专利名称：基于飞行光谱的三维成像雷达系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种成像雷达系统，尤其涉及ー种基于飞行光谱的三维成像雷达系统。
背景技术：
三维成像雷达技术可广泛应用于各领域，如汽车的安全防撞安全系统、高速公路照相测速系统、测距望远镜、机器视觉等。三维成像雷达是ー种能具有测距能力的成像系统，系统由发射、接收和信息处理等部分組成。目前雷达测距的原理可概分为飞行时间测量、相位差測量和三角測量等三种方法。第一种方法是飞行时间法，这种方法使用脉冲光源，借由测量发射光脉冲到接收到目标反射的光脉冲的时间差来计算目标物体的距离。这种方法可以达到很到的精度，一 般在数公里的范围内达到厘米级的精度，但如要实现高分辨三维成像，必须要逐点扫描，这种方法是目前最常用的激光成像雷达，这种方法成像速度非常慢、成像分辨率非常差。另外ー种方法是使用每ー单元都具有脉冲探測和时间计数能力的面阵探测器件，例如在成像器件前加入具有高速调制功能的像增强器(頂CCD)，目前无扫描激光三维雷达基本上都是采用这种方法，这种方法測量精度受限于光脉冲形状、成像分辨率受限于像增强器、而且造价非常昂贵，目前尚只能用于军事和国防用途。另外ー种方法是相位測量法，这种方法是通过调制光源，利用反射光与參考振荡之间的相位差来获得目标物体的距离。由于相位有2 的局限，这种方法有測量距离上的限制，測量距离只有数十米，測量精度也不高。目前也有借助像增强成像器(IM(XD)实现面阵相位測量法的雷达系统。第三种方法是三角测距法，这种方法是借助结构光源在目标物体上光点及其成像的三角关系计算出物体离光源的距离。这种方法的虽然测距精度高，但是适用的測量距离更短，常用于精密模具制造、集成电路、SMT电路板检测等场合。目前也有用不同顔色编码在ニ维空间中投射出彩色结构光进行三维成像的，都属于这种方法。上述的雷达测距方法只能得到单点的距离信息，如要对被测物体进行三维成像，必须逐点采样，或者使用面阵型的探測器件进行并行数据采集。现有的各种激光雷达传感器存在一些缺点和不足如扫描型激光雷达虽然对器件的要求较低，工作距离远，但对扫描机构的要求较高，且帧速率较低，实时性较差；而面阵型激光雷达虽然实时性好，但高分辨率成像需要大面阵器件，器件的成本和研制难度都很高。这些激光雷达都需要纳秒级的光源或者快速响应的探測器。近年来在Optics Letters上报道了法国科学家使用微秒激光脉冲和高速CXD相机基于强度积分实现三维成像的技术(OPTICS LETTERS, Vol. 32，3146-3148，2007)。这种方法成本远低于其他面阵型技术，但其探测距离和精度受到有较大的局限
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的局限和不足，提供ー种基于飞行光谱的三维成像雷达系统。本发明利用相对低廉的多波长LED/激光光源和普通彩色CCD或CMOS面阵探测器实现三维雷达成像。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的ー种基于飞行光谱的三维成像雷达系统，它包括多波长光源、光带通滤波器、图像传感器、电子快门、数据处理器和显示终端；其中，所述光带通滤波器和电子快门均固定在图像传感器上，多波长光源和图像传感器均与数据处理器相连，数据处理器和显示终端相连；所述多波长光源依次产生由不同波长组成的光脉冲串，这些光脉冲串形成ー个飞行光谱照射在物体上，物体会依次将多波长光反射回来；反射回来的多波长光经过光带通滤波器被图像传感器的不同像素感光，每个波长都在图像传感器上形成一幅图像；图像传感器在电子快门的作用下在曝光时间内成像，在曝光时间内不同位置物体的反射光其波长成分是不同的，通过数据处理器对不同波长图像的分析就能获得物体的具体位置，最后通过显示终端将结果显示出来。进ー步地，所述多波长光源是由能产生不同波长微秒纳秒级光脉冲的ー个或多个脉冲光源组成，所述脉冲光源为LED或者激光器。一种应用上述系统的基于飞行光谱的三维成像方法，包括以下步骤(I)多波长光源产生的不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时；(2)电子快门控制的曝光时间内，不同位置物体反射回来的光波在图像传感器传感单元积分效应下会形成的不同波长叠加的效果，其光强满足积分公式
权利要求
1.一种基于飞行光谱的三维成像雷达系统，其特征在于，它包括多波长光源(I)、光带通滤波器(2)、图像传感器(3)、电子快门(4)、数据处理器(5)和显示终端(6)等；其中，所述光带通滤波器(2)和电子快门(4)均固定在图像传感器(3)上，多波长光源(I)和图像传感器(3)均与数据处理器(5)相连，数据处理器(5)和显示终端(6)相连；所述多波长光源(I)依次产生由不同波长组成的光脉冲串，这些光脉冲串形成ー个飞行光谱照射在物体上，物体会依次将多波长光反射回来；反射回来的多波长光经过光带通滤波器(2)被图像传感器(3)的不同像素感光，每个波长都在图像传感器(3)上形成一幅图像；图像传感器(3)在电子快门(4)的作用下在曝光时间内成像，在曝光时间内不同位置物体的反射光其波长成分是不同的，通过数据处理器(5)对不同波长图像的分析就能获得物体的具体位置，最后通过显示終端(6)将结果显示出来。
2.根据权利要求I所述基于飞行光谱的三维成像雷达系统，其特征在于，所述多波长光源(I)是由能产生不同波长微秒纳秒级光脉冲的一个或多个脉冲光源组成，所述脉冲光源为LED或者激光器。
3.ー种应用权利要求I所述系统的基于飞行光谱的三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)多波长光源产生的不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时； (2)电子快门控制的曝光时间内，不同位置物体反射回来的光波在图像传感器传感单元积分效应下会形成的不同波长叠加的效果，其光强满足积分公式 J(の= ZJTろ(卜21^C)ぎ(0也 馬 其中，S表示距离，C表示光速，t表示时间，Xi (t-2S/C)表示波长Xi的光脉冲波形，g(t)表示电子快门的波形，i为自然数； (3)如果光波在可见光波段，会在图像传感器3形成的图像上直接叠加表示不同距离的彩色效果。
4.ー种应用权利要求I所述系统的基于飞行光谱的三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)多波长光源产生不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时，电子快门控制的曝光时间内，在图像传感器中同时采集两个由两个脉冲分别在不同位置物体反射回来的光波，即获取前后两帧图像； (2)波长\i在两帧图像中产生的光强随距离的变化分别满足 /,い')0,(/-2、7(’)以/)<ヵ；I,(S,)=^x,(f-2S,/C)g(t)dt； 其中，S表示前ー帧的距离，S'表示后ー帧的距离，C表示光速，t表示时间，Xi(t-2S/C)表示波长\ i的光脉冲波形，g(t)表示电子快门的波形，i为自然数； 将两帧图像相同波长ん的光强相减，获得的差分图像每个点的光强大小只与AS =S-S/有关，由此可以获得差分图像与距离差A S之间的确定关系；而距离差AS由延时T和光速C给出AS = x*C/2 ；结合
5.ー种应用权利要求I所述系统的基于飞行光谱的三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)多波长光源产生的不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时，先在图像传感器中采集没有脉冲反射的光波，再同时采集两个由两个脉冲分别在不同位置物体反射回来的光波，即获取前后三帧图像；第一帧图像为没有飞行光谱光脉冲照射的背景图像，第二帧与第三帧图像在电子快门的同步时间内存在一个或者几个光脉冲宽度的延时T ; (2)第二帧图像和第三帧图像分别与第一帧图像进行差分，减除背景光的影响； (3)然后将差分后的第三帧图像作为參考值，对差分后的第二帧图像进行归一化/ル'(ん其中，//(Ir，め表示差分后第二帧图像(x，y)位置波长入i的光強，/,3(Jf，7,の表示差分后第三帧图像(x，y)位置波长入i的光強；归ー化的结果/,:(UVV)//f’’(Az,しS")反应了被测物体每点的距离信息，即可得到距离信息成像图。
全文摘要
本发明公开一种基于飞行光谱的三维成像雷达系统，它包括多波长光源、光带通滤波器、图像传感器、电子快门、数据处理器和显示终端；多波长光源依次产生由不同波长组成的光脉冲串，这些光脉冲串形成一个飞行光谱照射在物体上，物体会依次将多波长光反射回来；反射回来的多波长光经过光带通滤波器被图像传感器的不同像素感光，每个波长都在图像传感器上形成一幅图像；图像传感器在电子快门的作用下在曝光时间内成像，在曝光时间内不同位置物体的反射光其波长成分是不同的，通过数据处理器对不同波长图像的分析就能获得物体的具体位置，最后通过显示终端将结果显示出来；本发明能够实现中近距离的高速、高分辨率的三维雷达成像，而且成本低廉。
文档编号G01S7/481GK102798868SQ20121026265
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者符建, 吕俊 申请人:符建