基于光源調(diào)制解調(diào)的icmos高速三維成像激光雷達(dá)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光雷達(dá)，特別是一種基于光源調(diào)制解調(diào)的ICM0S高速三維成像激光 雷達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維成像激光雷達(dá)有著廣泛的應(yīng)用背景，涉及的領(lǐng)域非常廣泛，首先，在工程上有 礦場檢測、地形繪制、橋梁監(jiān)測、公路檢測等應(yīng)用，工業(yè)上可用于流水線生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān) 測、汽車的無人駕駛、機(jī)器視覺等廣泛應(yīng)用，同時在軍事、航天等領(lǐng)域也發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。 目前在工程應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)存在基于高精度步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)二維掃描的三維成像激光雷達(dá)， 能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、高點密度的三維測量，但同時存在成像速度慢、體積大、質(zhì)量大等缺點，通 常獲取一幅完整的三維圖像需要數(shù)十秒，不能滿足對成像速度要求高的特殊場合，如自動 駕駛、航天器著陸地點的選擇、無人機(jī)的避障和導(dǎo)航等。由于基于掃描法的三維成像激光雷 達(dá)的局限性，目前國內(nèi)外為實現(xiàn)無掃描快速的三維成像技術(shù)進(jìn)行了多種技術(shù)途徑的研宄。 研宄方法主要包括以下幾種方法：
[0003] ①基于面陣焦平面探測器的無掃描直接飛行時間測距法的三維成像激光雷達(dá)。該 探測器將高精度的時間差測量電路集成到每個探測像元的后面，探測器的每個像元作為一 個獨(dú)立的探測器，可單獨(dú)輸出信號，后續(xù)電路可測量從激光發(fā)射到接收到激光回波的時間 差，反演出每個像素對應(yīng)的距離信息，因此，只需發(fā)射一個激光脈沖，便可獲得被激光照射 物體的整幅三維圖像，成像速度快。目前國外已經(jīng)開發(fā)出較大面陣的具有時間測量能力的 Aro面陣探測器和GM-Aro面陣探測器，由于這種高靈敏度的大面陣探測器制作工藝復(fù)雜， 目前面陣的分辨率僅有128X32,成像分辨率低，且目前國內(nèi)對該種器件的研宄正處于實驗 樣品研制階段，無成品供應(yīng)，尚無法實現(xiàn)基于面陣焦平面探測器的無掃描直接飛行時間測 量法的三維成像激光雷達(dá)技術(shù)。
[0004] ②基于專用調(diào)制解調(diào)面陣探測器的無掃描間接飛行時間測距法的三維成像激光 雷達(dá)。該器件與普通圖像傳感器的區(qū)別：一是具有高速快門，能達(dá)到l〇ns級曝光速度； 二是具有曝光累積功能，能將連續(xù)多次曝光產(chǎn)生的信號累積。測距方法上采用基于余弦 波-方波鑒相法的間接飛行時間測距法，從光源發(fā)出的余弦調(diào)制光經(jīng)物體反射后被攝像機(jī) 接收，光子混頻探測器在單周期內(nèi)等間隔連續(xù)四次曝光得到四次采樣值，最后通過四次采 樣值在光子混頻探測器后續(xù)的計算電路中直接計算出各像素對應(yīng)的入射光的相位、幅值和 偏移值，從而計算出各點的距離和灰度值，得到深度圖和灰度圖。目前國外已經(jīng)開發(fā)出相 對成熟的調(diào)制解調(diào)面陣探測器，但是該探測器積分時間短、探測靈敏度低，因此成像距離只 有十幾米，無法實現(xiàn)長距離的三維成像。
[0005] ③基于ICCD的無掃描間接飛行時間測距法的三維成像激光雷達(dá)。最初的無掃描 三維成像技術(shù)都基于ICXD傳感器，對光源和像增強(qiáng)器增益進(jìn)行余弦波、方波或三角波等波 形調(diào)制，按照間接飛行時間測距理論，實現(xiàn)三維信息測量。這一技術(shù)的代表性研宄機(jī)構(gòu)有 美國桑迪亞國家實驗室和日本廣播公司。國內(nèi)也有少量的研宄機(jī)構(gòu)開展過這方面的研宄。 由于ICCD幀頻低、光源能量利用率低，該成像技術(shù)同樣具有成像速度低，作用距離近等缺 點。
[0006] 為克服傳統(tǒng)三維成像速度慢和基于ICCD的無掃描三維成像能量利用率低、作用 距離近的缺點，同時基于目前國內(nèi)條件的考慮，提出基于光源調(diào)制解調(diào)的ICMOS高速三維 成像激光雷達(dá)，利用高速CMOS相機(jī)高幀頻、像增強(qiáng)器曝光時間可調(diào)制的特點，同時對光源 進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，相機(jī)接收到的光為調(diào)制激光通過像增強(qiáng)器解調(diào)后的混頻光信號，這樣激光 飛行時間的時間差體現(xiàn)為混頻信號的相位差，高速相機(jī)對混頻信號進(jìn)行采集，最后通過計 算得到每個像素相位值，從而獲得整個目標(biāo)的三維信息。由于高速ICM0S相機(jī)成像速度快， 該成像方法具有成像速度快、分辨率高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單和作用距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為克服傳統(tǒng)三維成像速度慢和基于ICCD的無掃描三維成像能量利用率低、作用 距離近的缺點，本發(fā)明提出一種基于光源調(diào)制解調(diào)的ICM0S高速三維成像激光雷達(dá)，利用 高速CMOS相機(jī)高幀頻和像增強(qiáng)器曝光時間可調(diào)制的特點，同時對光源進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，在像 增強(qiáng)器接收端對激光回波信號進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的信號為低頻光信號，這樣激光飛行時間 的時間差體現(xiàn)為低頻光信號的相位差，高速CMOS相機(jī)對低頻光信號進(jìn)行采集，最后通過計 算得到每個像素相位值，從而獲得整個目標(biāo)的三維信息。由于高速ICM0S相機(jī)成像速度快， 該成像方法具有成像速度快、分辨率高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單和作用距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0009] -種基于光源調(diào)制解調(diào)的ICM0S高速三維成像激光雷達(dá)，其特點是：該激光雷達(dá) 系統(tǒng)由主控電路模塊、激光光源模塊、高速ICM0S相機(jī)模塊、上位機(jī)、激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和 激光接收光學(xué)系統(tǒng)組成，所述的主控電路模塊包括調(diào)制信號發(fā)生器和解調(diào)信號發(fā)生器，激 光光源模塊包括半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路模塊兩部分，所述的半導(dǎo)體激光器 驅(qū)動電路模塊由電壓-電流轉(zhuǎn)換電路、電流放大電路和保護(hù)電路依次連接構(gòu)成，所述的高 速ICM0S相機(jī)模塊包括像增強(qiáng)器和高速CMOS相機(jī)，所述的像增強(qiáng)器由光陰極、微通道板、熒 光屏、耦合光學(xué)系統(tǒng)依次連接構(gòu)成，所述的調(diào)制信號發(fā)生器產(chǎn)生的光源調(diào)制信號，依次經(jīng)過 所述的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路、電流放大電路、保護(hù)電路，輸入到所述的半導(dǎo)體激光器，該半 導(dǎo)體激光器產(chǎn)生和調(diào)制信號波形一致的激光信號，該激光信號經(jīng)激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射， 出射后的激光被目標(biāo)反射后形成激光回波信號，該激光回波信號返回由所述的激光接收光 學(xué)系統(tǒng)接收，所述的激光回波信號入射到所述的像增強(qiáng)器的光陰極上，所述的解調(diào)信號發(fā) 生器產(chǎn)生的解調(diào)信號，輸入到所述的像增強(qiáng)器的光陰極，當(dāng)激光回波信號入射到光陰極時， 實現(xiàn)對激光回波信號的解調(diào)，光陰極產(chǎn)生的光電子經(jīng)過微通道板放大后，轟擊熒光屏產(chǎn)生 熒光圖像，該熒光圖像經(jīng)耦合光學(xué)系統(tǒng)后被采集，所述的高速CMOS相機(jī)將該熒光圖像上傳 至所述的上位機(jī)，該上位機(jī)對所述的熒光圖像進(jìn)行處理，獲得激光回波信號的相位信息，從 而推算出目標(biāo)的距離信息。
[0010] 所述的調(diào)制信號發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號是占空比50%的方波信號，或正弦波信 號，調(diào)制信號的頻率變化范圍為10kHz~10MHz;所述的解調(diào)信號發(fā)生器產(chǎn)生的解調(diào)信號是 占空比50%的方波信號，解調(diào)信號的頻率變化范圍是10kHz~10MHz。
[0011] 所述的高速CMOS相機(jī)為幀頻極高和曝光時間可控的相機(jī)，高速相機(jī)的曝光時間 在1ys~50ms范圍內(nèi)可調(diào)，時間調(diào)節(jié)分辨率為1ys，相機(jī)的幀頻數(shù)千幀每秒，在相機(jī)分辨 率為256X256時，相機(jī)的幀頻為4000fps。
[0012] 所述的上位機(jī)具有圖像采集和圖像數(shù)據(jù)處理功能，上位機(jī)對連續(xù)采集的四幅圖像 或是更多幅進(jìn)行處理，可計算出每個像素對應(yīng)的目標(biāo)的距離信息，獲取三維圖像。
[0013] 所述的激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)由光學(xué)發(fā)射透鏡和勻化片組成，主要用于勻化光斑和控 制激光的發(fā)散角，且激光的發(fā)散角可調(diào)，以適應(yīng)不同場合的需求。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0015] ①本發(fā)明的三維成像速率高，最快能夠達(dá)到lOOOfps，能夠適用于對成像速度要求 高的場合。
[0016] ②本發(fā)明使用了高速ICM0S作為成像器件，因此具有更高的圖像分辨，且圖像分 辨率可調(diào)，最大分辨率為1024X1024,大于現(xiàn)有的專用面子三維成像探測器的分辨率。
[0017] ③本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，激光能量利用率高，成像距離較遠(yuǎn)，在激光功率為20W 時，作用距離可達(dá)200m。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明基于光源調(diào)制解調(diào)的ICM0S高速三維成像激光雷達(dá)的整體機(jī)構(gòu)示意 圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明的主動激光調(diào)制解調(diào)技術(shù)原理示意圖；
[0020] 圖中：100--主控電路模塊，200--激光光源模塊，210--半導(dǎo)體激光器驅(qū)動 電路模塊，211 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，212 電流放大電路，213 保護(hù)電路，220 半導(dǎo)體激光器，300 尚速ICM0S相機(jī)模塊，310 像增強(qiáng)器，311 光陰極，312 微 通道板，313 焚光屏，314 親合光學(xué)系統(tǒng)，320 尚速CMOS相機(jī)，400 上位機(jī)， 500 激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，600 激光接收光學(xué)系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0021] 本發(fā)明以某場合下的對物體的三維視頻成像為實施例，采用大功率的半導(dǎo)體激 光器220作為光源，激光器的發(fā)射功率為20W，激光波長為808nm;主控電路模塊100生成 兩路調(diào)制信號和解調(diào)信號，其中加載到半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路模塊110的調(diào)制信號為頻 率1MHz、占空比50 %的方波信號，加載到像增強(qiáng)器310上的解調(diào)信號為頻率999kHz、占空 比50%的方波信號，解調(diào)后會產(chǎn)生1kHz的低頻光信號；高速CMOS相機(jī)320的分辨率為 1024X1024,最大分辨率時幀頻為1000fps，在分辨率為256X256時，幀頻為4000fps，可采 集1kHz的解調(diào)后的低頻光信號。下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不 應(yīng)該以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0022] 首先請參照圖1，圖1為本發(fā)明基于光源調(diào)制解調(diào)的ICM0S高速三維成像激光雷達(dá) 的整體機(jī)構(gòu)示意圖。
[0023] ①調(diào)制信號發(fā)生器110生成頻率為1MHz、占空比為50%的方波調(diào)制信號，該調(diào)制 信號加載到半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路模塊210的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路211上，用以調(diào)制激光 輸出光強(qiáng)；解調(diào)信號發(fā)生器120生成頻率為999kHz、占空比為50