本發(fā)明涉及激光三維成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于全波形采樣的級(jí)聯(lián)聲光大視場(chǎng)激光三維成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光三維成像技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)感知周邊環(huán)境的立體信息，具有成像速度快、有一定的作用距離和成像范圍、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠同時(shí)獲得目標(biāo)的距離、方位、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度等信息，在無(wú)人駕駛、機(jī)器視覺等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有無(wú)人駕駛、機(jī)器視覺的激光三維成像技術(shù)多在基于飛行時(shí)間測(cè)量原理的多線掃描激光雷達(dá)上應(yīng)用，抗環(huán)境干擾能力弱，且作用距離較近，在俯仰方向上，其角分辨率固定，導(dǎo)致遠(yuǎn)距離目標(biāo)分辨率低，不利于障礙物檢測(cè)識(shí)別，極大得限制了該技術(shù)的應(yīng)用，同時(shí)，也給無(wú)人駕駛車輛帶來(lái)安全隱患。

為擴(kuò)展激光三維成像技術(shù)的應(yīng)用范圍，需要提升現(xiàn)有激光三維成像系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾能力、作用距離和角分辨率調(diào)節(jié)能力，增強(qiáng)激光三維成像技術(shù)的可靠性。為此，有必要對(duì)現(xiàn)有激光三維成像系統(tǒng)的探測(cè)和掃描方式進(jìn)行改進(jìn)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有的技術(shù)問題，本發(fā)明提供基于全波形采樣的級(jí)聯(lián)聲光大視場(chǎng)激光三維成像系統(tǒng)，包括激光光源模塊、級(jí)聯(lián)聲光掃描發(fā)射接收光學(xué)模塊、多路高速激光探測(cè)模塊、總控模塊、上位機(jī)、電源模塊，

所述激光光源模塊，為高重頻脈沖激光器，為系統(tǒng)提供激光光源；

所述級(jí)聯(lián)聲光掃描發(fā)射接收光學(xué)模塊，包括級(jí)聯(lián)聲光掃描驅(qū)動(dòng)模塊、級(jí)聯(lián)聲光掃描器件、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、高精度掃描電機(jī)和接收光學(xué)系統(tǒng)；

所述的多路高速激光探測(cè)模塊包括多路探測(cè)模塊、多路高速并行采樣模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；

所述的總控模塊包括fpga主控芯片、激光器控制模塊、級(jí)聯(lián)聲光掃描控制模塊、掃描電機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)通信模塊；

所述的總控模塊的fpga主控芯片控制激光器控制模塊向高重頻脈沖激光器周期性地輸出觸發(fā)脈沖，高重頻脈沖激光器收到觸發(fā)脈沖后，輸出激光脈沖，激光脈沖分為兩路，一路激光脈沖經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)聲光掃描器件，掃描出射，另一路激光脈沖輸出至多路激光探測(cè)模塊，形成激光出射起始時(shí)刻計(jì)時(shí)起點(diǎn)；fpga主控芯片在控制輸出觸發(fā)脈沖的同時(shí)，控制所述的級(jí)聯(lián)聲光掃描控制模塊輸出控制指令至級(jí)聯(lián)聲光驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)聲光掃描器件的激光的出射方向，fpga主控芯片在每次控制輸出觸發(fā)脈沖的同時(shí)，改變級(jí)聯(lián)聲光掃描器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)激光出射方向的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)激光俯仰方向的掃描；fpga主控芯片在控制激光俯仰方向掃描的同時(shí)，通過(guò)掃描電機(jī)控制模塊，控制高精度掃描電機(jī)帶動(dòng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)在水平方向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)激光水平方向上的掃描；掃描出射的激光脈沖在接觸到物體表面后，產(chǎn)生激光回波信號(hào)，激光回波信號(hào)被接收光學(xué)系統(tǒng)接收后,被多路激光探測(cè)模塊探測(cè)，產(chǎn)生回波電信號(hào)，回波電信號(hào)被多路高速并行采樣模塊采集，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行算法處理，得到目標(biāo)的回波信息，結(jié)合激光出射起始時(shí)刻計(jì)時(shí)起點(diǎn)，得到激光回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，進(jìn)而得到目標(biāo)距離測(cè)量值；fpga主控芯片控制數(shù)據(jù)采集模塊采集目標(biāo)距離測(cè)量值，在fpga主控芯片完成數(shù)據(jù)采集后，數(shù)據(jù)通信模塊將目標(biāo)距離測(cè)量值、激光俯仰方向出射角度信息和高精度掃描電機(jī)反饋的激光水平方向出射角度信息的數(shù)據(jù)打包，上傳至上位機(jī)進(jìn)行處理，從而反演出周邊環(huán)境的三維圖像。

優(yōu)選地，所述的高重頻脈沖激光器為脈沖半導(dǎo)體激光器或者脈沖光纖激光器。

具體地，所述級(jí)聯(lián)聲光掃描驅(qū)動(dòng)模塊包括數(shù)字頻率合成器dds、信號(hào)放大模塊，fpga主控芯片通過(guò)級(jí)聯(lián)聲光掃描控制模塊將并行的多路頻率控制字分別發(fā)送至不同通道的數(shù)字頻率合成器dds，數(shù)字頻率合成器dds生成特定頻率的正弦電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大模塊分別放大后，傳送至級(jí)聯(lián)聲光掃描器件。

具體地，所述級(jí)聯(lián)聲光掃描器件是利用聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，通過(guò)快速改變通過(guò)聲光晶體的聲頻率，使通過(guò)聲光晶體的光束實(shí)現(xiàn)高速偏轉(zhuǎn)，所述的級(jí)聯(lián)聲光掃描器件由多個(gè)聲光掃描器件并行拼接而成，實(shí)現(xiàn)更大角度范圍的掃描。

具體地，所述的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)包括由高精度掃描電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)鏡，實(shí)現(xiàn)水平方向上的大范圍掃描,掃描角度范圍達(dá)到360°。

具體地，所述接收光學(xué)系統(tǒng)包括大視場(chǎng)短焦接收光學(xué)系統(tǒng)和濾光片。

具體地，所述多路探測(cè)模塊為多元雪崩光電二極管或多元光電倍增管或多元單光子探測(cè)器。

具體地，所述多路高速并行采樣模塊為多路并行采樣的高速ad采樣電路。

本發(fā)明的基于全波形采樣的級(jí)聯(lián)聲光大視場(chǎng)激光三維成像系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)激光回波信號(hào)的波形采樣、分析、處理，提取目標(biāo)的激光回波信號(hào)所反映出的回波信息，相對(duì)于傳統(tǒng)的閾值甄別提取法，目標(biāo)的激光回波信號(hào)提取方法更加智能，提升了系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾能力，如霧霾、灰塵、偽裝網(wǎng)遮蔽等，拓展了激光三維成像系統(tǒng)的適用范圍。

本發(fā)明使用級(jí)聯(lián)聲光掃描器件，與傳統(tǒng)機(jī)械掃描方式相比，具有偏轉(zhuǎn)速度快、無(wú)機(jī)械振動(dòng)、驅(qū)動(dòng)控制方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，使激光三維成像系統(tǒng)在俯仰方向上分辨率靈活調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同距離目標(biāo)的不同分辨率探測(cè)。傳統(tǒng)的多線掃描三維成像激光雷達(dá)由于俯仰方向分辨率固定，通常對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)時(shí)，俯仰方向上測(cè)量點(diǎn)稀疏，造成目標(biāo)探測(cè)識(shí)別困難，該技術(shù)使激光三維成像系統(tǒng)具備對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的高分辨成像能力。

本發(fā)明基于多路高速激光探測(cè)模塊進(jìn)行多路并行掃描和探測(cè)的三維成像方式，有效提升了探測(cè)速率，容易實(shí)現(xiàn)高速率的探測(cè)；與現(xiàn)有的多線掃描探測(cè)的三維成像方式比，由于本發(fā)明的激光三維成像系統(tǒng)探測(cè)通道數(shù)量只需幾個(gè)，代替原多線掃描探測(cè)技術(shù)的幾十個(gè)甚至上百個(gè)通道，實(shí)現(xiàn)原多線掃描探測(cè)技術(shù)要求的幾十甚至上百個(gè)通道才能達(dá)到的效果，降低了對(duì)激光功率和器件規(guī)模要求，具有成本低、功耗低的特點(diǎn)，在相同的激光功率下，具有成像距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的激光三維成像系統(tǒng)的組成示意框圖；

圖2是本發(fā)明的激光三維成像系統(tǒng)的透反類介質(zhì)環(huán)境下激光回波信號(hào)波形示意圖；

圖3是本發(fā)明激光三維成像系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)聲光掃描控制模塊、級(jí)聯(lián)聲光掃描驅(qū)動(dòng)模塊和級(jí)聯(lián)聲光掃描器件的結(jié)構(gòu)關(guān)系和控制驅(qū)動(dòng)過(guò)程示意圖。

其中，a點(diǎn)為本發(fā)明實(shí)施例的激光三維成像系統(tǒng)成像目標(biāo)(坦克)的激光回波信號(hào)尖峰位置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)該以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明以某場(chǎng)合下的對(duì)物體的三維視頻成像為實(shí)施例，采用重頻為200khz、脈寬為3ns的光纖激光器為光源，采用全波形采樣技術(shù)結(jié)合濾波算法，實(shí)現(xiàn)霧霾環(huán)境三維成像，同時(shí)，采用級(jí)聯(lián)聲光掃描器件，實(shí)現(xiàn)掃描分辨率可調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同距離目標(biāo)不同分辨率的三維成像。同時(shí)把全波形采樣技術(shù)和級(jí)聯(lián)聲光掃描技術(shù)結(jié)合使用，能提升現(xiàn)有激光三維成像雷達(dá)的抗環(huán)境干擾能力、作用距離和角分辨率調(diào)節(jié)能力。

圖1為本發(fā)明基于全波形采樣的級(jí)聯(lián)聲光大視場(chǎng)激光三維成像系統(tǒng)，包括激光光源模塊100、級(jí)聯(lián)聲光掃描發(fā)射接收光學(xué)模塊200、多路高速激光探測(cè)模塊300、總控模塊400、上位機(jī)500、電源模塊600；

激光光源模塊100，為高重頻脈沖激光器，根據(jù)作用距離需求不同，具體地高重頻脈沖激光器可以為脈沖半導(dǎo)體激光器或者脈沖光纖激光器，本實(shí)施例中為脈沖光纖激光器，為系統(tǒng)提供激光光源，此激光器光源的重復(fù)頻率可達(dá)幾百～幾千khz，體積小，電光效率高；

級(jí)聯(lián)聲光掃描發(fā)射接收光學(xué)模塊200，包括級(jí)聯(lián)聲光掃描驅(qū)動(dòng)模塊201、級(jí)聯(lián)聲光掃描器件202、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)203、高精度掃描電機(jī)204和接收光學(xué)系統(tǒng)205；級(jí)聯(lián)聲光掃描驅(qū)動(dòng)模塊201包括數(shù)字頻率合成器dds、信號(hào)放大模塊；級(jí)聯(lián)聲光掃描器件202是利用聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，通過(guò)快速改變通過(guò)聲光晶體的聲頻率，使通過(guò)聲光晶體的光束實(shí)現(xiàn)高速偏轉(zhuǎn)，級(jí)聯(lián)聲光掃描器件202由多個(gè)聲光掃描器件并行拼接而成，實(shí)現(xiàn)更大角度范圍的掃描，本實(shí)施例通過(guò)4路拼接，可使俯仰方向掃描角度范圍達(dá)到30°,角分辨率可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為0.1°～2°；發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)203包括由高精度掃描電機(jī)204驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)鏡，本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)鏡包括發(fā)射透鏡和光學(xué)反射鏡；實(shí)現(xiàn)水平方向上的大范圍掃描,掃描角度范圍達(dá)到360°；接收光學(xué)系統(tǒng)205包括大視場(chǎng)短焦接收光學(xué)系統(tǒng)和濾光片，大視場(chǎng)短焦光學(xué)系統(tǒng)主要包括短焦距非球面光學(xué)凸透鏡，如市購(gòu)thorlabs公司的acl4532u非球面透鏡；

多路高速激光探測(cè)模塊300包括多路探測(cè)模塊301、多路高速并行采樣模塊302和數(shù)據(jù)處理模塊303；多路探測(cè)模塊301可以為多元雪崩光電二極管或多元光電倍增管或多元單光子探測(cè)器，本實(shí)施例中為多元單光子探測(cè)器；所述多路高速并行采樣模塊302為多路并行采樣的高速ad采樣電路；

總控模塊400包括fpga主控芯片401、激光器控制模塊402、級(jí)聯(lián)聲光掃描控制模塊403、掃描電機(jī)控制模塊404、數(shù)據(jù)采集模塊405和數(shù)據(jù)通信模塊406；fpga主控芯片401通過(guò)級(jí)聯(lián)聲光掃描控制模塊403將并行的多路頻率控制字分別發(fā)送至不同通道的數(shù)字頻率合成器dds，數(shù)字頻率合成器dds生成特定頻率的正弦電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大模塊分別放大后，傳送至級(jí)聯(lián)聲光掃描器件202，頻率控制字代表激光俯仰方向的出射角度信息；

總控模塊400的fpga主控芯片401控制激光器控制模塊402向高重頻脈沖激光器周期性地輸出觸發(fā)脈沖，高重頻脈沖激光器收到觸發(fā)脈沖后，輸出激光脈沖，激光脈沖分為兩路，一路激光脈沖經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)聲光掃描器件202，掃描出射，另一路激光脈沖輸出至多路激光探測(cè)模塊301，形成激光出射起始時(shí)刻計(jì)時(shí)起點(diǎn)；fpga主控芯片401在控制輸出觸發(fā)脈沖的同時(shí)，控制所述的級(jí)聯(lián)聲光掃描控制模塊403輸出控制指令至級(jí)聯(lián)聲光驅(qū)動(dòng)模塊201，驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)聲光掃描器件202的激光的出射方向，fpga主控芯片401在每次控制輸出觸發(fā)脈沖的同時(shí)，改變級(jí)聯(lián)聲光掃描器件202的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)激光出射方向的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)激光俯仰方向的掃描；fpga主控芯片401在控制激光俯仰方向掃描的同時(shí)，通過(guò)掃描電機(jī)控制模塊404，控制高精度掃描電機(jī)204帶動(dòng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)203在水平方向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)激光水平方向上的掃描；掃描出射的激光脈沖在接觸到物體表面后，產(chǎn)生激光回波信號(hào)，激光回波信號(hào)被接收光學(xué)系統(tǒng)205接收后,被多路激光探測(cè)模塊301探測(cè)，產(chǎn)生回波電信號(hào)，回波電信號(hào)被多路高速并行采樣模塊302采集，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊303進(jìn)行算法處理，得到目標(biāo)的回波信息，結(jié)合激光出射起始時(shí)刻計(jì)時(shí)起點(diǎn)，得到激光回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，進(jìn)而得到目標(biāo)距離測(cè)量值；fpga主控芯片401控制數(shù)據(jù)采集模塊405采集目標(biāo)距離測(cè)量值，在fpga主控芯片401完成數(shù)據(jù)采集后，數(shù)據(jù)通信模塊406將目標(biāo)距離測(cè)量值、激光俯仰方向出射角度信息和高精度掃描電機(jī)204反饋的激光水平方向出射角度信息的數(shù)據(jù)打包，上傳至上位機(jī)500進(jìn)行處理，上位機(jī)500是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指令下發(fā)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和顯示的模塊，包含硬件平臺(tái)和軟件兩部分，最后反演出周邊環(huán)境的三維圖像。電源模塊600為系統(tǒng)提供工作電流。

圖2為本發(fā)明的激光三維成像系統(tǒng)的霧霾環(huán)境下激光回波信號(hào)波形示意圖，傳統(tǒng)基于閾值甄別的信號(hào)提取方式會(huì)提取多個(gè)激光回波信號(hào)，導(dǎo)致激光三維成像系統(tǒng)在類似霧霾的透反類介質(zhì)中使用時(shí)容易被干擾，本發(fā)明的激光三維成像系統(tǒng)可采集激光回波信號(hào)波形，通過(guò)對(duì)激光回波波形的算法分析，可得到最后一個(gè)尖峰脈沖激光回波信號(hào)的位置a點(diǎn)，圖2中a點(diǎn)為本發(fā)明實(shí)施例的激光三維成像系統(tǒng)成像目標(biāo)(坦克)的激光回波信號(hào)尖峰位置，去除了環(huán)境因素造成的干擾。

圖3為本發(fā)明的激光三維成像系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)聲光掃描控制模塊403、級(jí)聯(lián)聲光掃描驅(qū)動(dòng)模塊201和級(jí)聯(lián)聲光掃描器件202的結(jié)構(gòu)關(guān)系和控制驅(qū)動(dòng)過(guò)程示意圖，fpga主控芯片401通過(guò)級(jí)聯(lián)聲光掃描控制模塊403將并行的多路頻率控制字分別發(fā)送至不同通道(n個(gè)不同通道)的數(shù)字頻率合成器dds(即是圖3中的直接數(shù)字頻率合成器1、直接數(shù)字頻率合成器2......直接數(shù)字頻率合成器n)，數(shù)字頻率合成器dds生成特定頻率的正弦電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大模塊(即是圖3中的信號(hào)放大模塊1、信號(hào)放大模塊2......信號(hào)放大模塊n)分別放大后，傳送至級(jí)聯(lián)聲光掃描器件202，實(shí)現(xiàn)激光光束的掃描。

本實(shí)施例采用的器件有：重頻為200khz、脈寬為3ns的光纖脈沖激光器100；級(jí)聯(lián)聲光掃描器件202為aa.dts.x-400；多路高速并行采樣模塊302采用高速12位ad采集芯片c6713；數(shù)據(jù)處理模塊303和fpga主控芯片401都采用時(shí)鐘頻率為40mhz的cycloneⅱ系列的ep2c8q208i8芯片；usb數(shù)據(jù)通信模塊406采用的器件為cypress的c7y68013a-axc100，支持usb2.0協(xié)議，內(nèi)嵌增強(qiáng)型的8051處理器。

結(jié)合圖1，本實(shí)施例的激光三維成像系統(tǒng)的工作過(guò)程是：

步驟1、參數(shù)設(shè)置和器件準(zhǔn)備：

編寫fpga主控程序并燒入fpga主控芯片401，設(shè)置系統(tǒng)的初始狀態(tài)：激光器控制模塊402觸發(fā)脈沖無(wú)輸出，級(jí)聯(lián)聲光掃描控制模塊403輸出為0，總控模塊400采用lvttl電平；

步驟2、fpga主控芯片401控制激光器控制模塊402輸出觸發(fā)脈沖的，觸發(fā)脈沖觸發(fā)激光器輸出激光脈沖，同時(shí)，fpga主控芯片401通過(guò)級(jí)聯(lián)聲光掃描控制模塊403將并行的多路頻率控制字分別發(fā)送至不同通道的數(shù)字頻率合成器dds，dds生成特定頻率的正弦電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大模塊分別放大后，傳送至級(jí)聯(lián)聲光掃描器件202，利用聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)激光偏轉(zhuǎn)角度的控制；在fpga主控芯片401每次控制激光器控制模塊402輸出觸發(fā)脈沖的同時(shí)，改變不同通道的數(shù)字頻率合成器dds的頻率控制字，實(shí)現(xiàn)激光二維掃描的控制。

步驟3、多路高速并行采樣模塊302在接收到多路探測(cè)模塊301探測(cè)到的激光出射起始信號(hào)后，開始進(jìn)行高速采樣，直至一個(gè)工作周期結(jié)束，得到激光回波信號(hào)的原始波形信息；

步驟4、數(shù)據(jù)處理模塊303在接收到多路探測(cè)模塊301探測(cè)到的激光出射起始信號(hào)后，開始時(shí)鐘計(jì)數(shù)，在接收到多路高速并行采樣模塊302輸出的激光回波信號(hào)后，通過(guò)算法，提取目標(biāo)激光回波信號(hào)的下降沿，終止時(shí)鐘計(jì)數(shù)，得到目標(biāo)距離。

步驟5、usb數(shù)據(jù)通信模塊406將測(cè)量得到的目標(biāo)距離、設(shè)置的激光俯仰方向出射角度信息和高精度掃描電機(jī)反饋的水平方向激光出射角度信息數(shù)據(jù)打包，上傳至上位機(jī)500進(jìn)行處理。

步驟6、上位機(jī)500程序處理模塊根據(jù)反饋信息分別計(jì)算激光在x、y方向上的出射角，利用激光出射角和每個(gè)像點(diǎn)的距離，建立三維坐標(biāo)系，從而反演出物體三維圖像。由于激光器的重頻為200khz，級(jí)聯(lián)聲光掃描器件為4路，若圖像的俯仰分辨率為64，則可實(shí)現(xiàn)10幀/s的幀頻輸出，水平角分辨率為5mrad，俯仰角分辨率為5.4mrad，作用距離達(dá)到200m，滿足無(wú)人駕駛、機(jī)器視覺等領(lǐng)域的應(yīng)用。