基于面阵CCD的三维实时成像激光雷达系统的制作方法

本发明涉及三维实时成像激光雷达技术，主要涉及利用2d传感器通过间接tof成像法实现3d实时成像的激光雷达技术，具体是基于面阵ccd的三维实时成像激光雷达系统。

背景技术：

三维成像雷达系统按照光源的获取方式可以分为主动式和被动式成像雷达，被动式主要是借助于自然光进行成像，由于其受自然条件影响太大，所以现在的研究重点基本上都在主动式成像雷达领域。由于激光具有准直性、受自然光干扰小等各项特性，一般会采用激光作为主动式三维成像雷达的光源。对于光学成像器件，有apd、ccd、iccd、cmos等探测器，apd阵列通过直接计算激光飞行时间实现测距，但是分辨率比较小，限制了应用场景，iccd传感器在分辨率高、动态范围大、且对测量环境没有什么特殊要求，成像效果优于ccd传感器，但是系统寿命、价格成本以及体积重量等方面还有很大的优化空间。cmos传感器在成像速度和分辨率上均不如ccd传感器。ccd传感器分辨率高、解析度高、动态范围广、低失真、体积小、重量轻、价格低廉等优点。在成像算法方面常用tof成像算法，tof算法分为直接tof法和间接tof法，直接tof算法是直接测量发射光往返时间，一般通过计数器实现，间接tof法一般是进行光子光强积累，通过建立和分析光强-距离曲线的关系计算距离，另一种则是通过相位法计算光飞行时间，从而计算像素点的距离信息。除了以上方法外还可以通过线性调频实现测距。目前由于微电子技术水平的限制，系统结构的研究还处于理论研究阶段，电路结构也有待进一步优化以提升稳定性。整体应用离工程化还有很有多的理论和技术问题需要解决。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于面阵ccd的三维实时成像激光雷达系统。这种系统成本低、能够对运动目标成像，能提高成像质量、能提高成像的实时性。

实现本发明目的的技术方案是：

基于面阵ccd的三维实时成像激光雷达系统，与现有技术不同处在于，所述系统包括数据处理模块和与数据处理模块连接的大功率激光发射组件、面阵ccd传感器成像组件和电源转换模块以及pc终端，大功率激光发射组件按方波驱动，经对成像视场内的目标区进行泛光照明，激光经目标反射的回波光束到达面阵ccd传感器成像组件。

所述数据处理模块包括fpga主控芯片和与fpga主控芯片连接的adc芯片转换电路、sdram存储芯片和usb转串口，其中，adc芯片转换电路的数字输出端与fpga主控芯片相连接便于进行图像处理，其中adc芯片采用具有三色通道功能的adc芯片，免去了后期3d像彩色恢复的工作，sdram存储芯片与fpga主控芯片相连接，以存储图像数据，usb转串口连接fpga主控芯片和pc终端，进行图像数据和指令参数的实时传输，3d像通过usb转串口的形式将图像数据传送至pc终端，数据处理模块采用fpga技术进行图像滤波、图像加权和3d像恢复工作，并行的底层数据处理机制，使得系统实时成像性能达到很大程度上的提高，最终将处理后的数据传送至pc终端作进一步的矫正和显示。

所述大功率激光发射组件包括顺序连接的激光驱动电路、激光二极管阵列和光学扩束准直透镜阵列，大功率激光发射组件按照双环形结构布置，与面阵ccd传感器成像组件实行同孔收发，采用光学扩束准直透镜阵列进行视场角的放大，使得探测范围扩大，防止激光光斑集中导致的探测不准确的现象发生。

所述面阵ccd传感器成像组件包括顺序连接的面阵ccd传感器驱动电路、面阵ccd传感器、带通滤波片和长焦镜头。

所述光学扩束准直透镜阵列由32片20倍扩束功能光学扩束准直透镜构成，其中每16片20倍扩束功能光学扩束准直透镜均匀排列呈环状，32片光学扩束准直透镜构成直径不同的双环形阵列结构。

所述激光二极管阵列由32颗激光二极管构成，其中每16颗激光二极管均匀排列呈环状，32颗激光二极管构成直径不同的的双环形阵列结构，激光二极管阵列与光学扩束准直透镜阵列在结构布置和形状大小上完全一致，并最终相互贴合在一起，使得每颗激光都透过光学扩束准直透镜发出，达到扩束和准直的效果，激光二极管阵列功率较大，激光波长与自然光波长相差甚远，以在带通滤波片作用下更好的滤除自然光干扰，激光二极管选用半导体激光二极管，本发明对于探测距离的影响在激光发射组件主要受制于激光功率，因此选用的单颗激光二极管峰值功率较高，其次，光学扩束准直透镜主要为了防止发射的激光过于集中导致探测精度下降，也同时为了扩大激光所能照射的范围。

所述激光驱动电路设有两片mosfet驱动el7104cs芯片，两片el7104cs芯片分别驱动一个环状激光二极管阵列，使得上升和下降延时很低，时钟速率较快。

所述长焦镜头的外径与光学扩束准直透镜阵列和激光二极管阵列的环状内径均保持一致，使得长焦镜头刚好插入光学扩束准直透镜阵列和激光二极管阵列的环状内径，以达到激光同孔收发的目的，有效利用激光和提升探测精度。

所述带通滤波片的直径与长焦镜头末端直径一致并置于长焦镜头的末端，以达到完全过滤经过长焦镜头的光线。

长焦镜头与激光发射组件中的32颗激光二极管阵列组成同孔收发模型，保证尽可能的将所发出去的激光二极管阵列产生的回波有效的被长焦镜头回收，提高探测精度，当回波回到接收端时，通过长焦镜头经过带通滤波片滤除环境光后到达面阵ccd传感器传感面上在电子快门的控制下进行实时成像。

所述面阵ccd传感器为具有彩色成像效果的面阵ccd传感器，为后期图像数据处理减少了很大的工作量，面阵ccd传感器的感光面正对带通滤波片的非镀膜面，面阵ccd传感器的输出端与adc芯片转换电路模拟输入端连接，以获取彩色图像进行数字化处理，面阵ccd传感器具有高速电子快门控制信号，且能实时成彩色图像，为后期获得彩色3d像免去了恢复彩色图像的工作量，提升系统效率，同时面阵ccd传感器采用稳定的电源转换系统保证面阵ccd传感器驱动电路的稳定高效的工作。

所述面阵ccd传感器驱动电路采用高速驱动芯片和整流芯片共同构成，保证面阵ccd传感器上高速电子快门时序的质量，实现高质量成像。

所述电源转换模块是通过在fpga主控芯片引出5v电平，在模拟放大电路和电源转换芯片的作用下进行电流电压转换，以满足系统各个模块所需要的电流电压标准，以保证系统稳定有效的工作。

所述电源转换模块采用数字芯片构成，减少模拟电路对于电压输出稳定性产生的干扰，提升整个系统的时序工作稳定性，电源转换模块由max685芯片构成的电压转换电路和由lm2924n芯片构成的电压放大电路组成，其中max685芯片构成的电压转换电路主要为面阵ccd传感器驱动电路提供电源支持，lm2924n芯片构成的电压放大电路主要为激光驱动电路提供电源支持。

本技术方案的成像原理为：在本技术方案中，从彩色ccd传感器成像组件生成的二维图像恢复3d像需要知道激光回波的飞行时间，这里采用间接tof算法。

激光二极管阵列产生波长为λ光脉冲串，经目标反射后，在电子快门控制的曝光时间内分别采集三个光脉冲，采集时间间隔为τ，则有：

ti＝t0+iδt

其中t0是初始选通时间，δt是步进时间，i是自然数序号，可分别得到在彩色面阵ccd传感器上的光强积累，面阵ccd图像传感器采集的前后两帧图像，光强随距离的变化如下式所示：

式中，s表示前一帧图像中目标物体的距离，s’表示后一帧图像中目标物体的距离，c表示光速，t表示时间，p(t-2s/c)表示波长为λ的光脉冲波形，g(t)为接收器增益的功率-时间函数，

由上式可知，对同一目标物体上的同一点的反射光在图像传感器上的光强积累是随积分时间变化的，积分时间和脉冲发射时刻以及图像传感器接收时间有关，假设图像传感器对目标物体的同一像素点多次曝光均能够对所采集的脉冲信号进行光强积分，则对同一像素点可得到多条梯形积分曲线图，每条积分曲线图都有一个顶点，通过多个梯形顶点即可拟合一条曲线，以此得到较好的测量精度，根据图像加权法求出曲线的顶点所对应的横坐标，即可知道飞行时间，图像加权法表述为：假设第i次的时间延迟为ti，面阵ccd图像传感器上积累的光强为i(si)，取出同一像素多帧的最小值min(i(si))，令：

ai＝i(si)-min(i(si))

＝∫p(t-2s/c)g(t)dt-min(∫p(t-2s/c)g(t)dt)

则横坐标t为：

t＝2s/c＝a^-1∑(i(si)-min(i(si)))ti

＝a^-1∑(∫p(t-2s/c)g(t)dt-min(∫p(t-2s/c)g(t)dt))ti，

式中，ti为i次延迟时间的整数累加和，a为ai累积和值∑ai，该顶点的横坐标t表示脉冲信号的往返时间，根据公式即可求出目标物体的距离信息，其中z表示距离信息，c表示光在真空中的飞行时间，t是光信号经过整个飞行过程的总时间，n是光学在介质中的折射率，在干净的空气中，n≈1，最后，根据求得的各像素点的距离信息获得3d像。

本技术方案的工作原理为：采用大功率激光发射组件对成像视场内的目标区域进行泛光照明，大功率激光发射组件中激光二极管阵列按方波驱动，激光经过目标反射后，到达面阵ccd传感器成像组件，在面阵ccd图像传感器上电子快门控制的曝光时间内，可在面阵ccd图像传感器上产生光强积累，形成一帧模拟图像，然后图像到达数据处理模块，经过adc芯片转换电路转换为数字图像之后存储于sdram存储芯片，随即在fpga主控芯片上实时进行图像滤波、图像加权、3d像恢复工作，再经过usb转串口将fpga主控芯片恢复得到的3d像实时传输至pc终端上进行矫正和显示。

本技术方案的有益效果是：通过合理的三维成像机制，使得探测距离基本只受激光功率和镜头焦距影响，且只需要面阵ccd图像传感器即可完成高质量成像，而不是昂贵的iccd传感器；使用面阵ccd传感器和具有三色通道的adc芯片，使得数据处理模块的图像数据处理更加简单快捷，使用fpga主控芯片底层并行处理机制进行图像滤波、图像加权、3d像恢复工作，同时所述的数据处理模块的usb转串口部分使用usb3.0串口传图，使得帧数大大提升，并能对运动目标成像。

这种系统成本低、能够对运动目标成像，能提高成像质量、能提高成像的实时性。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例中系统成像时序原理示意图；

图3实施例中系统工作流程示意图。

图中，1.大功率激光发射组件2.面阵ccd传感器成像组件3.数据处理模块4.电源转换模块5.pc终端6.光学扩束准直透镜阵列7.激光二极管阵列8.激光驱动电路9.长焦镜头10.带通滤波片11.面阵ccd传感器12.面阵ccd传感器驱动电路13.adc芯片转换电路14.sdram存储芯片15.usb转串口16.fpga主控芯片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1，基于面阵ccd的三维实时成像激光雷达系统，包括数据处理模块3和与数据处理模块3连接的大功率激光发射组件1、面阵ccd传感器成像组件2和电源转换模块4以及pc终端5，大功率激光发射组件1按方波驱动，经对成像视场内的目标区进行泛光照明，激光经目标反射的回波光束到达面阵ccd传感器成像组件2。

所述数据处理模块3包括fpga主控芯片16和与fpga主控芯片16连接的adc芯片转换电路13、sdram存储芯片14和usb转串口15，其中，adc芯片转换电路13的数字输出端与fpga主控芯片16相连接便于进行图像处理，其中adc芯片采用具有三色通道功能的adc芯片，免去了后期3d像彩色恢复的工作，sdram存储芯片14与fpga主控芯片16相连接，以存储图像数据，usb转串口15连接fpga主控芯片16和pc终端5，进行图像数据和指令参数的实时传输，3d像通过usb转串口的形式将图像数据传送至pc终端5，数据处理模块3采用fpga技术进行图像滤波、图像加权和3d像恢复工作，并行的底层数据处理机制，使得系统实时成像性能达到很大程度上的提高，最终将处理后的数据传送至pc终端5作进一步的矫正和显示，本例采用高速的usb3.0串口进行传输图像数据，使得系统帧数达到很大提高的同时，系统的稳定性也得到了很大的提升。

所述大功率激光发射组件1包括顺序连接的激光驱动电路8、激光二极管阵列7和光学扩束准直透镜阵列6，大功率激光发射组件1按照双环形结构布置，与面阵ccd传感器成像组件2实行同孔收发，采用光学扩束准直透镜阵列6进行视场角的放大，使得探测范围扩大，防止激光光斑集中导致的探测不准确的现象发生。

所述面阵ccd传感器成像组件2包括顺序连接的面阵ccd传感器驱动电路12、面阵ccd传感器11、带通滤波片10和长焦镜头9。

所述光学扩束准直透镜阵列6由32片20倍扩束功能光学扩束准直透镜构成，其中每16片20倍扩束功能光学扩束准直透镜均匀排列呈环状，32片光学扩束准直透镜构成直径不同的双环形阵列结构。

所述激光二极管阵列7由32颗激光二极管构成，其中每16颗激光二极管均匀排列呈环状，32颗激光二极管构成直径不同的的双环形阵列结构，本例激光二极管型号为splll90_3，激光波长为905nm，峰值功率70w，能实现30ns窄带脉冲，激光参数完全满足系统设计要求，激光二极管阵列7与光学扩束准直透镜阵列6在结构布置和形状大小上完全一致，并最终相互贴合在一起，使得每颗激光都透过光学扩束准直透镜发出，达到扩束和准直的效果，激光二极管阵列功率较大，激光波长与自然光波长相差甚远，以在带通滤波片作用下更好的滤除自然光干扰，激光二极管选用半导体激光二极管，本例对于探测距离的影响在激光发射组件主要受制于激光功率，因此选用的单颗激光二极管峰值功率较高，其次，光学扩束准直透镜主要为了防止发射的激光过于集中导致探测精度下降，也同时为了扩大激光所能照射的范围。

所述激光驱动电路8设有两片mosfet驱动el7104cs芯片，两片el7104cs芯片分别驱动一个环状激光二极管阵列，使得上升和下降延时很低，时钟速率较快。

所述长焦镜头9的外径与光学扩束准直透镜阵列6和激光二极管阵列7的环状内径均保持一致，使得长焦镜头9刚好插入光学扩束准直透镜阵列6和激光二极管阵列7的环状内径，以达到激光同孔收发的目的，有效利用激光和提升探测精度，本例长焦镜头9采用50mm定焦镜头，探测距离能达到100m。

所述带通滤波片10的直径与长焦镜头9末端直径一致并置于长焦镜头9的末端，以达到完全过滤经过长焦镜头9的光线，本例激光波长选用905nm、太阳光的全光谱图以及结合面阵ccd传感器11光谱灵敏度特性曲线图综合考虑选用带通范围为900nm至910nm的带通滤波片，目的是滤除环境光的干扰和保证激光的有效通过。

长焦镜头9与激光发射组件中的32颗激光二极管阵列组成同孔收发模型，保证尽可能的将所发出去的激光二极管阵列产生的回波有效的被长焦镜头回收，提高探测精度，当回波回到接收端时，通过长焦镜头经过带通滤波片滤除环境光后到达面阵ccd传感器传感面上在电子快门的控制下进行实时成像，由于镜头在生产制造的误差，需要进行几何矫正，消失因几何失真带来的畸变，达到更加精确的探测效果，因此可以使用张正友标定发进行镜头几何参数标定，利用focchart平板进行视场角的实际测量。

所述面阵ccd传感器11为具有彩色成像效果的面阵ccd传感器，为后期图像数据处理减少了很大的工作量，以面阵ccd传感器icx429akl为例，有效像素能达到752x582，靶向面积1/2，能实现实时高分辨率成像，参照图2系统成像时序原理图，面阵ccd传感器控制信号sub和vt分别负责清空面阵ccd传感器内电荷和转移光强积累的电荷，在电荷清空时至光强积累后转移结束这段时间，也即是面阵ccd传感器的曝光时间内，激光二极管阵列光源发出激光达到目标物体产生回波并回收至面阵ccd传感器，完成一次成像，也即一次光强在时间上的积分，根据探测距离的不同，为了获得更好的探测效果，依照图2系统成像时序原理图，可以设置不同的积分次数，也即多次曝光成像，面阵ccd传感器11的感光面正对带通滤波片10的非镀膜面，面阵ccd传感器11的输出端与adc芯片转换电路13模拟输入端连接，以获取彩色图像进行数字化处理，同时面阵ccd传感器11采用稳定的电源转换系统保证面阵ccd传感器驱动电路12的稳定高效的工作。

采用本例制作的基于面阵ccd的三维实时成像激光雷达系统，若采用分辨率更高的面阵ccd传感器11、焦距更大的长焦镜头9，其角分辨率仍然可以做的更高，探测距离仍然可以更远。

所述面阵ccd传感器驱动电路12采用高速驱动芯片cxd1267an和整流芯片74ac04m共同构成，保证面阵ccd传感器上高速电子快门时序的质量，实现高质量成像。

所述电源转换模块4是通过在fpga主控芯片16引出5v电平，在模拟放大电路和电源转换芯片的作用下进行电流电压转换，以满足系统各个模块所需要的电流电压标准，以保证系统稳定有效的工作。

本例电源转换模块4采用数字芯片构成，减少模拟电路对于电压输出稳定性产生的干扰，提升整个系统的时序工作稳定性，电源转换模块4由max685芯片构成的电压转换电路和由lm2924n芯片构成的电压放大电路组成，其中max685芯片构成的电压转换电路主要为面阵ccd传感器驱动电路12提供电源支持，lm2924n芯片构成的电压放大电路主要为激光驱动电路8提供电源支持。

参照图3，系统工作流程为：首先读取usb设备，即基于面阵ccd的三维实时成像激光雷达系统的下位机部分，打开usb设备，此时在pc终端5界面上设置激光二极管阵列发射激光的开始时间、光脉冲宽度、面阵ccd传感器打开和关闭时间、重复积分次数，设置好系统参数指令后即可发送参数指令至三维实时成像激光雷达系统的下位机部分执行，当面阵ccd传感器成像组件采集到的图像达到数据处理模块时即进行数据滤波、图像加权等预处理工作和深度像恢复工作，最后将获得3d像实时传输至pc终端进行进一步的矫正和显示。

本例的成像原理为：从彩色ccd传感器成像组件生成的二维图像恢复3d像需要知道激光回波的飞行时间，这里采用间接tof算法。

激光二极管阵列产生波长为λ光脉冲串，经目标反射后，在电子快门控制的曝光时间内分别采集三个光脉冲，采集时间间隔为τ，则有：

ti＝t0+iδt

其中t0是初始选通时间，δt是步进时间，i是自然数序号，可分别得到在彩色面阵ccd传感器上的光强积累，面阵ccd图像传感器采集的前后两帧图像，光强随距离的变化如下式所示：

式中，s表示前一帧图像中目标物体的距离，s’表示后一帧图像中目标物体的距离，c表示光速，t表示时间，p(t-2s/c)表示波长为λ的光脉冲波形，g(t)为接收器增益的功率-时间函数，

由上式可知，对同一目标物体上的同一点的反射光在图像传感器上的光强积累是随积分时间变化的，积分时间和脉冲发射时刻以及图像传感器接收时间有关，假设图像传感器对目标物体的同一像素点多次曝光均能够对所采集的脉冲信号进行光强积分，则对同一像素点可得到多条梯形积分曲线图，每条积分曲线图都有一个顶点，通过多个梯形顶点即可拟合一条曲线，以此得到较好的测量精度，根据图像加权法求出曲线的顶点所对应的横坐标，即可知道飞行时间，图像加权法表述为：假设第i次的时间延迟为ti，面阵ccd图像传感器上积累的光强为i(si)，取出同一像素多帧的最小值min(i(si))，令：

ai＝i(si)-min(i(si))

＝∫p(t-2s/c)g(t)dt-min(∫p(t-2s/c)g(t)dt)

则横坐标t为：

t＝2s/c＝a^-1∑(i(si)-min(i(si)))ti

＝a^-1∑(∫p(t-2s/c)g(t)dt-min(∫p(t-2s/c)g(t)dt))ti，

式中，ti为i次延迟时间的整数累加和，a为ai累积和值∑ai，该顶点的横坐标t表示脉冲信号的往返时间，根据公式即可求出目标物体的距离信息，其中z表示距离信息，c表示光在真空中的飞行时间，t是光信号经过整个飞行过程的总时间，n是光学在介质中的折射率，在干净的空气中，n≈1，最后，根据求得的各像素点的距离信息获得3d像。

根据激光测距原理可知，系统输出的是带有距离信息的深度图像，不是准确的距离值，为了得到距离值，需要知道深度值-距离对应的关系，做距离标定可以得到深度值-距离曲线。

本例的工作原理为：采用大功率激光发射组件1对成像视场内的目标区域进行泛光照明，大功率激光发射组件1中激光二极管阵列7按方波驱动，激光经过目标反射后，到达面阵ccd传感器成像组件，在面阵ccd图像传感器上电子快门控制的曝光时间内，可在面阵ccd图像传感器上产生光强积累，形成一帧模拟图像，然后图像到达数据处理模块3，经过adc芯片转换电路转换为数字图像之后存储于sdram存储芯片14，随即在fpga主控芯片16上实时进行图像滤波、图像加权、3d像恢复工作，再经过usb转串口15将fpga主控芯片16恢复得到的3d像实时传输至pc终端5上进行矫正和显示。