專利名稱：一種光放大型三維成像系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及三維成像系統(tǒng)，尤其是涉及一種光放大型三維成像系統(tǒng)。
背景技術：
隨著人類科技進步與社會的發(fā)展需要，飛機等高速飛行器導航，超視距全天候目標識別與跟蹤，地理地貌高精度勘測等應用都對遠距離目標探測提出了極高的要求。三維 成像激光雷達的快速發(fā)展為人們解決遠距離探測等問題提供了新的研究方向。但是傳統(tǒng)的 三維成像激光雷達系統(tǒng)在探測較遠目標時，捕獲到得光信號信噪比較低，從而在測距分辨 率等方面的性能難以有突破性的提高。所以研究高性能的三維成像技術是人們關注的焦點 之一。美國的林肯實驗室采用蓋革(Geiger)模式的雪崩光電二極管(AvalanchePhoto Diode, APD)測距單點模塊構建三維測距技術。該方法受限于工藝水平，像素數低，像素間 串擾嚴重。丹麥Andersen等人發(fā)明了基于時間切片(TimeSlicing)的門選通型三維激光 雷達技術。該方法的局限性在于需要數十幅強度圖才能通過計算獲得一幅三維圖像。德法 圣路易斯研究院的Martin Laurenzis等人利用高質量矩形光脈沖和門選通，可以獲得梯形 的距離一光強關系。兩幅圖像可以得到三維圖像。該方法的局限在于需要嚴格控制光脈沖 和接受器的調制質量。申請人:曾提出了無掃描器脈沖調制式三維成像方法及系統(tǒng)(專利號 20051004946. 3)，該系統(tǒng)的測量精度與發(fā)射激光脈沖的形狀無關，但在實際情況中，受到探 測目標距離較遠，光源功率不能過大，接收光學系統(tǒng)口徑不能過大等因素的影響，使探測器 獲取的光信號較弱，導致信噪比下降，測量精度降低。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種光放大型三維成像系統(tǒng)，提高三維成像激光雷達 測距性能。本實用新型采用的技術方案如下本實用新型包括時序信號控制模塊，脈沖激光器，擴束系統(tǒng)，成像系統(tǒng)，增益調制 接收器，兩臺攝像機和圖像處理模塊；時序信號控制模塊的第一路輸出控制脈沖激光器發(fā) 出脈沖光通過擴束系統(tǒng)，照射在被測物體上。發(fā)射回來的光經過成像系統(tǒng)進入光放大模塊， 被放大的光信號經過分光系統(tǒng)分光后分為兩路，一路通過增益調制接收器，被第一臺攝像 機接收，另一路被第二臺攝像機接收，兩臺攝像機獲取的圖像分別輸出到圖像處理模塊，時 序信號控制模塊的第二、第三、第四路分別與光放大模塊、增益調制接收器和圖像處理模塊 連接。所述的脈沖激光器為光脈沖脈寬大于幾十納秒的激光器；所述的光放大模塊是熒 光屏熒光壽命比光脈沖持續(xù)時間更短的像增強器，或是由多根具有放大功能的光纖組成； 所述的增益調制接收器是像增強器；所述的圖像處理模塊是個人計算機、DSP數字信號處理系統(tǒng)或者嵌入式處理器。激光器產生光脈沖，照射到被測物體返回，采用光放大模塊，對采集到的脈沖光信 號進行放大，然后通過分光系統(tǒng)，將放大后的光信號分成兩部分，一部分通過增益調制接收 器被攝像機接收，另一部分直接被另一攝像機接收，用圖像處理模塊對接收的圖像進行處 理，算出圖像中每一個象素點對應目標的距離，生成三維圖像。本實用新型具有的有益效果是本實用新型在不改變光源功率和門選通時間的條件下，通過光放大模塊將信號光 放大，減小隨機散粒噪聲對信號光的影響，從而提高了測距精度。
附圖是本實用新型的結構原理示意圖。圖中1、時序信號控制模塊，2、脈沖激光器，3、擴束系統(tǒng)，4、成像系統(tǒng)，5、光放大模 塊，6、分光系統(tǒng)，7、增益調制接收器，8、第一臺攝像機，9、第二臺攝像機，10、圖像處理模塊。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型的方法和系統(tǒng)作進一步說明。本實用新型提高探測精度的原理是由激光雷達方程，探測系統(tǒng)單個像素接收到的激光功率可以表示為P -M^Ae^R(1)
R 4π R2式中Pk是單個像素接收到的激光功率，Pt是發(fā)射激光功率，D是接收孔徑，β是目 標的反射率，γ是在介質中傳輸的損耗率，R是激光雷達到目標的距離，i是探測器的像素 數。為了抑制背景光和后向散射光進入系統(tǒng)，需要在接收系統(tǒng)前加窄帶濾波片并采用門選通的方式進行探測。設置合適的門選通時間，保證每一次選通過程完 整的接收一個激光脈沖的返回信號。則接收面某像素點接收到光脈沖所包含光子數N的期 望E(N)為EiN) = "^-(2)
hv式中m是一次探測中光脈沖的發(fā)射次數，η是接收器的量子效率，h是普朗克常 量，υ為入射光頻率。光信號在空間傳播到接收面上存在到達空間和時間的隨機性，這個過程是一個泊 松隨機過程。由泊松分布得到標準差為σ = ν^，σ表示光信號的起伏，稱之為散粒噪聲。 由于三維成像時要求圖像的信噪比相對較高，光信號包含的光子數一般大于1000，因此散 粒噪聲引起的誤差遠大于其他因素的影響。被測光信號的信噪比SNR1可以表示為 由(3)式可知，被測信號的信噪比與接收光功率的平方根成正比。也就是說接收光信號的功率越大，信噪比越高。1.不加光放大模塊時信號光不經過放大模塊，經過分光系統(tǒng)后一部分通過增益調制接收器被攝像機接 收，另一部分直接被攝像機接收。設分光后的光脈沖在某一像素點所包含的光子數分別為&+01和&+02，其 中σ” 02分別表示該像素點光信號附加的散粒噪聲。散粒噪聲符合泊松分布，因此有 設增益調制接收器的增益調制函數為f⑴，f⑴在[t1; t2]是單調的，、和t2分 別表示門選通開始和結束的時間。t表示光從光源出發(fā)經場景反射到探測器所經過的時間， 它與場景到探測器的距離X有如下關系
(4)式中V。為該種波長的光在介質中的傳播速度。分光后的一部分光脈沖進過增益 調制接收器后，攝像機上該像素點的接收到的光子數M1為
(5)分光后的另一部分光脈沖直接進入攝像機，攝像機上該像素點的接收到的光子數 I2 為··
(6)(5) (6)相除得到
(7) 此時引 入的不 確定因 子為 2.加光放大模塊時信號光經過放大模塊后，經過分光系統(tǒng)后一部分通過增益調制接收器被攝像機接 收，另一部分直接被攝像機接收。放大前光脈沖在某一像素點所包含的光子數為N3+o3，其中03表示光信號附加 的散粒噪聲，五(σ3) = Τ^。設光放大模塊的放大倍數為k，信號光經過放大模塊后，該像素點出射的光脈沖所 包含的光子數M3為
(9)式中Q4為放大過程中引入的噪聲。由于光子被光電陰極接收后放大，光電子的 出射也是一個典型的泊松過程。所以五(巧)=^/眾(#3 +巧)。由⑶式可知通過光放大 模塊后，光信號功率變大，信噪比提高。該像素點的光信號信噪比SNR2可表示為
(10)當k較大時，信噪比較高，放大過程中引入的噪聲Q4相對信號可以忽略。故放大后該像素點出射的光脈沖所包含的光子數可以簡化為M4
(11)放大后的光信號經過1:1分光后，對應像素點光脈沖所包含的光子數分別為
。其中σ 5，σ 6分別為放大后的光束在傳輸過程中附加的散粒噪聲。散
粒噪聲符合泊松分布，因此有五 設增益調制接收器的增益調制函數為g(t)，g(t)在[t1; t2]是單調的，、和t2分 別表示門選通開始和結束的時間。攝像機上該像素點的接收到的光子數禮、M6分別為
(12)
(13)(12) (13)相除得到
(14) 由此帶來的不確定因子為
當k — +C 時，
, 因此，當光放大模塊的增益較大時，不確定因子趨近于O。下面對本實用新型的具體實施方案作詳細說明如附圖1所示，本實用新型的系 統(tǒng)包括時序信號控制模塊1，脈沖激光器2，擴束系統(tǒng)3，成像系統(tǒng)4，光放大模塊5，分光系 統(tǒng)6，增益調制接收器7，兩臺攝像機8、9和圖像處理模塊10 ；時序信號控制模塊1的第一路 輸出控制脈沖激光器2發(fā)出脈沖光通過擴束系統(tǒng)3，照射在被測物體上。發(fā)射回來的光經過 成像系統(tǒng)4進入光放大模塊5，被放大的光信號經過分光系統(tǒng)6分光后分為兩路，一路通過 增益調制接收器7，被第一臺攝像機8接收，另一路被第二臺攝像機9接收，兩臺攝像機8、9 獲取的圖像分別輸出到圖像處理模塊10，時序信號控制模塊1的第二、第三、第四路分別與 光放大模塊5、增益調制接收器7和圖像處理模塊10連接。所述的脈沖激光器2為光脈沖脈寬大于幾十納秒的激光器；所述的光放大模塊5 是熒光屏熒光壽命比光脈沖持續(xù)時間更短的像增強器，或是由多根具有放大功能的光纖組 成；所述的增益調制接收器7是像增強器；所述的圖像處理模塊10是個人計算機、DSP數字 信號處理系統(tǒng)或者嵌入式處理器。像增強器的輸出光強與輸入光強和增益乘積成正比。在光放大模塊5中，設定合 適的像增強器增益系數，將含有場景信息的光信號放大。設定增益調制接收器7中像增強器的增益調制函數在門選通時間內為單調函數。強度圖像時是通過一次或若干次曝光獲得 的。獲得強度圖像后，可以計算出距離圖像。由此生成三維圖像。1、脈沖激光器2發(fā)出脈沖光經過擴束系統(tǒng)3，照明被測場景。進入成像系統(tǒng)4時某 像素接收的光強I1可以表示為I1 = Kn(Ps+PN)(16)式中K是比例系數，表示光強與光能之間的轉換關系，η是一次探測中門選通的次 數，Ps是返回光信號的光功率，Pn是信號光傳播過程中由于到達的時間空間不確定性引起 散粒噪聲對應的光功率。2、信號光通過成像系統(tǒng)4進入光放大模塊5。由于通過光放大模塊后，光信號功率 變大，信噪比提高，放大過程中引入的噪聲相對信號可以忽略。設定光放大模塊5的像增強 器增益為常數的情況下，光放大模塊5的熒光屏上該象素點接收的光強I2可以表示為I2 = AI1(17)式中A為像增強器的增益。3、經過分光系統(tǒng)6按1 1分光后，部分信號光通過增益調制接收器7，被攝像機8 接收。攝像機8上該像素點接收的光強I3可以表示為 式中h(t)為增益調制器像增強器的增益調制函數。h(t)在[t1; t2]是單調的，、 和t2分別表示門選通開始和結束的時間。4、經過分光系統(tǒng)6按1 1分光后，另一部分信號光直接進入攝像機9。攝像機9上 該像素點接收的光強I4可表示如下
(19)5、兩臺攝像機8，9通過實驗標定，確定同一像素點灰度和位置的對應關系后，即 可得到相同像素點的光強之比
(20) 6、由式(4) (20)，且h(t)在[t1 t2]是單調的，因此hit)存在?？梢缘玫皆谶x通 距離內該像素點對應目標的相對位置X，可表示為
(21)式中V。表示該種波長在介質中的傳播速度。
權利要求一種光放大型三維成像系統(tǒng)，包括時序信號控制模塊(1)，脈沖激光器(2)，擴束系統(tǒng)(3)，成像系統(tǒng)(4)，增益調制接收器(7)，兩臺攝像機(8、9)和圖像處理模塊(10)；時序信號控制模塊(1)的第一路輸出控制脈沖激光器(2)發(fā)出脈沖光通過擴束系統(tǒng)(3)，照射在被測物體上；其特征在于發(fā)射回來的光經過成像系統(tǒng)(4)進入光放大模塊(5)，被放大的光信號經過分光系統(tǒng)(6)分光后分為兩路，一路通過增益調制接收器(7)，被第一臺攝像機(8)接收，另一路被第二臺攝像機(9)接收，兩臺攝像機(8、9)獲取的圖像分別輸出到圖像處理模塊(10)，時序信號控制模塊(1)的第二、第三、第四路分別與光放大模塊(5)、增益調制接收器(7)和圖像處理模塊(10)連接。
2.根據權利要求1所述的一種光放大型三維成像系統(tǒng)，其特征在于所述的脈沖激光 器⑵為光脈沖脈寬大于幾十納秒的激光器；所述的光放大模塊(5)是熒光屏熒光壽命比 光脈沖持續(xù)時間更短的像增強器，或是由多根具有放大功能的光纖組成；所述的增益調制 接收器(7)是像增強器；所述的圖像處理模塊(10)是個人計算機、DSP數字信號處理系統(tǒng) 或者嵌入式處理器。
專利摘要本實用新型公開了一種光放大型三維成像系統(tǒng)。時序信號控制模塊的一路輸出控制脈沖激光器發(fā)出脈沖光經擴束系統(tǒng)，照射在被測物體上，返回后的信號光經成像系統(tǒng)進入光放大模塊放大，經過分光后，一部分經增益調制接收器，被第一臺攝像機接收，另一部分被第二臺攝像機接收，時序信號控制模塊的另三路分別控制光放大模塊、增益調制接收器和圖像處理模塊。兩臺攝像機獲取的圖像經圖像處理模塊處理，算出圖像中每一個像素點對應目標的距離，獲得目標三維圖像。本實用新型在不改變光源功率和門選通時間的條件下，減小隨機散粒噪聲對信號光的影響，提高測距精度。
文檔編號G01S17/89GK201611390SQ20102010065
公開日2010年10月20日 申請日期2010年1月19日 優(yōu)先權日2010年1月19日
發(fā)明者嚴惠民, 張秀達, 楊超 申請人:浙江大學