本發(fā)明屬于激光雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于空間編碼的遠(yuǎn)距離高分辨率激光主動成像裝置及方法。

背景技術(shù)：

目前掃描式激光雷達(dá)存在一個問題，即脈沖激光器的重復(fù)頻率與探測距離之間的矛盾。我們需要呈現(xiàn)高分辨率的圖像，就要求激光源有較高的重復(fù)頻率。但是重復(fù)頻率越高，目標(biāo)物體的探測距離就相應(yīng)縮短。以重復(fù)頻率為1MHZ的激光器為例，其發(fā)射間隔周期為1μs。為了確保精確測距，必須保證上一時刻激光束的發(fā)射和接收在下一時刻激光束發(fā)出前完成。因此，最遠(yuǎn)探測距離為150m。當(dāng)超過150m時，t₁時刻激光束在被APD探測器接收前，t₂時刻的激光束已經(jīng)發(fā)射。這樣的話，就有可能出現(xiàn)t₂時刻的激光束先于t₁時刻激光束被探測器接收到，造成混亂。這種情況下，則無法測算出探測目標(biāo)的距離。

按照傳統(tǒng)方法與裝置，若要增加探測距離，則需降低脈沖激光器的重復(fù)頻率，進(jìn)而圖像分辨率也隨之降低，制約了成像質(zhì)量和探測距離的進(jìn)一步提高。因此，為了在提升探測距離的情況下，并保證較高的圖像分辨率，我們設(shè)計了一種基于空間編碼的遠(yuǎn)距離、高分辨率的激光主動成像裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對傳統(tǒng)掃描成像技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于空間編碼的遠(yuǎn)距離高分辨率激光主動成像裝置及方法，能夠保證高分辨率的情況下，擴大探測距離。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于空間編碼的遠(yuǎn)距離高分辨率激光主動成像裝置，包括激光光源1，固定于激光光源1出光端的二維激光掃描鏡2，固定于二維激光掃描鏡2掃描區(qū)域的目標(biāo)8，固定于目標(biāo)8反射光路上的成像透鏡3，固定于成像透鏡3成像光路上的光電陣列探測器4，同時包括與激光掃描鏡2連接的掃描鏡轉(zhuǎn)角測量裝置5，與光電陣列探測器4通過導(dǎo)線連接的空間解碼及激光測距模塊6，同時與空間解碼及激光測距模塊6和掃描鏡轉(zhuǎn)角測量裝置5通過導(dǎo)線連接的計算機7以及與激光光源1通過導(dǎo)線連接的激光控制器9。

所述激光光源1為高重復(fù)頻率脈沖式激光器。

所述光電陣列探測器4的探測單元數(shù)量遠(yuǎn)低于每幀激光圖像像素點的數(shù)量。

所述光電陣列探測器4中每個探測單元的探測區(qū)域與空間編碼區(qū)域一一對應(yīng)，即某一空間編碼區(qū)域的反射光僅能被其所對應(yīng)的探測單元探測到。

上述所述基于空間編碼的遠(yuǎn)距離高分辨率激光主動成像裝置的成像方法，激光控制器9控制激光光源1發(fā)射的激光照射到二維激光掃描鏡2上，此時掃描鏡轉(zhuǎn)角測量裝置5記錄當(dāng)前二維激光掃描鏡2的轉(zhuǎn)角θ₁,θ₂及激光照射區(qū)域的空間編碼值M，激光經(jīng)目標(biāo)8反射后經(jīng)過成像透鏡3，光電陣列探測器4中的某個探測單元會探測到目標(biāo)的返回激光，空間解碼及激光測距模塊6根據(jù)接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，解算出反射激光來源于哪個空間編碼區(qū)域，并測量激光控制器9輸出的觸發(fā)脈沖和光電陣列探測器4某個探測單元輸出的脈沖信號之間的時間差，就能夠計算出目標(biāo)8上某點的距離。

由于激光二維掃描鏡掃描速度非?？?，假如第N個脈沖激光照射到了編碼為M的空間區(qū)域，根據(jù)透鏡成像的原理，該脈沖激光信號會被光電陣列探測器的第M個探測單元探測到；而第N+1個脈沖激光就會照射到編碼為非M的空間區(qū)域，并且該脈沖激光信號會被陣列探測器中第M個以外的探測器探測到；根據(jù)接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，就可以判斷出該脈沖激光來自于空間的哪個區(qū)域，再利用掃描鏡轉(zhuǎn)角測量信息，就能準(zhǔn)確的定位目標(biāo)某點三維(角度-角度-距離)信息；利用上述方法，不斷探測目標(biāo)不同位置的距離，則可以獲得目標(biāo)的三維輪廓。

上述成像方法的具體步驟如下：

步驟1：對探測空間進(jìn)行二維編碼：設(shè)激光雷達(dá)的視場范圍是：θ₁*θ₂，將該區(qū)域分成5*5(不限于5*5)個子區(qū)域并對其進(jìn)行編碼，則不同編碼區(qū)域所對應(yīng)的探測視場角范圍下表1所示：

表1.空間區(qū)域編碼與空間區(qū)域視場角之間的關(guān)系

步驟2：初始化系統(tǒng)，激光光源1開始工作；

步驟3：激光經(jīng)二維激光掃描鏡2反射，此時掃描鏡轉(zhuǎn)角測量裝置5記錄當(dāng)前二維激光掃描鏡2的角度值并根據(jù)表1獲得當(dāng)前激光照射空間區(qū)域的編碼值M(M＝1...25)；

步驟4：激光被目標(biāo)8反射后經(jīng)成像透鏡3，匯聚至光電陣列探測器4上對應(yīng)空間編碼值M的探測單元上，空間解碼及激光測距模塊6將聚焦后的光信號轉(zhuǎn)化為放大的電壓信號，根據(jù)接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，解算出反射激光來源于哪個空間編碼區(qū)域，并利用飛行時間法(不限于飛行時間法)測量激光控制器9輸出的觸發(fā)脈沖和光電陣列探測器4某個探測單元輸出的脈沖信號之間的時間差，就能夠計算出目標(biāo)上某點的距離；

步驟5：在第一束激光未到達(dá)光電陣列探測器4之前，也就是步驟4進(jìn)行的同時，激光源依次發(fā)出第2、3、4…n束激光，經(jīng)二維激光掃描鏡2反射后照射在不同的空間編碼區(qū)域內(nèi)；此時，掃描鏡轉(zhuǎn)角測量裝置5分別記錄下對應(yīng)時刻二維激光掃描鏡2的角度

步驟6：與步驟4相類似，第2、3、4...n束激光被目標(biāo)8反射后，經(jīng)成像透鏡3，匯聚至光電陣列探測器4對應(yīng)的探測單元上，并通過空間解碼及激光測距模塊6根據(jù)接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，解算出反射激光來源于哪個空間編碼區(qū)域，并測量目標(biāo)位置的距離信息，計算機7通過判斷是哪個探測單元探測到的激光信號，就能夠分辨出是其所對應(yīng)的掃描鏡的角度；

步驟7：計算機7利用多次測量的目標(biāo)距離和角度信息，即能夠獲得目標(biāo)8的三維圖像。

本發(fā)明提出這種遠(yuǎn)距離、高分辨率激光主動成像雷達(dá)裝置，主要創(chuàng)新點在于將被探測區(qū)域進(jìn)行空間編碼，反射激光經(jīng)過透鏡后聚焦在對應(yīng)的探測單元上，通過辨別哪個探測單元探測到激光，就可以尋找到對應(yīng)激光發(fā)射的角度，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高分辨率激光成像功能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明成像裝置原理圖。

圖2為空間區(qū)域編碼原理圖。

圖3為空間編碼區(qū)域?qū)?yīng)的視場角。

圖4為空間編碼區(qū)域與光電陣列探測器探測單元之間的對應(yīng)關(guān)系。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

如圖1所示，本發(fā)明一種基于空間編碼的遠(yuǎn)距離高分辨率激光主動成像裝置，包括激光光源1，固定于激光光源1出光端的二維激光掃描鏡2，固定于二維激光掃描鏡2掃描區(qū)域的目標(biāo)8，固定于目標(biāo)8反射光路上的成像透鏡3，固定于成像透鏡3成像光路上的光電陣列探測器4，同時包括與激光掃描鏡2連接的掃描鏡轉(zhuǎn)角測量裝置5，與光電陣列探測器4通過導(dǎo)線連接的空間解碼及激光測距模塊6，同時與空間解碼及激光測距模塊6和掃描鏡轉(zhuǎn)角測量裝置5通過導(dǎo)線連接的計算機7以及與激光光源1通過導(dǎo)線連接的激光控制器9。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述掃描鏡轉(zhuǎn)角測量裝置5與二維激光掃描鏡2非接觸連接，具有測角精度高，角度分辨率高的優(yōu)點。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述二維激光掃描鏡2與水平面呈45°，具有激光圖像探測視場均勻，畸變小等優(yōu)點。

上述所述基于空間編碼的遠(yuǎn)距離高分辨率激光主動成像裝置的成像方法，激光控制器9控制激光光源1發(fā)射的激光照射到二維激光掃描鏡2上，此時掃描鏡轉(zhuǎn)角測量裝置5記錄當(dāng)前二維激光掃描鏡2的轉(zhuǎn)角θ₁,θ₂及激光照射區(qū)域的空間編碼值M，激光經(jīng)目標(biāo)8反射后經(jīng)過成像透鏡3，光電陣列探測器4中的某個探測單元會探測到目標(biāo)的返回激光，空間解碼及激光測距模塊6根據(jù)接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，解算出反射激光來源于哪個空間編碼區(qū)域，并測量激光控制器9輸出的觸發(fā)脈沖和光電陣列探測器4某個探測單元輸出的脈沖信號之間的時間差，就能夠計算出目標(biāo)8上某點的距離。

由于激光二維掃描鏡掃描速度非?？?，假如第N個脈沖激光照射到了編碼為M的空間區(qū)域，根據(jù)透鏡成像的原理，該脈沖激光信號會被光電陣列探測器的第M個探測單元探測到；而第N+1個脈沖激光就會照射到編碼為非M的空間區(qū)域，并且該脈沖激光信號會被陣列探測器中第M個以外的探測器探測到；根據(jù)接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，就可以判斷出該脈沖激光來自于空間的哪個區(qū)域，再利用掃描鏡轉(zhuǎn)角測量信息，就能準(zhǔn)確的定位目標(biāo)某點三維(角度-角度-距離)信息。利用上述方法，不斷探測目標(biāo)不同位置的距離，則可以獲得目標(biāo)的三維輪廓。

上述成像方法的具體步驟如下：

步驟1：對探測空間進(jìn)行二維編碼。如圖2所示，設(shè)激光雷達(dá)的視場范圍是：θ₁*θ₂，將該區(qū)域分成5*5(不限于5*5)個子區(qū)域并對其進(jìn)行編碼，則不同編碼區(qū)域所對應(yīng)的探測視場角范圍下表1所示，可參考圖3。

表1.空間區(qū)域編碼與空間區(qū)域視場角之間的關(guān)系

步驟2：初始化系統(tǒng)，激光光源1開始工作；

步驟3：激光經(jīng)二維激光掃描鏡2反射，此時掃描鏡轉(zhuǎn)角測量裝置5記錄當(dāng)前二維激光掃描鏡2的角度值并根據(jù)表1獲得當(dāng)前激光照射空間區(qū)域的編碼值M(M＝1...25)；

步驟4：激光被目標(biāo)8反射后經(jīng)成像透鏡3，匯聚至光電陣列探測器4上對應(yīng)空間編碼值M的探測單元上，空間解碼及激光測距模塊6將聚焦后的光信號轉(zhuǎn)化為放大的電壓信號，根據(jù)接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，解算出反射激光來源于哪個空間編碼區(qū)域，并利用飛行時間法測量激光控制器9輸出的觸發(fā)脈沖和光電陣列探測器4某個探測單元輸出的脈沖信號之間的時間差，就能夠計算出目標(biāo)上某點的距離；

步驟5：在第一束激光未到達(dá)光電陣列探測器4之前，也就是步驟4進(jìn)行的同時，激光源依次發(fā)出第2、3、4…n束激光，經(jīng)二維激光掃描鏡2反射后照射在不同的編碼區(qū)域內(nèi)；此時，掃描鏡轉(zhuǎn)角測量裝置5分別記錄下對應(yīng)時刻二維激光掃描鏡2的角度

步驟6：與步驟4相類似，第2、3、4...n束激光被目標(biāo)8反射后，經(jīng)成像透鏡3，匯聚至光電陣列探測器4對應(yīng)的探測單元上，并通過空間解碼及激光測距模塊6根據(jù)接收到脈沖激光信號的探測單元的位置，解算出反射激光來源于哪個空間編碼區(qū)域，并測量目標(biāo)位置的距離信息，計算機7通過判斷是哪個探測單元探測到的激光信號，就能夠分辨出是其所對應(yīng)的掃描鏡的角度；

步驟7：計算機7利用多次測量的目標(biāo)距離和角度信息，即能夠獲得目標(biāo)8的三維圖像。