一種同步掃描交會測量融合成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感領(lǐng)域，涉及一種交會測量系統(tǒng)，可用于測量目標的三維面型，并獲得目標的位置與姿態(tài)信息。
【背景技術(shù)】
[0002]三維視覺測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，比如工業(yè)、航空、軍事等。在非合作目標交會測量中，由于目標上不帶有具有先驗結(jié)構(gòu)信息的發(fā)光標識器或者角反射器，目標的相對位置與姿態(tài)無法通過拍攝二維灰度圖像來實現(xiàn)，因此需要獲取目標的三維信息。主流的三維信息獲取技術(shù)主要包括雙目立體視覺技術(shù)、激光雷達技術(shù)和激光三角測距技術(shù)。
[0003]雙目立體視覺的測量精度與距離的平方成反比，在近距離具有很高的測量精度，而且可以獲得目標的二維灰度圖像。但是其需要太陽光提供照明環(huán)境，不能全天時工作；另一方面，其瞬時視場較大且探測器響應(yīng)譜段較寬，抗雜光能力也較弱。
[0004]掃描式激光雷達和激光三角測距均采用單色激光主動照明，可以全天時工作，由于在接收光路中附加窄帶濾光片且瞬時視場很小，具有很好的抗雜光能力。掃描式激光雷達的測量精度與距離的遠近無關(guān)，但其測量精度不高。激光三角測距的測量精度較高，但系統(tǒng)的橫向掃描測量范圍和縱向測距范圍相互受限。
[0005]為了解決更遠距離目標的探測問題，提出了將激光雷達技術(shù)和激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)融合的系統(tǒng)，相關(guān)的專利有“APPARATUS AND METHOD FOR TRACKINGAN OBJECT”(專利號為 US20090147239A1)/‘IMAGING SYSTEM AND METHOD”(專利號為US20090195790A1)。但是在這一融合系統(tǒng)中，激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)的橫向掃描測量范圍、縱向測距范圍、距離分辨率等都不能隨被測目標的尺寸和距離變化而改變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服雙目視覺測量抗雜光性能差、激光雷達測量精度低、三角測距的測量范圍和測量精度不能適應(yīng)不同目標的問題，提出了一種融合雙目視覺，激光雷達以及三角測距的同步掃描交會測量系統(tǒng)，可以根據(jù)被測物體的橫向尺寸、表面最大最小距離范圍，獲得三角測距的最高測量精度，同時滿足被測物體表面橫向、縱向測量范圍和測量精度的要求。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種同步掃描交會測量融合成像系統(tǒng)，包括連續(xù)激光器、脈沖激光器、單反射鏡、合束鏡、左反射鏡、雙面反射鏡、右反射鏡、接收透鏡、分光鏡、線陣相機、光電探測器、Y方向掃描伺服電機、左反射鏡齒輪、X方向掃描伺服電機、右反射鏡齒輪、驅(qū)動控制器、第一傳動齒輪、第二傳動齒輪、步進電機、左相機、右相機、數(shù)據(jù)處理單元、條形反射鏡；左反射鏡與右反射鏡相對于雙面反射鏡成左右對稱分布，左反射鏡的鏡面垂直于XOZ平面，與OX軸成銳角Θ，右反射鏡的鏡面垂直于XOZ平面，與OX軸成銳角Θ，所述的XOZ平面為水平面，OY軸方向為豎直方向；步進電機帶動第二傳動齒輪順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，第二傳動齒輪帶動左反射鏡齒輪逆時針或順時針轉(zhuǎn)動，同時第二傳動齒輪還帶動第一傳動齒輪逆時針或順時針轉(zhuǎn)動，第一傳動齒輪再帶動右反射鏡齒輪順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，第一傳動齒輪和第二傳動齒輪之間的傳動比為1:1，第二傳動齒輪與左反射鏡齒輪的傳動比等于第一傳動齒輪與右反射鏡齒輪的傳動比；左反射鏡固定在左反射鏡齒輪上并跟隨左反射鏡齒輪的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，右反射鏡固定在右反射鏡齒輪上并跟隨右反射鏡齒輪的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動；x方向掃描伺服電機驅(qū)動雙面反射鏡轉(zhuǎn)動，Y方向掃描伺服電機驅(qū)動條形反射鏡轉(zhuǎn)動；左相機和右相機相對于雙面反射鏡對稱放置；從連續(xù)激光器發(fā)出的連續(xù)準直激光束經(jīng)過單反射鏡反射后到達合束鏡，與脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光束在合束鏡處合為一束光后，依次通過雙面反射鏡、左反射鏡、條形反射鏡的反射，到達被測物體表面上的某一點P，并發(fā)生漫反射，部分漫反射光經(jīng)過條形反射鏡、右反射鏡、雙面反射鏡的反射后，由接收透鏡匯聚，經(jīng)過分光鏡后，連續(xù)激光成像在線陣相機上，脈沖激光聚焦至光電探測器上；通過驅(qū)動控制器控制X方向掃描伺服電機和Y方向掃描伺服電機，實現(xiàn)光電P的光柵掃描；通過改變左反射鏡與右反射鏡的鏡面角度，改變橫向掃描測量范圍、縱向距離測量范圍、距離測量分辨率；數(shù)據(jù)處理單元接收線陣相機、光電探測器、左相機、右相機的圖像數(shù)據(jù)，將從線陣相機或者光電探測器獲得的三維圖像映射到左相機或者右相機的本體坐標系下，與左相機或右相機的二維圖像分別進行配準，實現(xiàn)圖像融合。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0009]1.本發(fā)明系統(tǒng)通過同步掃描偏轉(zhuǎn)光路結(jié)構(gòu)，將雙目視覺、激光雷達以及三角測距融合在一個系統(tǒng)中，并在數(shù)據(jù)處理單元中實現(xiàn)了三者輸出圖像的融合。與傳統(tǒng)的雙目相機相比，本系統(tǒng)具有能夠全天時工作、抗雜光干擾能力強的優(yōu)點；與傳統(tǒng)的激光雷達相比，本系統(tǒng)在近距離處具有更高的測量精度；與傳統(tǒng)的三角測距系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有更大的測量范圍；
[0010]2.本發(fā)明系統(tǒng)將激光雷達、三角測距獲得的三維點云映射到雙目相機的本體坐標系下，實現(xiàn)了三維點云圖像與相機二維灰度圖像的融合，與傳統(tǒng)的三維成像系統(tǒng)相比，有效地平滑了三維圖像中的噪聲和毛刺；
[0011]3.本發(fā)明系統(tǒng)通過齒輪傳動機構(gòu)改變了同步掃描系統(tǒng)中左右旁反射鏡的安放角度，從而可以靈活改變?nèi)菧y距的橫向掃描測量范圍、縱向距離測量范圍以及距離測量分辨率。與傳統(tǒng)的三角測距系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可以根據(jù)被測物體的橫向尺寸、表面最大最小距離范圍，適應(yīng)性地調(diào)整左右旁反射鏡的安放角度，從而獲得最高的測量精度。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明成像系統(tǒng)的組成原理圖；
[0013]圖2為本發(fā)明的反射鏡開或合轉(zhuǎn)動的機械傳動結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖中，1:連續(xù)激光器；2:脈沖激光器；3:單反射鏡；4:合束鏡；5:左反射鏡；6:雙面反射鏡；7:右反射鏡；8:接收透鏡；9:分光鏡；10:線陣相機；11:光電探測器；12:Y方向掃描伺服電機；13:左反射鏡齒輪；14:Χ方向掃描伺服電機；15:右反射鏡齒輪；16:驅(qū)動控制器；17:第一傳動齒輪，18:第二傳動齒輪，19:步進電機，20:左相機，21:右相機，22:數(shù)據(jù)處理單元，23:被測物體，24:條形反射鏡。
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明的基本思想是:利用同步掃描原理將激光雷達，三角測距以及雙目視覺融合在一個系統(tǒng)中，克服單個敏感器的應(yīng)用缺陷；另一方面通過改變同步掃描成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，改變測量范圍和測量精度，滿足不同被測物體的測量范圍和測量精度要求。
[0016]如圖1所示，本發(fā)明的同步掃描交會測量融合成像系統(tǒng)，包括連續(xù)激光器1、脈沖激光器2、單反射鏡3、合束鏡4、左反射鏡5、雙面反射鏡6、右反射鏡7、接收透鏡8、分光鏡9、線陣相機10、光電探測器11、Y方向掃描伺服電機12、左反射鏡齒輪13、X方向掃描伺服電機14、右反射鏡齒輪15、驅(qū)動控制器16、第一傳動齒輪17、第二傳動齒輪18、步進電機19、左相機20、右相機21、數(shù)據(jù)處理單元22、條形反射鏡24。
[0017]左反射鏡5與右反射鏡7相對于雙面反射鏡6成左右對稱分布，左反射鏡5垂直XOZ平面，與OX軸銳角為Θ，右反射鏡7垂直XOZ平面，與OX軸銳角為Θ。左反射鏡5與右反射鏡7可繞OY軸開或合等角度轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)Θ值改變。這里的XOZ為水平面，OY軸方向為豎直方向，OZ軸方向為接收透鏡8的光軸方向，OX軸方向為Y方向掃描伺服電機12的軸線方向。
[0018]如圖2所示，步進電機19帶動第二傳動齒輪18順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，第二傳動齒輪18帶動左反射鏡齒輪13逆時針或順時針轉(zhuǎn)動，同時第二傳動齒輪18還帶動第一傳動齒輪17逆時針或順時針轉(zhuǎn)動，第一傳動齒輪17再帶動右反射鏡齒輪15順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，第一傳動齒輪17和第二傳動齒輪18之間的傳動比為1:1，第二傳動齒輪18與左反射鏡齒輪13的傳動比等于第一傳動齒輪17與右反射鏡齒輪15的傳動比，實現(xiàn)左反射鏡齒輪13帶動左反射鏡5與右反射鏡齒輪15帶動右反射鏡7繞Y軸等角度開或合轉(zhuǎn)動。
[0019](I)從連續(xù)激光器I發(fā)出的連續(xù)準直激光束經(jīng)過單反射鏡3反射后到達合束鏡4，與脈沖激光器2發(fā)出的脈沖激光束在合束鏡4處合為一束光后，依次通過雙面反射鏡6、左反射鏡5、條形反射鏡24的反射，到達被測物體23表面上的某一點P，并發(fā)生漫反射，部分漫反射光經(jīng)過條形反射鏡24、右反射鏡7、雙面反射鏡6的反射后，由接收透鏡8匯聚，經(jīng)過分光鏡9后，連續(xù)激光成像在線陣相機10上，根據(jù)三角測距原理，由匯聚成像光點落在線陣相機10上的位置值，可得P點坐標(Xp，Yp，Zp)，脈沖激光聚焦至光電探測器11上，根據(jù)脈沖飛行時間測距原理，也可得P點坐標(Χρ，Υρ，Zp)；
[0020](2)Χ方向掃描伺服電機14驅(qū)動雙面反射鏡6快速來回擺動時，照在被測物體23表面上的光點P在X軸方向行掃描；Υ方向掃描伺服電機12驅(qū)動條形反射鏡24緩慢來回擺動時，照在被測物體23表面上的光點P在Y軸方向列掃描；驅(qū)動控制器16保證光點P在被測物體23表面作光柵掃描。雙面反射鏡6既是掃描發(fā)射光路中的反射鏡，又是接收成像光路中的反射鏡，構(gòu)成同步掃描系統(tǒng)。光點P在被測物體23表面作光柵掃描，根據(jù)三角測距和脈沖飛行時間測距原理，得到每個點的坐標(Xp，Yp, Zp)，實現(xiàn)同步掃描三維成像。由于目標反射特性的差異，上述兩種原理得到的坐標會出現(xiàn)不一致的情況，系統(tǒng)根據(jù)目標距離的遠近選擇測量精度高的原理，具體原則是近距離選用三角測距的結(jié)果，遠距離選擇脈沖飛行測距的結(jié)果，遠近距離的分界點與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。
[0021](3)改變左反射鏡5、右反射鏡7與X軸所夾銳角Θ，可以改變系統(tǒng)橫向掃描測量范圍、縱向距離測量范圍、距離測量分辨率。系統(tǒng)對被測物體23測量范圍和分辨率的適應(yīng)性通過以下兩步來實現(xiàn):第一步，先調(diào)節(jié)左反射鏡5、右反射鏡7與X軸所夾銳角Θ，使系統(tǒng)測量范圍最大，獲得被測物體23表面的橫向范圍、最大最小距離范圍(指的是目標與測量系統(tǒng)之間的縱向距離，在圖中，即OY方向的距離，因為線陣相機的長度是一定的，所以三角測距的縱向測量距離范圍也是有限的，超過了最大最小距離范圍，打到目標上的激光光斑就成像到線陣相機的光敏面之外了，不能進行有效探測)；第二步，再調(diào)節(jié)左反射鏡5、左反射鏡5與X軸所夾銳角Θ，使得系統(tǒng)在滿足被測物體23表面橫向掃描范圍、縱向測距范圍前提下，三角測距系統(tǒng)具有最高測量精度。
[0022](4)左相機20、右相機21相對于雙面反射鏡6對稱放置，兩個相機的視線方向具有一定的角度，被測物體23上P點在左相機20和右相機21上分別形成投影點Pdl和P d2，根據(jù)雙目立體視覺