基于空间编码的远距离高分辨率激光主动成像装置及方法与流程

本发明属于激光雷达成像技术领域，具体涉及一种基于空间编码的远距离高分辨率激光主动成像装置及方法。

背景技术：

目前扫描式激光雷达存在一个问题，即脉冲激光器的重复频率与探测距离之间的矛盾。我们需要呈现高分辨率的图像，就要求激光源有较高的重复频率。但是重复频率越高，目标物体的探测距离就相应缩短。以重复频率为1MHZ的激光器为例，其发射间隔周期为1μs。为了确保精确测距，必须保证上一时刻激光束的发射和接收在下一时刻激光束发出前完成。因此，最远探测距离为150m。当超过150m时，t₁时刻激光束在被APD探测器接收前，t₂时刻的激光束已经发射。这样的话，就有可能出现t₂时刻的激光束先于t₁时刻激光束被探测器接收到，造成混乱。这种情况下，则无法测算出探测目标的距离。

按照传统方法与装置，若要增加探测距离，则需降低脉冲激光器的重复频率，进而图像分辨率也随之降低，制约了成像质量和探测距离的进一步提高。因此，为了在提升探测距离的情况下，并保证较高的图像分辨率，我们设计了一种基于空间编码的远距离、高分辨率的激光主动成像装置。

技术实现要素：

针对传统扫描成像技术存在的不足，本发明提供了一种基于空间编码的远距离高分辨率激光主动成像装置及方法，能够保证高分辨率的情况下，扩大探测距离。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于空间编码的远距离高分辨率激光主动成像装置，包括激光光源1，固定于激光光源1出光端的二维激光扫描镜2，固定于二维激光扫描镜2扫描区域的目标8，固定于目标8反射光路上的成像透镜3，固定于成像透镜3成像光路上的光电阵列探测器4，同时包括与激光扫描镜2连接的扫描镜转角测量装置5，与光电阵列探测器4通过导线连接的空间解码及激光测距模块6，同时与空间解码及激光测距模块6和扫描镜转角测量装置5通过导线连接的计算机7以及与激光光源1通过导线连接的激光控制器9。

所述激光光源1为高重复频率脉冲式激光器。

所述光电阵列探测器4的探测单元数量远低于每帧激光图像像素点的数量。

所述光电阵列探测器4中每个探测单元的探测区域与空间编码区域一一对应，即某一空间编码区域的反射光仅能被其所对应的探测单元探测到。

上述所述基于空间编码的远距离高分辨率激光主动成像装置的成像方法，激光控制器9控制激光光源1发射的激光照射到二维激光扫描镜2上，此时扫描镜转角测量装置5记录当前二维激光扫描镜2的转角θ₁,θ₂及激光照射区域的空间编码值M，激光经目标8反射后经过成像透镜3，光电阵列探测器4中的某个探测单元会探测到目标的返回激光，空间解码及激光测距模块6根据接收到脉冲激光信号的探测单元的位置，解算出反射激光来源于哪个空间编码区域，并测量激光控制器9输出的触发脉冲和光电阵列探测器4某个探测单元输出的脉冲信号之间的时间差，就能够计算出目标8上某点的距离。

由于激光二维扫描镜扫描速度非常快，假如第N个脉冲激光照射到了编码为M的空间区域，根据透镜成像的原理，该脉冲激光信号会被光电阵列探测器的第M个探测单元探测到；而第N+1个脉冲激光就会照射到编码为非M的空间区域，并且该脉冲激光信号会被阵列探测器中第M个以外的探测器探测到；根据接收到脉冲激光信号的探测单元的位置，就可以判断出该脉冲激光来自于空间的哪个区域，再利用扫描镜转角测量信息，就能准确的定位目标某点三维(角度-角度-距离)信息；利用上述方法，不断探测目标不同位置的距离，则可以获得目标的三维轮廓。

上述成像方法的具体步骤如下：

步骤1：对探测空间进行二维编码：设激光雷达的视场范围是：θ₁*θ₂，将该区域分成5*5(不限于5*5)个子区域并对其进行编码，则不同编码区域所对应的探测视场角范围下表1所示：

表1.空间区域编码与空间区域视场角之间的关系

步骤2：初始化系统，激光光源1开始工作；

步骤3：激光经二维激光扫描镜2反射，此时扫描镜转角测量装置5记录当前二维激光扫描镜2的角度值并根据表1获得当前激光照射空间区域的编码值M(M＝1...25)；

步骤4：激光被目标8反射后经成像透镜3，汇聚至光电阵列探测器4上对应空间编码值M的探测单元上，空间解码及激光测距模块6将聚焦后的光信号转化为放大的电压信号，根据接收到脉冲激光信号的探测单元的位置，解算出反射激光来源于哪个空间编码区域，并利用飞行时间法(不限于飞行时间法)测量激光控制器9输出的触发脉冲和光电阵列探测器4某个探测单元输出的脉冲信号之间的时间差，就能够计算出目标上某点的距离；

步骤5：在第一束激光未到达光电阵列探测器4之前，也就是步骤4进行的同时，激光源依次发出第2、3、4…n束激光，经二维激光扫描镜2反射后照射在不同的空间编码区域内；此时，扫描镜转角测量装置5分别记录下对应时刻二维激光扫描镜2的角度

步骤6：与步骤4相类似，第2、3、4...n束激光被目标8反射后，经成像透镜3，汇聚至光电阵列探测器4对应的探测单元上，并通过空间解码及激光测距模块6根据接收到脉冲激光信号的探测单元的位置，解算出反射激光来源于哪个空间编码区域，并测量目标位置的距离信息，计算机7通过判断是哪个探测单元探测到的激光信号，就能够分辨出是其所对应的扫描镜的角度；

步骤7：计算机7利用多次测量的目标距离和角度信息，即能够获得目标8的三维图像。

本发明提出这种远距离、高分辨率激光主动成像雷达装置，主要创新点在于将被探测区域进行空间编码，反射激光经过透镜后聚焦在对应的探测单元上，通过辨别哪个探测单元探测到激光，就可以寻找到对应激光发射的角度，从而实现远距离、高分辨率激光成像功能。

附图说明

图1为本发明成像装置原理图。

图2为空间区域编码原理图。

图3为空间编码区域对应的视场角。

图4为空间编码区域与光电阵列探测器探测单元之间的对应关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，本发明一种基于空间编码的远距离高分辨率激光主动成像装置，包括激光光源1，固定于激光光源1出光端的二维激光扫描镜2，固定于二维激光扫描镜2扫描区域的目标8，固定于目标8反射光路上的成像透镜3，固定于成像透镜3成像光路上的光电阵列探测器4，同时包括与激光扫描镜2连接的扫描镜转角测量装置5，与光电阵列探测器4通过导线连接的空间解码及激光测距模块6，同时与空间解码及激光测距模块6和扫描镜转角测量装置5通过导线连接的计算机7以及与激光光源1通过导线连接的激光控制器9。

作为本发明的优选实施方式，所述扫描镜转角测量装置5与二维激光扫描镜2非接触连接，具有测角精度高，角度分辨率高的优点。

作为本发明的优选实施方式，所述二维激光扫描镜2与水平面呈45°，具有激光图像探测视场均匀，畸变小等优点。

上述所述基于空间编码的远距离高分辨率激光主动成像装置的成像方法，激光控制器9控制激光光源1发射的激光照射到二维激光扫描镜2上，此时扫描镜转角测量装置5记录当前二维激光扫描镜2的转角θ₁,θ₂及激光照射区域的空间编码值M，激光经目标8反射后经过成像透镜3，光电阵列探测器4中的某个探测单元会探测到目标的返回激光，空间解码及激光测距模块6根据接收到脉冲激光信号的探测单元的位置，解算出反射激光来源于哪个空间编码区域，并测量激光控制器9输出的触发脉冲和光电阵列探测器4某个探测单元输出的脉冲信号之间的时间差，就能够计算出目标8上某点的距离。

由于激光二维扫描镜扫描速度非常快，假如第N个脉冲激光照射到了编码为M的空间区域，根据透镜成像的原理，该脉冲激光信号会被光电阵列探测器的第M个探测单元探测到；而第N+1个脉冲激光就会照射到编码为非M的空间区域，并且该脉冲激光信号会被阵列探测器中第M个以外的探测器探测到；根据接收到脉冲激光信号的探测单元的位置，就可以判断出该脉冲激光来自于空间的哪个区域，再利用扫描镜转角测量信息，就能准确的定位目标某点三维(角度-角度-距离)信息。利用上述方法，不断探测目标不同位置的距离，则可以获得目标的三维轮廓。

上述成像方法的具体步骤如下：

步骤1：对探测空间进行二维编码。如图2所示，设激光雷达的视场范围是：θ₁*θ₂，将该区域分成5*5(不限于5*5)个子区域并对其进行编码，则不同编码区域所对应的探测视场角范围下表1所示，可参考图3。

表1.空间区域编码与空间区域视场角之间的关系

步骤2：初始化系统，激光光源1开始工作；

步骤3：激光经二维激光扫描镜2反射，此时扫描镜转角测量装置5记录当前二维激光扫描镜2的角度值并根据表1获得当前激光照射空间区域的编码值M(M＝1...25)；

步骤4：激光被目标8反射后经成像透镜3，汇聚至光电阵列探测器4上对应空间编码值M的探测单元上，空间解码及激光测距模块6将聚焦后的光信号转化为放大的电压信号，根据接收到脉冲激光信号的探测单元的位置，解算出反射激光来源于哪个空间编码区域，并利用飞行时间法测量激光控制器9输出的触发脉冲和光电阵列探测器4某个探测单元输出的脉冲信号之间的时间差，就能够计算出目标上某点的距离；

步骤5：在第一束激光未到达光电阵列探测器4之前，也就是步骤4进行的同时，激光源依次发出第2、3、4…n束激光，经二维激光扫描镜2反射后照射在不同的编码区域内；此时，扫描镜转角测量装置5分别记录下对应时刻二维激光扫描镜2的角度

步骤6：与步骤4相类似，第2、3、4...n束激光被目标8反射后，经成像透镜3，汇聚至光电阵列探测器4对应的探测单元上，并通过空间解码及激光测距模块6根据接收到脉冲激光信号的探测单元的位置，解算出反射激光来源于哪个空间编码区域，并测量目标位置的距离信息，计算机7通过判断是哪个探测单元探测到的激光信号，就能够分辨出是其所对应的扫描镜的角度；

步骤7：计算机7利用多次测量的目标距离和角度信息，即能够获得目标8的三维图像。