專利名稱：基于多次積分的三維成像雷達(dá)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像雷達(dá)系統(tǒng)，尤其涉及一種基于飛行光譜的三維成像雷達(dá)系統(tǒng)及方法。背景介紹三維成像雷達(dá)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，如汽車的安全防撞安全系統(tǒng)、高速公路照相測速系統(tǒng)、測距望遠(yuǎn)鏡、機(jī)器視覺等。三維成像雷達(dá)是一種能具有測距能力的成像系統(tǒng)，系統(tǒng)由發(fā)射、接收和信息處理等部分組成。目前雷達(dá)測距的原理可概分為飛行時間測量、相位差測量和三角測量等三種方法。第一種方法是飛行時間法，這種方法使用脈沖光源，借由測量發(fā)射光脈沖到接收到目標(biāo)反射的光脈沖的時間差來計(jì)算目標(biāo)物體的距離。這種方法可以達(dá)到很到的精度，一般在數(shù)公里的范圍內(nèi)達(dá)到厘米級的精度，但如要實(shí)現(xiàn)高分辨三維成像，必須要逐點(diǎn)掃描，這種方法是目前最常用的激光成像雷達(dá)，這種方法成像速度非常慢、成像分辨率非常差。另外一種方法是使用每一單元都具有脈沖探測和時間計(jì)數(shù)能力的面陣探測器件，例如在成像器件前加入具有高速調(diào)制功能的增強(qiáng)CCD (ICCD)，目前無掃描激光三維雷達(dá)基本上都是采用這種方法，這種方法測量精度受限于光脈沖形狀、成像分辨率受限于像增強(qiáng)器、而且造價非常昂貴，目前尚只能用于軍事和國防用途。另外一種方法是相位測量法，這種方法是通過調(diào)制光源，利用反射光與參考振蕩之間的相位差來獲得目標(biāo)物體的距離。由于相位有2π的局限，這種方法有測量距離上的限制，測量距離只有數(shù)十米，測量精度也不高。目前也有借助增強(qiáng)CCD (ICCD)實(shí)現(xiàn)面陣相位測量法的雷達(dá)系統(tǒng)。第三種方法是三角測距法，這種方法是借助結(jié)構(gòu)光源在目標(biāo)物體上光點(diǎn)及其成像的三角關(guān)系計(jì)算出物體離光源的距離。這種方法的雖然測距精度高，但是適用的測量距離更短，常用于精密模具制造、集成電路、SMT電路板檢測等場合。目前也有用不同顏色編碼在二維空間中投射出彩色結(jié)構(gòu)光進(jìn)行三維成像的，都屬于這種方法。上述的雷達(dá)測距方法只能得到單點(diǎn)的距離信息，如要對被測物體進(jìn)行三維成像，必須逐點(diǎn)采樣，或者使用面陣型的探測器件進(jìn)行并行數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)有的各種激光雷達(dá)傳感器存在一些缺點(diǎn)和不足如掃描型激光雷達(dá)雖然對器件的要求較低，工作距離遠(yuǎn)，但對掃描機(jī)構(gòu)的要求較高，且?guī)俾瘦^低，實(shí)時性較差；而面陣型激光雷達(dá)雖然實(shí)時性好，但高分辨率成像需要大面陣器件，器件的成本和研制難度都很高。這些激光雷達(dá)都需要納秒級的光源或者快速響應(yīng)的探測器。近年來在Optics Letters上報道了法國科學(xué)家使用微秒激光脈沖和高速C⑶相機(jī)基于強(qiáng)度積分實(shí)現(xiàn)三維成像的技術(shù)(OPTICS LETTERS, Vol. 32，3146-3148，2007)。這種方法成本遠(yuǎn)低于其他面陣型技術(shù)，但由于采用了激光器燈昂貴器件，系統(tǒng)總體成本依然較高，且探測距離和精度受到有較大的局限。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的局限和不足，提供一種基于多次積分的三維成像雷達(dá)系統(tǒng)及方法。本發(fā)明利用相對低廉的LED/激光光源和普通CXD或CMOS面陣探測器實(shí)現(xiàn)三維雷達(dá)成像。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種基于多次積分的三維成像雷達(dá)系統(tǒng)，它包括LED光源、光帶通濾波器、圖像傳感器、電子快門、數(shù)據(jù)處理器和顯示終端；其中，所述光帶通濾波器和電子快門均固定在圖像傳感器上，LED光源和圖像傳感器均與數(shù)據(jù)處理器相連，數(shù)據(jù)處理器和顯示終端相連；所述LED光源產(chǎn)生一系列光脈沖串，這些光脈沖串照射在物體上，物體會依次將光反射回來；反射回來的光經(jīng)過光帶通濾波器被圖像傳感器感光，在圖像傳感器上形成圖像；對同一脈沖的反射光，圖像傳感器在電子快門的作用下在對其連續(xù)三次曝光成像，通過數(shù)據(jù)處理器對這三幅幅圖像的分析就能獲得物體的輪廓信息和距離信息，最后通過顯示終端將結(jié)果顯示出來；所述LED光源是由能產(chǎn)生微秒、納秒級光脈沖的一個或多個脈沖光源組成，所述脈沖光源為LED或者激光器。一種應(yīng)用上述系統(tǒng)的基于多次積分的三維成像方法，包括以下步驟包括以下步驟(I) LED光源產(chǎn)生一個光脈沖，在電子快門控制的曝光時間內(nèi)，圖像傳感器連續(xù)采集三個由這個脈沖光在同一位置物體反射回來的光波，采集時間間隔為τ，得到前后三幀圖像，其中前兩幀圖像像素數(shù)較低，后一幀圖像像素較數(shù)高；(2)通過像素合并的方式將第三幀圖像擬合成與前兩幀圖像相同像素的圖像，可得第三幀圖像的高像素與低像素圖像，其中高像素圖像由于像素較高包含了較多的物體輪廓信息；(3)通過數(shù)據(jù)處理器對前兩幀圖像和第三幀圖像的低像素圖像進(jìn)行處理，得到物體的距離信息點(diǎn)；

波長為λ的光采集的兩幀圖像中產(chǎn)生的光強(qiáng)隨距離的變化分別滿足
權(quán)利要求
1.一種基于多次積分的三維成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，它包括LED光源(I)、光帶通濾波器(2)、圖像傳感器(3)、電子快門(4)、數(shù)據(jù)處理器(5)和顯示終端(6)等；其中，所述光帶通濾波器(2 )和電子快門(4 )均固定在圖像傳感器(3 )上，LED光源(I)和圖像傳感器(3)均與數(shù)據(jù)處理器(5)相連，數(shù)據(jù)處理器(5)和顯示終端(6)相連；所述LED光源(I)產(chǎn)生一系列光脈沖串，這些光脈沖串照射在物體上，物體會依次將光反射回來；反射回來的光經(jīng)過光帶通濾波器(2)被圖像傳感器(3)感光，在圖像傳感器(3)上形成圖像；對同一脈沖的反射光，圖像傳感器在電子快門的作用下在對其連續(xù)三次曝光成像，通過數(shù)據(jù)處理器(5 )對這三幅幅圖像的分析就能獲得物體的輪廓信息和距離信息，最后通過顯示終端(6)將結(jié)果顯示出來；所述LED光源(I)是由能產(chǎn)生微秒納秒級光脈沖的一個或多個脈沖光源組成，所述脈沖光源為LED或者激光器。
2.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的基于多次積分的三維成像方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)LED光源I產(chǎn)生一個光脈沖，在電子快門4控制的曝光時間內(nèi)，圖像傳感器3連續(xù)采集三個由這個脈沖光在同一位置物體反射回來的光波，采集時間間隔為T，得到前后三幀圖像，其中前兩幀圖像像素數(shù)較低，后一幀圖像像素較高； (2)通過像素合并的方式將第三幀圖像擬合成與前兩幀圖像相同像素的圖像，可得第三幀圖像的高像素與低像素圖像，其中高像素圖像由于像素較高包含了較多的物體輪廓信息； (3)通過數(shù)據(jù)處理器5對前兩幀圖像和第三幀圖像的低像素圖像進(jìn)行處理，得到物體的距離信息點(diǎn)； 波長為』的光采集的兩幀圖像中產(chǎn)生的光強(qiáng)隨距離的變化分別滿足
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于多次積分的三維成像雷達(dá)系統(tǒng)及方法，它包括LED光源、光帶通濾波器、圖像傳感器、電子快門、數(shù)據(jù)處理器和顯示終端；LED光源產(chǎn)生一系列光脈沖串，這些光脈沖串照射在物體上，物體會依次將光反射回來；反射回來的光經(jīng)過光帶通濾波器被圖像傳感器感光，在圖像傳感器上形成圖像；對同一脈沖的反射光，圖像傳感器在電子快門的作用下在對其連續(xù)三次曝光成像，通過數(shù)據(jù)處理器對這三幅幅圖像的分析就能獲得物體的輪廓信息和距離信息，最后通過顯示終端將結(jié)果顯示出來；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)中近距離的高速、高分辨率的三維雷達(dá)成像，而且成本低廉。
文檔編號G01S17/89GK103064087SQ20121057127
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者張秀達(dá), 符建, 呂俊, 谷穎杰 申請人:符建