一种脉冲激光主动选通扫描3D成像装置及方法与流程

本发明涉及一种激光扫描成像领域，尤其涉及一种脉冲激光主动选通扫描3d成像装置及方法。

背景技术：

近几年,随着无人驾驶汽车和机器人的新兴，作为必须配件，激光测距雷达技术也高速发展。其中，以cmos或者ccd摄像机作为信息采集单元的低成本激光雷达更是迅速的在市场兴起。目前，市面上主流的激光测距雷达都对环境有着高要求。一旦遇到雾、霾天气，由于空气中的微小颗粒会有严重的后散射，激光器发射的激光束在空气的中的衰减会非常严重，造成摄像机成像画面发白，不能够准确的扫描到待测物体。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对市面上现有的产品采用的技术存在的问题，提供一种脉冲激光主动选通扫描3d成像装置及方法，改装置能够提高激光雷达在雾霾条件下的穿透能力，扩大激光雷达的扫描测距范围，同时具备连续扫描成像、大探测范围和高信噪比等优点。

本发明采用的技术方案为：

一种脉冲激光主动选通扫描3d成像装置及方法，其特征在于，包括摄像单元（1）、线状激光器（2）、水平转台（3）、控制器（4）和处理器（5）；其中，所述摄像单元（1）中包含的组件按照先后顺序依次为：安装在最前端的光学镜头（7）、用于光学滤波的窄带滤波片（8）、用于选通激光脉冲的选通门（9）和用于输出数字图像的摄像板机（6）；所述线状激光器（2）可以在发射一定频率的线状脉冲激光光束；所述控制器（4）控制器用于在设定的某一时间内的多个激光脉冲光束按照一定规则分配到不同距离切片中，同时控制所述选通门（9）在同一时间内和每一个脉冲激光光束回波对应的时刻开启；所述水平转台（3）可以水平360°旋转，所述摄像单元（1）和所述线状激光器（2）共同固定于水平转台（3）上；所述线状激光器（2）发射激光光束并打到待测物体上，激光光束通过待测物体反射到所述摄像单元（1）并成像，根据所成的图像得到待测物的距离。

所述线状激光器（2）输出的激光光束为近红外光束，其出光张角不小于90°。

所述线状激光器（2）输出的脉冲激光光束在一个周期内光功率是逐渐递增的，即满足：

p(n-1)<p(n)<p(n+1)

其中，p(n-1)、p(n)、p(n+1)分别为t(n-1)、t(n)、t(n+1)时刻所述线状激光器发射的脉冲激光光束的功率。

所述摄像单元（1）的摄像板机（6）内采用的图像传感器为cmos芯片或者ccd芯片。

所述光学镜头（7）的光学视场角与所述线状激光器（2）的输出张角一致。

所述窄带滤波片（8）的选通波长与所述线状激光器（2）的输出光束波长一致。

一种高频脉冲激光主动选通扫描测距方法，其特征在于，测距步骤如下：

步骤1，所述控制器（4）控制所述线状激光器（2）以δt作为时间间隔发射脉冲激光光束，设定t1时刻的回波对应的探测距离为s1，t2时刻的回波对应的探测距离为s2,以此类推，直至探测完该方向上的目标；

步骤2，所述控制器（4）控制所述选通门（9）在每一个脉冲激光光束回波对应的时刻开启，在其他时间保持关闭；在所述选通门（9）开启时刻，回波经过光学镜头（7）和窄带滤波片（8），最终在摄像板机上成像；

步骤3、由所述处理器（5）计算分析cmos芯片上相应时刻的回波所成的像的像素位置可得知，如果此回波是是空间尘雾颗粒得反射，为无效信息；否则，则可由处理器（5）根据三角测距发计算出待测物体的距离；

步骤4，当该方向已经探测结束，由所述处理器（5）控制水平转台旋转至下一角度，重复以上步骤，直至所述水平转台（3）旋转一周。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过脉冲激光器发射脉冲激光光束，通过控制器控脉冲激光器的发射频率以及选通门的开启和关闭时间，使得在发射脉冲激光光束相应回波时刻开启选通门，其他时刻保持选通门关闭。然后处理器通过计算成像在cmos芯片上的像素位置分析探测到的物体是尘雾颗粒还是待测目标，并对尘雾颗粒的成像做筛除处理，只保留有效信息。该发明装置通过所述扫描测距步骤方法可以达到提高信噪比的效果，使得该发明装置可以在有尘雾颗粒的环境下仍可有效的进行扫描测距3d成像，弥补的市面上现有的同类的产品的缺陷。

附图说明

图1为本发明一种脉冲激光主动选通扫描3d成像装置的结构示意图。

图2为本发明一种脉冲激光主动选通扫描3d成像装置的工作原理示意图。

图3为本发明一种脉冲激光主动选通扫描3d成像装置的光斑示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明装置的结构、工作流程以及工作原理进行更全面的描述。

参考图1所示，所述一种脉冲激光主动选通扫描3d成像装置，其结构包括摄像单元（1）、线状激光器（2）、水平转台（3）、控制器（4）和处理器（5）。摄像单元（1）和线状激光器（2）分别安装固定于水平转台（3）上。摄像单元（1）中包含的组件依次为：光学镜头（7）、窄带滤波片（8）、选通门（9）和摄像板机（6）。

所述一种脉冲激光主动选通扫描3d成像装置，其工作流程如下：

控制器（4）依据处理器（5）给予的通信信号（15），输出控制信号（13）控制线状激光器（2）以一定的频率发射脉冲激光光束，并以该脉冲激光光束发出时刻为基准，按照预设的延时向选通门（9）发送控制信号（14），控制在与相应脉冲激光光束回波时刻打开选通门，回波依次通过光学镜头（7），窄带滤波片（8）和选通门（9）后，照射到cmos板机（6）上，摄像单元（1）完成成像。

摄像单元（1）将视频信号（16）传输给处理器（5），处理器（5）通过预设的程式分析视频信号（16）来分析此次回波所成像，以确认此次脉冲激光光束扫描的是待测物体还是空气中的尘雾颗粒，如果是尘雾颗粒，则判定是无效信息，反之为有效信息，并进一步输出通信信号（15）给控制器（4），执行下一次的脉冲激光光束的发射和选通门（9）的开启。在该方向上探测结束后，处理器（5）输出通信信号（17）给水平转台（3），使其载着摄像单元（1）和线状激光器（2）旋转一定的角度。

参考图2和图3所示，所述一种脉冲激光主动选通扫描3d成像装置，其工作原理如下：

由于空气的尘雾颗粒的后散射作用，脉冲激光光束在前进的过程中会不停的被尘雾颗粒反射，产生回波。假设在t0时刻，线状激光器发射一束脉冲激光光光束m，在光束前进方向上位于a、b、c点的尘雾颗粒会分别产生产生回波信号ma、mb、mc，这些回波信号到达摄像单元的时刻分别为ta、tb、tc。由于控制器控制摄像单元内的选通门在此次脉冲激光光束对应的时刻tb时刻打开选通门，tc时刻关闭，所以，tb时刻之前的回波并不会在摄像单元上成像，只有tb到tc这一段时间内的回波才会在摄像单元上成像。这样，就消除了位置b之前的空间尘雾颗粒后散射对成像的干扰。

为了进一步的阐述装置的工作原理，可以令a、b、c位置的尘雾颗粒后散射产生的回波所成的像在cmos芯片上的像素位置分别为pa、pb、pc，且通过几何计算可以得知，pa、pb、pc在cmos芯片上的像素位置是固定的。在装置工作过程中，如果ta时刻的回波成像的位置为pa,tb时刻的回波成像的位置为pb,tc时刻的回波成像的位置为ic,ic不等于pc。则可知，a位置和b位置的成像都是尘雾颗粒回波成像，c位置的成像是待测物体回波成像。即可判定，a与b之间充满了尘雾颗粒，没有待测物体，可以作为无效图像，但是b与c之间存在待测物体，需要进一步测量扫描，获取其3d数据信息。

另外，由于大气的物理特性比较复杂。光在大气中传播斌该不会像在真空中一样无衰减传播。因为大气对光束的吸收和折反射，激光束的光强会随着传输距离的增加而产生衰减，衰减估算公式为：

i=i0×exp（-a×d）

其中，d是光穿透深度，a是吸收系数，i0是初始光强。因此，控制器会控制线状激光器输出的脉冲激光光束的功率随着照射距离的增加而增加，即：脉冲激光光束在一个周期内光功率是逐渐递增的，满足：

p(n-1)<p(n)<p(n+1)

其中，p(n-1)、p(n)、p(n+1)分别为t(n-1)、t(n)、t(n+1)时刻所述线状激光器发射的脉冲激光光束的功率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。