一種基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)及成像方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三維激光成像技術(shù)，尤其涉及一種基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)及成像方法，包括通過計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)控制激光器發(fā)射激光，激光經(jīng)掃描鏡掃描照射到目標(biāo)，并被反射回來，被光電探測(cè)器接收，光電探測(cè)器接收到激光信號(hào)后產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，電脈沖信號(hào)經(jīng)時(shí)刻鑒別后，生成時(shí)刻脈沖信號(hào)，時(shí)刻脈沖信號(hào)輸入到GP2測(cè)時(shí)模塊中，計(jì)算機(jī)分別讀取GP2測(cè)時(shí)模塊所測(cè)量的時(shí)間差計(jì)算得到被測(cè)目標(biāo)不同位置的距離值，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需要測(cè)量掃描鏡偏轉(zhuǎn)角即可得到測(cè)量待測(cè)區(qū)域中不同位置的坐標(biāo)值即能繪制出被測(cè)目標(biāo)的三維圖像。
【專利說明】
一種基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)及成像方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維激光成像技術(shù)，尤其涉及一種基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)及成像方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)與人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)目標(biāo)距離的測(cè)量提出了越來越高的要求，特別是高速飛行器，地形測(cè)繪，數(shù)字城市等應(yīng)用都需要高精度的距離測(cè)量技術(shù)。激光三維成像技術(shù)是目前的一種比較先進(jìn)，精度較高的距離測(cè)量技術(shù)?，F(xiàn)有的三維激光成像技術(shù)通常包含僅包含有一個(gè)激光探測(cè)裝置，通過測(cè)量目標(biāo)的距離和掃描機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角，從而獲得目標(biāo)的三維輪廓信息，但是，為了提高三維激光成像的速度，激光掃描裝置的掃描速度越來越快，高速、高精度的獲取掃描鏡轉(zhuǎn)角信息難度很大，在這種情況下，設(shè)計(jì)一種不需要測(cè)量掃描鏡轉(zhuǎn)角信息的三維激光成像技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)，提供一種不需要測(cè)量掃描鏡偏轉(zhuǎn)角的基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像技術(shù)。
[0004]為解決上述問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0005]本發(fā)明的基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)包括:包括與計(jì)算機(jī)相連接的激光器，在激光器的激光光軸上設(shè)置有通過掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊與計(jì)算機(jī)連接的掃描鏡，所述的掃描鏡將接收到的激光光束反射給位于掃描鏡反射光路上的被測(cè)目標(biāo)，在被測(cè)目標(biāo)的反射光路上設(shè)置有N組用于接受被測(cè)目標(biāo)反射激光的光電探測(cè)器，每組光電探測(cè)器的輸出端連接有測(cè)時(shí)模塊；
[0006]所述的測(cè)試模塊包括N組恒比定時(shí)模塊以及M路GP2測(cè)時(shí)模塊；所述的相鄰兩組恒比定時(shí)模塊的輸出端與對(duì)應(yīng)的GP2測(cè)時(shí)模塊的輸入端相連，GP2測(cè)時(shí)模塊的輸出端與計(jì)算機(jī)相連，其中M = N -1, N彡4。
[0007]所述的激光器為脈沖激光器。
[0008]所述的光電探測(cè)器為APD光電探測(cè)器。
[0009]所述的N組光電探測(cè)器分別對(duì)應(yīng)安裝在N個(gè)探測(cè)器支架上，且N個(gè)探測(cè)器支架的一端均與固定板相連，每組光電探測(cè)器距相應(yīng)的探測(cè)器支架端點(diǎn)的距離均相等，且探測(cè)器支架與固定板支架夾角為α。
[0010]所述的恒比定時(shí)模塊包括第一路恒比定時(shí)模塊、第二路恒比定時(shí)模塊、第三路恒比定時(shí)模塊、第四路恒比定時(shí)模塊..?以及第N路恒比定時(shí)模塊；
[0011]所述的GP2測(cè)時(shí)模塊包括第一個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊、第二個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊(8 -2)、第三個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊...以及第M個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊；
[0012]其中，第一路恒比定時(shí)模塊的輸出端、第二路恒比定時(shí)模塊的輸出端與第一個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊相連，第二路恒比定時(shí)模塊的輸出端、第三路恒比定時(shí)模塊的輸出端與第二個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊相連，第三路恒比定時(shí)模塊的輸出端、第四路恒比定時(shí)模塊的輸出端與第三個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊相連，第η -1路恒比定時(shí)模塊、第η路恒比定時(shí)模塊的輸出端與第m個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊相連，其中，11￡隊(duì)111￡|/[，111 = 11-1。
[0013]所述的N = 4，M =3。
[0014]本發(fā)明的基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)的成像方法，包括以下步驟:
[0015]I)、計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)控制激光器發(fā)射激光，并通過控制掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊不斷驅(qū)動(dòng)掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，將激光器發(fā)射的激光經(jīng)掃描鏡反射到被測(cè)目標(biāo)的不同位置，激光經(jīng)被測(cè)目標(biāo)后被反射回來，經(jīng)被測(cè)目標(biāo)反射回來的激光被4組光電探測(cè)器接收；
[0016]2)、4組光電探測(cè)器接收到激光信號(hào)后分別產(chǎn)生4路電脈沖信號(hào)，4路電脈沖信號(hào)經(jīng)第一路恒比定時(shí)模塊、第二路恒比定時(shí)模塊、第三路恒比定時(shí)模塊以及第四路恒比定時(shí)模塊鑒別后生成4路時(shí)刻脈沖信號(hào)；
[0017]3)、4路時(shí)刻脈沖信號(hào)中的第I路和第2路時(shí)刻脈沖信號(hào)輸入到第一個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊中，第2路和第3路時(shí)刻脈沖信號(hào)輸入到第二個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊中，第3路和第4路時(shí)刻脈沖信號(hào)輸入到第三個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊中，設(shè)發(fā)射激光到達(dá)4個(gè)光電探測(cè)器的時(shí)間分別為t1； t2, t3, t4，通過測(cè)時(shí)模塊得到發(fā)射激光到達(dá)4個(gè)光電探測(cè)器的時(shí)間，則各光電探測(cè)器的時(shí)間差為:
[0018]A12 = trt2 (I)
[0019]A23 = t2-t3 (2)
[0020]A34 = t3-t4 (3)；
[0021]4)、設(shè)被測(cè)目標(biāo)上一點(diǎn)D(x，y，z)，以4個(gè)光電探測(cè)器的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立空間坐標(biāo)系Ο-xyz，光電探測(cè)器與中心點(diǎn)O的距離為d，探測(cè)器支架與o-xy平面間的夾角為α，通過計(jì)算機(jī)分別讀取3個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊所測(cè)量的激光到達(dá)各光電探測(cè)器之間的時(shí)間差，根據(jù)公式求得被測(cè)目標(biāo)上一點(diǎn)到各個(gè)光電探測(cè)器的距離之差，有:
II
[0022]^(λ*—clCOS^) + 少’ Η~(ζ—?/siivx)—+(y—?/cosx) +(z—dsiivx) 二廣 I)
[0023]+(ji'-Jcoii/)" +(ζ-?/sim)2 -^(jv+i/co^)" + v" +(z -chinxy -cA^( g )
[0024]^/(x+i/cos:/)2 +j/'2 +(z-1/sim)2 -^x2 +(y+i/cosr/)2 +(ζ-?/sim/ =cA4(6)
[0025]由上述方程即可解得D點(diǎn)坐標(biāo)(x，y，z):

【權(quán)利要求】
1.一種基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)，其特征在于:包括與計(jì)算機(jī)(6)相連接的激光器(I)，在激光器(I)的激光光軸上設(shè)置有通過掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊(9)與計(jì)算機(jī)(6)連接的掃描鏡(5)，所述的掃描鏡(5)將接收到的激光光束反射給位于掃描鏡(5)反射光路上的被測(cè)目標(biāo)，在被測(cè)目標(biāo)的反射光路上設(shè)置有N組用于接受被測(cè)目標(biāo)反射激光的光電探測(cè)器(2)，每組光電探測(cè)器(2)的輸出端連接有測(cè)時(shí)模塊(4)； 所述的測(cè)試模塊⑷包括N組恒比定時(shí)模塊(7)以及M路GP2測(cè)時(shí)模塊⑶；所述的相鄰兩組恒比定時(shí)模塊(7)的輸出端與對(duì)應(yīng)的GP2測(cè)時(shí)模塊⑶的輸入端相連，GP2測(cè)時(shí)模塊⑶的輸出端與計(jì)算機(jī)(6)相連，其中M = N-1，N彡4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的激光器(I)為脈沖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的光電探測(cè)器⑵為Aro光電探測(cè)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的N組光電探測(cè)器(2)分別對(duì)應(yīng)安裝在N個(gè)探測(cè)器支架(3)上，且N個(gè)探測(cè)器支架(3)的一端均與固定板相連，每組光電探測(cè)器(2)距相應(yīng)的探測(cè)器支架(3)端點(diǎn)的距離均相等，且探測(cè)器支架(3)與固定板支架夾角為α。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的恒比定時(shí)模塊(7)包括第一路恒比定時(shí)模塊(7-1)、第二路恒比定時(shí)模塊(7-2)、第三路恒比定時(shí)模塊(7-3)、第四路恒比定時(shí)模塊(7-4)...以及第N路恒比定時(shí)模塊(7-Ν)； 所述的GP2測(cè)時(shí)模塊(8)包括第一個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊(8-1)、第二個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊(8_2)、第三個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊(8-3)...以及第M個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊(8-Μ)； 其中，第一路恒比定時(shí)模塊(7-1)的輸出端、第二路恒比定時(shí)模塊(7-2)的輸出端與第一個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊(8-1)相連，第二路恒比定時(shí)模塊(7-2)的輸出端、第三路恒比定時(shí)模塊(7-3)的輸出端與第二個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊(8-2)相連，第三路恒比定時(shí)模塊(7-3)的輸出端、第四路恒比定時(shí)模塊(7-4)的輸出端與第三個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊(8-3)相連，第n-Ι路恒比定時(shí)模塊(7-(η-1))、第η路恒比定時(shí)模塊(7-η)的輸出端與第m個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊(8_m)相連，其中，n e N，m e M，m = n-1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述的一種基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的N = 4, M = 3。
7.權(quán)利要求6所述的一種基于陣列探測(cè)單元的三維激光成像系統(tǒng)的成像方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)、計(jì)算機(jī)(6)輸出控制信號(hào)控制激光器(I)發(fā)射激光，并通過控制掃描鏡驅(qū)動(dòng)模塊(9)不斷驅(qū)動(dòng)掃描鏡(5)轉(zhuǎn)動(dòng)，將激光器(I)發(fā)射的激光經(jīng)掃描鏡(5)反射到被測(cè)目標(biāo)的不同位置，激光經(jīng)被測(cè)目標(biāo)后被反射回來，經(jīng)被測(cè)目標(biāo)反射回來的激光被4組光電探測(cè)器(2)接收； 2)、4組光電探測(cè)器(2)接收到激光信號(hào)后分別產(chǎn)生4路電脈沖信號(hào)，4路電脈沖信號(hào)經(jīng)第一路恒比定時(shí)模塊(7-1)、第二路恒比定時(shí)模塊(7-2)、第三路恒比定時(shí)模塊(7-3)以及第四路恒比定時(shí)模塊(7-4)鑒別后生成4路時(shí)刻脈沖信號(hào)；3)、4路時(shí)刻脈沖信號(hào)中的第I路和第2路時(shí)刻脈沖信號(hào)輸入到第一個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊(8-1)中，第2路和第3路時(shí)刻脈沖信號(hào)輸入到第二個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊(8-2)中，第3路和第4路時(shí)刻脈沖信號(hào)輸入到第三個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊(8-3)中，設(shè)發(fā)射激光到達(dá)4個(gè)光電探測(cè)器(2)的時(shí)間分別為t2, t3, t4，通過測(cè)時(shí)模塊(4)得到發(fā)射激光到達(dá)4個(gè)光電探測(cè)器⑵的時(shí)間，則各光電探測(cè)器(2)的時(shí)間差為:
Ai2 = Vt2 (I)
A23 = t2-t3 (2)
Δ 34 = t3_t4 (3)； 4)、設(shè)被測(cè)目標(biāo)上一點(diǎn)D(x，y，z)，以4個(gè)光電探測(cè)器的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O建立空間坐標(biāo)系O-xyz，光電探測(cè)器(2)與中心點(diǎn)O的距離為d，探測(cè)器支架(3)與o-xy平面間的夾角為α，通過計(jì)算機(jī)(6)分別讀取3個(gè)GP2測(cè)時(shí)模塊所測(cè)量的激光到達(dá)各光電探測(cè)器(2)之間的時(shí)間差，根據(jù)公式求得被測(cè)目標(biāo)上一點(diǎn)到各個(gè)光電探測(cè)器的距離之差，有:
根據(jù)式(9)和(10)計(jì)算出Zl，Z2，選擇Zl，ζ2中為正的那個(gè)值作為ζ的最終測(cè)量結(jié)果； 5)、重復(fù)上述步驟I)至步驟4)測(cè)量待測(cè)區(qū)域中不同位置的坐標(biāo)值即能繪制出被測(cè)目標(biāo)的三維圖像。
【文檔編號(hào)】G01S17/89GK104181547SQ201410424336
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】孫劍, 徐飛, 尤政 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)