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CN104483676B - 一种3d/2d非扫描激光雷达复合成像装置 - Google Patents

一种3d/2d非扫描激光雷达复合成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种3D/2D非扫描激光雷达复合成像装置，属于光电成像技术领域。主要包括红外激光器、发射与接收光学系统、滤光片、半透半反镜、APD与FPA探测器、计时与融合系统。基本原理是红外激光器发射激光光束，光束经发射光学系统后射向目标并被反射，反射光经接收光学系统接收，被接收的光线经过滤光片滤除背景光线。当光线照射到半透半反镜上时，光线被分成两束，其中一束照射到APD探测器，生成一幅低分辨率距离像；另一束光束照射到FPA探测器生成一幅高分辨率强度像，数据处理板卡对两幅图像进行融合得到高分辨率距离图像。解决了当前由于材料工艺限制而无法制造高分辨率APD阵列探测器、无法得到高分辨率距离图像的问题。

Description

一种3D/2D非扫描激光雷达复合成像装置
技术领域
本发明涉及一种3D/2D非扫描激光雷达复合成像装置，属于光电成像技术领域。
背景技术
在军事、民用等领域，现有的被动成像方式已经满足不了社会发展的需要。现有的被动成像方式只能得到物体的强度像而无法得到物体的三维信息，所以以激光雷达为代表的主动成像方式变的尤为重要。当前成像激光雷达的实现方式有很多，采用扫描方式的激光雷达已经比较成熟，但是扫描激光雷达有着一些固有的缺点，扫描机制使雷达无法对高速移动的物体进行成像、扫描机构的存在降低了整体的机构可靠性、增加了机构的体积和重量等这些无法克服的问题预示着非扫描成像方式最终一定会取代扫描成像方式。实现非扫描成像激光雷达的方式同样有很多，就其未来发展前景来说，由于APD阵列的成像方式具有主要器件均为硅材料器件、加工技术成熟、便于集成、无真空辅助器件等优势，成为最具发展潜力的一种成像方式，。
但是受到当前加工工艺的限制，APD阵列探测器的像素数还不能做到太大，这样的像素数很难满足实际应用的需求，因此很难直接用APD阵列探测器得到高分辨率距离图像。当前焦平面阵列探测器的发展要优于APD阵列探测器发展，焦平面阵列可以做到的像素数量远大于APD阵列探测器的像素数，利用焦平面阵列的成像方式，可以得到物体的强度像。经过分析，发现物体的距离像和强度像之间存在着某种联系，可以利用这种联系将APD阵列探测器的低分辨率距离像与焦平面阵列探测器的高分辨率强度像进行融合得到一幅拥有较高分辨率的距离图像。这样可以弥补APD阵列探测器无法做到多像素的缺点，可以得到一幅具有高分辨率的距离图像。
发明内容
本发明解决了当前APD阵列探测器无法做到多像素的问题，提出了一种APD阵列探测器数据与焦平面阵列数据相融合的装置。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明是一种3D/2D非扫描激光雷达复合成像装置。该装置包括短波红外激光器、反射镜、APD探测器、扩束整形光学系统、接收光学系统、滤光片、半透半反镜、APD阵列探测器、放大电路、TDC计时电路、焦平面阵列探测器、DSP高速数据处理板卡和显示器；
所述的短波红外激光器在接收到脉冲触发信号时发射大电流窄脉冲信号；
所述的反射镜对光能量进行分割；
所述的APD探测器将光脉冲信号转变为电脉冲信号；
所述的扩束整形光学系统具有两组镜头，并且镜头表面镀有905nm的红外增透膜，两组镜头分别用于激光束的扩束和整形；
所述的接收光学系统是大口径长焦的折反射式望远接收光学系统；
所述的滤光片能够对光能量进行选通；
所述的半透半反镜对光能量进行分割，其中50％的光能量被反射和50％的光能量被透射；
所述的APD阵列探测器和焦平面阵列探测器是面阵的接收器件；
所述的放大电路对APD阵列探测器输出的每一路电信号进行一致的放大；
所述的TDC计时电路对APD阵列探测器输出的每一路电信号进行精确的计时；
所述的高速数据处理板卡是基于DSP芯片设计的数据处理板卡，该芯片同时作为控制芯片使用，是整个系统的控制端；
所述的显示器是液晶显示器。
工作过程为：短波红外激光器发射短波红外激光光束，激光光束经扩束整形光学系统后射向目标并被反射，经望远接收光学系统接收，被接收的光线经过滤光玻璃滤除背景光线。当光线照射到半透半反镜上时，光线被分成两束，其中一束照射到APD阵列探测器，生成一幅低分辨率距离像；另一束光束照射到焦平面阵列探测器以生成一幅高分辨率强度像，高速数据处理板卡对两幅图像进行算法处理得到高分辨率距离图像。
有益效果
本发明利用低分辨率的APD距离图像与高分辨率的焦平面强度图像进行融合，最终得到高分辨率的距离图像，解决了当前由于材料工艺限制而无法制造高分辨率APD阵列探测器、无法得到高分辨率距离图像的问题。扩展了APD阵列探测器的应用。
附图说明
图1为实施例中一种3D/2D非扫描激光雷达复合成像装置的示意图；
其中，1-短波红外激光器、2-反射镜、3-APD单点探测器、4-扩束整形光学系统、5-接收光学系统、6-滤光片、7-半透半反镜、8-APD阵列探测器、9-高速放大电路、10-TDC计时电路、11-焦平面阵列探测器、12-高速数据处理板卡、13-液晶显示器；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
一种3D/2D非扫描激光雷达复合成像装置。如图1所示，该装置包括短波红外激光器1、反射镜2、APD探测器3、扩束整形光学系统4、接收光学系统5、滤光片6、半透半反镜7、APD阵列探测器8、放大电路9、TDC计时电路10、焦平面阵列探测器11、DSP高速数据处理板卡12和显示器13；
所述的短波红外激光器(1)能够在接收到脉冲触发信号时发射脉冲宽度小于20ns、峰值功率大于150W、脉冲上升沿小于10ns、波长为905nm、重复频率小于1KHz和发射发散角较小的脉冲激光，该激光器单色性足够好，稳定性足够强，并且该激光器有相应的散热措施，能够长时间工作；
所述的反射镜(2)能够对光能量进行分割，其中5％的光能量被反射和95％的光能量被透射，透射光路与反射光路恰好垂直；
所述的APD探测器(3)能够将光脉冲信号转变为电脉冲信号，要求探测器带宽足够高，能够探测到窄脉冲信号；
所述的扩束整形光学系统(4)具有两组镜头，并且镜头表面镀有905nm的红外增透膜，两组镜头分别用于激光束的扩束和整形，扩束使照射光斑面积足够大，整形使光斑光强分部尽量均匀；
所述的接收光学系统(5)是大口径长焦的折反射式望远接收光学系统，其口径为120mm，焦距为800mm，镜头表面镀有905nm的红外增透膜，成像质量高，畸变与像差小；
所述的滤光片(6)能够对光能量进行选通，只有905nm的光波长能够通过，带宽为20nm；
所述的半透半反镜(7)，其特征在于该镜片能够对光能量进行分割，其中50％的光能量被反射和50％的光能量被透射，透射光路与反射光路恰好垂直；
所述的APD阵列探测器(8)和焦平面阵列探测器(11)是面阵的接收器件，APD阵列探测器的带宽足够高，能够探测窄脉冲信号，两个探测器的灵敏度足够高，能够探测微弱的光信号；
所述的放大电路(9)能够对APD阵列探测器输出的每一路电信号进行一致的放大，电路的带宽足够高，能够不失真的放大高速电信号，探测器周围部有相应的散热装置以降低探测器的温度；
所述的TDC计时电路(10)能对APD阵列探测器输出的每一路电信号进行精确的计时，其根据开始计时触发信号与终止计时触发信号进行计时，计时精度达到90ps；
所述的高速数据处理板卡(12)是基于DSP芯片设计的数据处理板卡，该板卡内存足够大，运算速度足够快，能够迅速的执行所设计的融合算法，能够实现后续图像的实时显示，该芯片同时作为控制芯片使用，是整个系统的控制端，能够控制激光器何时发射激光脉冲以及何时显示融合后的距离图像；
所述的显示器(13)是液晶显示器。
工作过程为：高速DSP板卡12向短波红外激光器1发射起始信号，短波红外激光器1在接收到触发信号后发射短波红外激光光束，光束经过具有5％反射95％透射能力的反射镜2，反射光束被APD探测器3接收转换成相应的电信号，这一信号作为开始计时的触发信号送入TDC计时电路10；透射光束经扩束整形光学系统4后射向目标并被反射，经望远接收光学系统5接收，被接收的光线经过滤光玻璃6滤除背景光线。当光线照射到半透半反镜7上时，光线被分成两束，其中一束照射到APD阵列探测器8，输出的每一路电信号经放大电路9放大后作为终止计时的触发信号送入TDC计时电路10，TDC计时电路10对每一路电信号进行计时生成一幅低分辨率距离像，然后此距离像被送入DSP高速板卡12；另一束光束照射到焦平面阵列探测器11以生成一幅高分辨率强度像，然后此强度像同样被送入DSP高速板卡12，高速数据处理板卡12对两幅图像进行算法处理得到高分辨率距离图像并在显示器13上实时显示，当融合图像已被显示后，DSP控制芯片12向激光器1发射触发信号以开始新一轮的采集。
工作原理：
APD阵列探测器的计时原理为计算飞行时间法，TDC芯片会计算出从激光脉冲发射起，一直到激光脉冲信号被APD像素接收到为止的时间间隔，然后依据公式x＝0.5c*t计算出每个像素的距离值，TDC的开始计时信号来自于发射系统的APD探测器，而终止计时信号来自于APD阵列探测器经放大电路放大后的每一路电信号；
目标反射回来的光线，经过半透半反镜被分成能量相同的两束，一束照射到APD阵列探测器，得到一幅低分辨率的距离像；另外一束光线照射到焦平面阵列探测器，得到一幅较高分辨率的强度像。由于两幅图像公用相同的光学接收系统所以属于共视场图像；APD阵列平面与焦平面阵列平面必须恰好在物体的像平面上，以满足成像关系。
根据分析共视场的强度像与距离像满足一定的关系，所以可以利用这一关系设计融合算法将两幅图像融合，得到一幅较高分辨率的距离图像。

Claims (1)

1.一种3D/2D非扫描激光雷达复合成像装置，包括短波红外激光器、反射镜、APD探测器、扩束整形光学系统、接收光学系统、滤光片、APD阵列探测器、放大电路、TDC计时电路、DSP高速数据处理板卡和液晶显示器，其特征在于：包含半透半反镜和焦平面阵列探测器，采用半透半反镜将一半的激光回波能量分配至焦平面阵列探测器，得到目标物的强度图像，利用激光雷达距离图像和同一场景下强度图像之间的内在解析代数联系，通过算法处理得到一幅比原APD阵列探测器空间分辨率更高的距离图像；
所述接收光学系统为大口径长焦的折反射式望远接收光学系统；
所述APD阵列探测器位于接收光学系统像平面上，属于距离像探测器；
所述焦平面阵列探测器位于接收光学系统像平面上，属于强度像探测器；
3D/2D非扫描激光雷达复合成像装置的工作步骤为：短波红外激光器发射短波红外激光光束，激光光束经扩束整形光学系统后射向目标物，被目标物反射的红外激光光束，经大口径长焦的折反射式望远接收光学系统接收和滤光片滤除背景光后，照射至半透半反镜，在半透半反镜上激光光束被分为两束，其中一束激光光束成像于APD阵列探测器，生成一幅距离图像，另一束激光光束成像于焦平面阵列探测器，生成一幅比APD阵列探测器空间分辨率更高的强度图像，高速数据处理板卡对两幅图像进行算法处理，得到一幅空间分辨率高于原APD阵列探测器空间分辨率的距离图像。
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