技术领域

本发明涉及一种成像雷达系统， 尤其涉及一种基于飞行光谱的三维成像雷 达系统及方法。

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。 三维成像雷达是一种能具有 测距能力的成像系统， 系统由发射、 接收和信息处理等部分组成。 目前雷达测 距的原理可概分为飞行时间测量、 相位差测量和三角测量等三种方法。

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。 另外一种方法是使用每一单元都具有 脉冲探测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 制功能的增强 CCD ( ICCD ) , 目前无扫描激光三维雷达基本上都是采用这种 方法， 这种方法测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。

另外一种方法是相位测量法， 这种方法是通过调制光源， 利用反射光与参 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 勺局限， 这种方法 有测量距离上的限制， 测量距离只有数十米， 测量精度也不高。 目前也有借助 增强 CCD ( ICCD ) 实现面阵相位测量法的雷达系统。

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 是适用的测量距离更短， 常用于精密模具制造、 集成电路、 SMT 电路板检测等 场合。 目前也有用不同颜色编码在二维空间中投射出 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测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 应的探测 器。

近年来在 Optics Letters上报道了法国科学家使用微秒激光脉冲� �高速 CCD 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，� ��由于采用了激光器灯昂贵器件， 系统总体成本依然较高， 且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 ， 提供一种基于多次积分的 三维成像雷达系统及方法。 本发明利用相对低廉的 LED/激光光源和普通 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： 一种基于多次积分的三维成 像雷达系统， 它包括： LED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， LED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 LED光源产生一系列光脉冲串， 这些光脉冲串照射在物体上， 物体会依次 将光反射回来； 反射回来的光经过光带通滤波器被图像传感器 感光， 在图像传 感器上形成图像； 对同一脉冲的反射光， 图像传感器在电子快门的作用下在对 其连续三次曝光成像， 通过数据处理器对这三幅幅图像的分析就能获 得物体的 轮廓信息和距离信息， 最后通过显示终端将结果显示出来； 所述 LED光源是由 能产生微秒、 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。

一种应用上述系统的基于多次积分的三维成像 方法， 包括以下步骤： 包括以下步骤：

( 1 ) LED光源产生一个光脉冲， 在电子快门控制的曝光时间内， 图像传感器连 续采集三个由这个脉冲光在同一位置物体反射 回来的光波， 采集时间间隔为 r， 得到前后三帧图像， 其中前两帧图像像素数较低， 后一帧图像像素较数高；

( 2 ) 通过像素合并的方式将第三帧图像拟合成与前 两帧图像相同像素的图像， 可得第三帧图像的高像素与低像素图像， 其中高像素图像由于像素较高包含了 较多的物体轮廓信息；

( 3 )通过数据处理器对前两帧图像和第三帧图像� �低像素图像进行处理， 得到 物体的距离信息点； 波长为 A的光采集的两帧图像中产生的光强随距离的� �化分别满足：

I (S) = fx (t - 2S / C)g{t)dt；

I (S') = f ^+T x (t - 2S' I C)g{t)dt 其中， S表示前一帧的距离， 表示后一帧的距离， C表示光速， t表示时 间， (i 表示波长 的前一帧的光脉冲波形， c表示权重， (i - 25V )表 示波长 的后一帧的光脉冲波形， g(t)表示电子快门的波形， Γ表示积分时间； 由上两式： 可知对于同一距离物体的反射光在图像传感器 上的光强积分时 间是有长短的， 积分时间长的光强积分就大， 积分时间短的光强积分就小； 图 像传感器三次曝光都能够对所采集的光波进行 光强积分， 对于同一像素点可以 得到三条积分曲线图， 且由于 CCD采集光波是光强在时域上的卷积， 每个积分 曲线都有一个顶点， 三个点就能确定一条二次曲线， 通过该曲线可以求出曲线 的顶点， 该顶点的横坐标就表示信号光往返的时间， 即是物体的距离信息点；

(4 ) 数据处理器结合步骤 （3 ) 获得的物体的距离信息点和第三帧图像的轮廓 信息即可得到物体具体距离信息， 并最终在显示终端 6上显示出来。

本发明的有益效果是， 本发明利用图像传感器感光器件的工作过程是 一个 光强积分过程， 通过图像传感器在不同时间内的感光会得到在 不同时间域内的 积分图， 通过两个积分图的相除比较可以获取目标的距 离及深度信息， 采用连 续三次曝光获得整个景深范围内所有反射物体 的位置分， 减少了数据处理的难 度， 获得抗干扰性更强、 精度更高的三维图像。 与传统三维激光雷达对于光源 和探测器要求达到纳秒级速度的要求不同， 本发明可以采用普通的 LED光源和 普通 CCD或 CMOS面阵来实现三维成像雷达， 不仅大大降低了系统成本， 而且 可以实现高速、 高分辨率三维成像， 有可能开创三维成像雷达在汽车、 直升飞 机等交通工具防撞、 三维地形测绘等领域的新应用。

附图说明

图 1是本发明基于多次积分的三维成像雷达系统� �理示意图；

图 2是利用延时双面阵 CCD或 CMOS时域卷积成像信号实现单次成像距离 探测的原理示意图；

图中： LED光源 1、 光带通滤波器 2、 图像传感器 3、 电子快门 4、 数据处理 器 5、 显示终端 6、 分光镜 7。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明， 本发明的目的和效果将变得更加明显。 如图 1所示， 本发明基于多次积分的三维成像雷达系统， 它包括： LED光源 1、 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; 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， LED光源 1 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 LED光源 1产生一系列光脉冲串， 这些光脉冲串照射在物体上， 物体会依次 将光反射回来； 反射回来的光经过光带通滤波器 2被图像传感器 3感光， 在图 像传感器 3上形成图像； 对同一脉冲的反射光， 图像传感器在电子快门的作用 下在对其连续三次曝光成像， 通过数据处理器 5对这三幅幅图像的分析就能获 得物体的轮廓信息和距离信息， 最后通过显示终端 6将结果显示出来

LED光源 1是由能产生微秒纳秒级光脉冲的一个或多个� �冲光源组成，所述 脉冲光源为 LED或者激光器。

光带通滤波器 2是一种设置在图像传感器 3上、 只容许某一设定波长范围 光通过的光学器件， 如彩色 CMOS或 CCD前设置的 RGB滤光片。

图像传感器 3是一种由电子快门 4控制曝光时间、 帧频能达到 60帧以上的 图像传感 CMOS或者 CCD器件。

电子快门 4是设置在图像传感器 3上， 能将全局曝光时间控制在 20微秒以 下的电子装置或部件。

数据处理器 5可以由单片机、 嵌入式系统或 PC机来实现， 数据处理器 5的 工作过程如下：

( 1 ) 数据处理器 5发出控制 LED光源 1产生光脉冲的电信号；

(2 ) 数据处理器 5在精确控制延时后， 发出同步脉冲控制电子快门 4， 达到控 制曝光时间的目的并控制图像传感器曝光的延 时间隔；

(3 ) 图像传感器 3将采集的图像数据传输至数据处理器 5;

(4) 数据处理器 5对获取的图像信号进行处理， 同时输出图像到显示器 6;

(5 ) 准备下一光脉冲和下一帧图像的采集。

本发明基于多次积分的三维成像方法， 包括以下步骤：

1、 LED光源 1产生一个光脉冲， 在电子快门 4控制的曝光时间内， 图像传感器 3连续采集三个由这个脉冲光在同一位置物体� �射回来的光波，采集时间间隔为 τ , 得到前后三帧图像， 其中前两帧图像像素数较低， 后一帧图像像素较数高；

2、 通过像素合并的方式将第三帧图像拟合成与前 两帧图像相同像素的图像， 可 得第三帧图像的高像素与低像素图像， 其中高像素图像由于像素较高包含了较 多的物体轮廓信息。

3、 通过数据处理器 5对前两帧图像和第三帧图像的低像素图像进� �处理， 得到 物体的距离信息点。

波长为 A的光采集的两帧图像中产生的光强随距离的� �化分别满足：

I (S) = fx (t - 2S / C)g{t)dt； I (S') = f ^+T x (t - 2S' I C)g{t)dt 其中， S表示前一帧的距离， 表示后一帧的距离， C表示光速， t表示时 间， (i 表示波长 的前一帧的光脉冲波形， c表示权重， (t - 25 i7)表 示波长 的后一帧的光脉冲波形， g(t)表示电子快门的波形， Γ表示积分时间。

由上两式： 可知对于同一距离物体的反射光在图像传感器 3上的光强积分 时间是有长短的， 积分时间长的光强积分就大， 积分时间短的光强积分就小； 图像传感器 3三次曝光都能够对所采集的光波进行光强积� �， 对于同一像素点 可以得到三条积分曲线图， 且由于 CCD采集光波是光强在时域上的卷积， 每个 积分曲线都有一个顶点， 三个点就能确定一条二次曲线， 通过该曲线可以求出 曲线的顶点， 该顶点的横坐标就表示信号光往返的时间， 即是物体的距离信息 点。

4、 数据处理器 5结合步骤 3获得的物体的距离信息点和第三帧图像的轮� �信息 即可得到物体具体距离信息， 并最终在显示终端 6上显示出来。

图 2给出利用延时双面阵 CCD或 CMOS时域卷积成像信号实现单次成像距 离探测的原理示意图。 图中 LED光源 1产生波长 ^的光脉冲， 脉冲的脉宽为 η。 电子快门 4的延迟时间为^ 门宽为 r ₃ ， 图像传感器 3曝光间隔为 r， 图像传感器 3 获得的目标光强度是脉冲回波与电子快门门宽 相重叠部分的积分， 强度和距离 存在如图所示的对应关系。 选择合适的波长和 η、 r ₂ 、 r ₃ 、 ^参数， 通过电子快 门的时间控制， 图像传感器 3获得了前后三组卷积波形图， 通过三组卷积波形 图顶点的位置及大小来确定物体这个像素点的 距离信息。