現為混頻信號的相位差，高速相機對混頻信號進行采集，最后通過計 算得到每個像素相位值，從而獲得整個目標的三維信息。由于高速ICM0S相機成像速度快， 該成像方法具有成像速度快、分辨率高、系統結構簡單和作用距離較遠等優點。
【發明內容】
[0007] 為克服傳統三維成像速度慢和基于ICCD的無掃描三維成像能量利用率低、作用 距離近的缺點，本發明提出一種基于光源調制解調的ICM0S高速三維成像激光雷達，利用 高速CMOS相機高幀頻和像增強器曝光時間可調制的特點，同時對光源進行光強調制，在像 增強器接收端對激光回波信號進行解調，解調后的信號為低頻光信號，這樣激光飛行時間 的時間差體現為低頻光信號的相位差，高速CMOS相機對低頻光信號進行采集，最后通過計 算得到每個像素相位值，從而獲得整個目標的三維信息。由于高速ICM0S相機成像速度快， 該成像方法具有成像速度快、分辨率高、系統結構簡單和作用距離較遠等優點。
[0008] 本發明的技術解決方案如下：
[0009] -種基于光源調制解調的ICM0S高速三維成像激光雷達，其特點是：該激光雷達 系統由主控電路模塊、激光光源模塊、高速ICM0S相機模塊、上位機、激光發射光學系統和 激光接收光學系統組成，所述的主控電路模塊包括調制信號發生器和解調信號發生器，激 光光源模塊包括半導體激光器和半導體激光器驅動電路模塊兩部分，所述的半導體激光器 驅動電路模塊由電壓-電流轉換電路、電流放大電路和保護電路依次連接構成，所述的高 速ICM0S相機模塊包括像增強器和高速CMOS相機，所述的像增強器由光陰極、微通道板、熒 光屏、耦合光學系統依次連接構成，所述的調制信號發生器產生的光源調制信號，依次經過 所述的電壓-電流轉換電路、電流放大電路、保護電路，輸入到所述的半導體激光器，該半 導體激光器產生和調制信號波形一致的激光信號，該激光信號經激光發射光學系統發射， 出射后的激光被目標反射后形成激光回波信號，該激光回波信號返回由所述的激光接收光 學系統接收，所述的激光回波信號入射到所述的像增強器的光陰極上，所述的解調信號發 生器產生的解調信號，輸入到所述的像增強器的光陰極，當激光回波信號入射到光陰極時， 實現對激光回波信號的解調，光陰極產生的光電子經過微通道板放大后，轟擊熒光屏產生 熒光圖像，該熒光圖像經耦合光學系統后被采集，所述的高速CMOS相機將該熒光圖像上傳 至所述的上位機，該上位機對所述的熒光圖像進行處理，獲得激光回波信號的相位信息，從 而推算出目標的距離信息。
[0010] 所述的調制信號發生器產生的調制信號是占空比50%的方波信號，或正弦波信 號，調制信號的頻率變化范圍為10kHz~10MHz;所述的解調信號發生器產生的解調信號是 占空比50%的方波信號，解調信號的頻率變化范圍是10kHz~10MHz。
[0011] 所述的高速CMOS相機為幀頻極高和曝光時間可控的相機，高速相機的曝光時間 在1ys~50ms范圍內可調，時間調節分辨率為1ys，相機的幀頻數千幀每秒，在相機分辨 率為256X256時，相機的幀頻為4000fps。
[0012] 所述的上位機具有圖像采集和圖像數據處理功能，上位機對連續采集的四幅圖像 或是更多幅進行處理，可計算出每個像素對應的目標的距離信息，獲取三維圖像。
[0013] 所述的激光發射光學系統由光學發射透鏡和勻化片組成，主要用于勻化光斑和控 制激光的發散角，且激光的發散角可調，以適應不同場合的需求。
[0014] 本發明的優點在于：
[0015] ①本發明的三維成像速率高，最快能夠達到lOOOfps，能夠適用于對成像速度要求 高的場合。
[0016] ②本發明使用了高速ICM0S作為成像器件，因此具有更高的圖像分辨，且圖像分 辨率可調，最大分辨率為1024X1024,大于現有的專用面子三維成像探測器的分辨率。
[0017] ③本發明的系統結構簡單，激光能量利用率高，成像距離較遠，在激光功率為20W 時，作用距離可達200m。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明基于光源調制解調的ICM0S高速三維成像激光雷達的整體機構示意 圖；
[0019] 圖2為本發明的主動激光調制解調技術原理示意圖；
[0020] 圖中：100--主控電路模塊，200--激光光源模塊，210--半導體激光器驅動 電路模塊，211 電壓-電流轉換電路，212 電流放大電路，213 保護電路，220 半導體激光器，300 尚速ICM0S相機模塊，310 像增強器，311 光陰極，312 微 通道板，313 焚光屏，314 親合光學系統，320 尚速CMOS相機，400 上位機， 500 激光發射光學系統，600 激光接收光學系統。
【具體實施方式】
[0021] 本發明以某場合下的對物體的三維視頻成像為實施例，采用大功率的半導體激 光器220作為光源，激光器的發射功率為20W，激光波長為808nm;主控電路模塊100生成 兩路調制信號和解調信號，其中加載到半導體激光器驅動電路模塊110的調制信號為頻 率1MHz、占空比50 %的方波信號，加載到像增強器310上的解調信號為頻率999kHz、占空 比50%的方波信號，解調后會產生1kHz的低頻光信號；高速CMOS相機320的分辨率為 1024X1024,最大分辨率時幀頻為1000fps，在分辨率為256X256時，幀頻為4000fps，可采 集1kHz的解調后的低頻光信號。下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不 應該以此限制本發明的保護范圍。
[0022] 首先請參照圖1，圖1為本發明基于光源調制解調的ICM0S高速三維成像激光雷達 的整體機構示意圖。
[0023] ①調制信號發生器110生成頻率為1MHz、占空比為50%的方波調制信號，該調制 信號加載到半導體激光器驅動電路模塊210的電壓-電流轉換電路211上，用以調制激光 輸出光強；解調信號發生器120生成頻率為999kHz、占空比為50