一種非掃描高速激光三維成像方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】一種非掃描高速激光三維成像方法及系統(tǒng)
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種激光主動(dòng)成像系統(tǒng)，特別是一種非掃描高速激光三維成像方法及成像系統(tǒng)，屬于激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0003]目前的激光三維(3D)成像技術(shù)主要為掃描式激光三維成像儀，它是采用單元探測(cè)器或線陣探測(cè)器，利用二維逐點(diǎn)掃描方式或一維逐線掃描方式測(cè)量并獲取視場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的高度信息，最終合成處理。這種掃描式激光三維成像儀存在著成像速率慢、激光器工作頻率高、功耗大、數(shù)據(jù)拼接精度低等缺點(diǎn)。在數(shù)百米最大距離工作時(shí)，為在30° X 30°視場(chǎng)范圍內(nèi)達(dá)到0.1m的分辨率，需要使激光器在上兆赫茲的頻率下工作，才能在數(shù)秒鐘內(nèi)得到一幅三維數(shù)據(jù)，在數(shù)秒鐘內(nèi)飛行器視場(chǎng)所包含的區(qū)域也在變化，再加上飛行器平臺(tái)的振動(dòng)或抖動(dòng)，容易造成數(shù)據(jù)拼接困難、測(cè)量精度低等問(wèn)題，所以掃描式激光三維成像儀不適于要求精度高、平臺(tái)有振動(dòng)和抖動(dòng)的應(yīng)用中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成像速度快、測(cè)量精度高的非掃描高速激光三維成像方法及非掃描高速激光三維成像系統(tǒng)，從而克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種非掃描高速激光三維成像方法，該方法是通過(guò)激光發(fā)射陣列發(fā)射調(diào)制的激光束來(lái)照射被照對(duì)象，被照對(duì)像將激光束漫反射回去，再由激光接收面陣獲取激光束的距離數(shù)據(jù)云和角度數(shù)據(jù)云，并通過(guò)基于FPGA控制器對(duì)激光束的距離數(shù)據(jù)云和角度數(shù)據(jù)云進(jìn)行運(yùn)算，獲得各個(gè)激光點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，從而得到三維圖像的數(shù)據(jù)。
[0006]上述的非掃描高速激光三維成像方法中，所述的基于FPGA控制器用于對(duì)激光陣列進(jìn)行脈沖調(diào)制和控制發(fā)射和接收，其速度可以達(dá)到I秒鐘1000幅圖片，且精度在控制距離內(nèi)可以達(dá)到毫米級(jí)。
[0007]—種非掃描高速激光三維成像系統(tǒng)，其構(gòu)成包括激光發(fā)射陣列、激光發(fā)射光學(xué)結(jié)構(gòu)、激光發(fā)射調(diào)制器、激光接收面陣、激光接收光學(xué)結(jié)構(gòu)、激光接收解調(diào)器、基于FPGA控制器和數(shù)據(jù)傳輸接口，激光發(fā)射陣列連接激光發(fā)射光學(xué)結(jié)構(gòu)，激光發(fā)射調(diào)制器連接激光發(fā)射陣列；激光接收面陣連接激光接收光學(xué)結(jié)構(gòu)，激光接收解調(diào)器連接激光接收面陣；激光發(fā)射調(diào)制器和激光接收解調(diào)器連接基于FPGA控制器；基于FPGA控制器連接數(shù)據(jù)傳輸接口。
[0008]上述的非掃描高速激光三維成像系統(tǒng)中，激光發(fā)射光學(xué)結(jié)構(gòu)是由激光發(fā)射陣列腔體、激光調(diào)焦支架和激光聚焦鏡頭構(gòu)成，激光發(fā)射陣列腔體連接激光調(diào)焦支架，激光聚焦鏡頭安裝在激光調(diào)焦支架上。
[0009]上述的非掃描高速激光三維成像系統(tǒng)中，所述的激光接收光學(xué)結(jié)構(gòu)是由激光接收面陣腔體、濾光鏡片、接收鏡片支架、接收激光平透鏡構(gòu)成，濾光鏡片裝在激光接收面陣腔體內(nèi)，接收鏡片支架連接激光接收面陣腔體，接收激光平透鏡固定安裝在接收鏡片支架上。
[0010]上述的非掃描高速激光三維成像系統(tǒng)中，所述的數(shù)據(jù)傳輸接口優(yōu)選為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接口，也可以根據(jù)需要采用其他數(shù)據(jù)傳輸接口。
[0011]有益效果:本發(fā)明的非掃描三維成像技術(shù)是利用激光一次照射整個(gè)目標(biāo)，目標(biāo)上每個(gè)像元的深度信息通過(guò)面陣探測(cè)器一次被測(cè)量出來(lái)，具有成像速率快、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。這種非掃描激光三維成像技術(shù)是一種全新的激光三維成像技術(shù)，它與傳統(tǒng)的掃描式激光三維成像儀在工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)和適用領(lǐng)域等方面存在著很大的差異，它的出現(xiàn)在激光成像技術(shù)的發(fā)展中具有劃時(shí)代的意義，是一次跨越式的進(jìn)步。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明沒(méi)有掃描裝置，不需要掃描的機(jī)械傳動(dòng)部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了機(jī)械故障發(fā)生概率，操作更加方便，而且從發(fā)射到接收都是采用電子控制，獲取三維圖像的速度更快，精度更高。本發(fā)明應(yīng)用在智能設(shè)備上，可使智能設(shè)備在視覺(jué)方面更加的靈敏，精度更高；應(yīng)用在機(jī)器視覺(jué)方面，可提高機(jī)器人識(shí)別物體的反應(yīng)速度和精度，應(yīng)用在3D打印機(jī)方面，可以使前期的測(cè)繪工作更加快速和簡(jiǎn)便，不需要人工去畫圖和設(shè)計(jì)；應(yīng)用在軍事上可以測(cè)出動(dòng)態(tài)爆炸物的運(yùn)動(dòng)軌跡；應(yīng)用在汽車上可以設(shè)計(jì)成防碰撞系統(tǒng)，對(duì)目標(biāo)識(shí)別比超聲波識(shí)別更快捷更靈敏和安全。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；
圖2是本發(fā)明的激光發(fā)射光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的激光接收光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例1:如圖1所示，包括激光發(fā)射陣列1、激光發(fā)射光學(xué)結(jié)構(gòu)2、激光發(fā)射調(diào)制器3、激光接收面陣4、激光接收光學(xué)結(jié)構(gòu)5、激光接收解調(diào)器6、基于FPGA控制器7和數(shù)據(jù)傳輸接口 8，基于FPGA控制器用于對(duì)激光陣列進(jìn)行脈沖調(diào)制和控制發(fā)射和接收，其速度可以達(dá)到I秒鐘1000幅圖片，且精度在控制距離內(nèi)可以達(dá)到毫米級(jí)。激光發(fā)射陣列I連接激光發(fā)射光學(xué)結(jié)構(gòu)2，激光發(fā)射調(diào)制器3連接激光發(fā)射陣列I ;激光接收面陣4連接激光接收光學(xué)結(jié)構(gòu)5，激光接收解調(diào)器6連接激光接收面陣4 ;激光發(fā)射調(diào)制器3和激光接收解調(diào)器6連接基于FPGA控制器7 ;基于FPGA控制器7連接數(shù)據(jù)傳輸接口 8，數(shù)據(jù)傳輸接口 8為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接口，也可根據(jù)需要選擇其他類型的數(shù)據(jù)傳輸接口。激光發(fā)射光學(xué)結(jié)構(gòu)2由激光發(fā)射陣列腔體9、激光調(diào)焦支架10和激光聚焦鏡頭11構(gòu)成(如圖2所示)，激光發(fā)射陣列腔體9連接激光調(diào)焦支架10，激光聚焦鏡頭11固定安裝在激光調(diào)焦支架10上。激光接收光學(xué)結(jié)構(gòu)5由激光接收面陣腔體12、濾光鏡片13、接收鏡片支架14、接收激光平透鏡15構(gòu)成(如圖3所示)，濾光鏡片13裝在激光接收面陣腔體12內(nèi)，接收鏡片支架14連接激光接收面陣腔體12，接收激光平透鏡15固定安裝在接收鏡片支架14上。
[0015]工作原理:通過(guò)激光發(fā)射陣列I和激光發(fā)射調(diào)制器3發(fā)射調(diào)制的激光束來(lái)照射被照對(duì)象，然后調(diào)節(jié)激光發(fā)射光學(xué)結(jié)構(gòu)2中的激光調(diào)焦支架10和激光接收光學(xué)結(jié)構(gòu)5中的接收鏡片支架14，使焦距和光圈得到物體的清哳圖像，然后通過(guò)基于FPGA控制器7控制激光接收面陣4和激光接收解調(diào)器6，獲取激光束的距離數(shù)據(jù)云和角度數(shù)據(jù)云，并通過(guò)基于FPGA控制器7對(duì)激光束的距離數(shù)據(jù)云和角度數(shù)據(jù)云進(jìn)行運(yùn)算，獲得各個(gè)激光點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸接口 8得到物體的三維圖像數(shù)據(jù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種非掃描高速激光三維成像方法，其特征在于:它是通過(guò)激光發(fā)射陣列發(fā)射調(diào)制的激光束來(lái)照射被照對(duì)象，被照對(duì)像將激光束漫反射回去，再由激光接收面陣獲取激光束的距離數(shù)據(jù)云和角度數(shù)據(jù)云，并通過(guò)基于FPGA控制器對(duì)激光束的距離數(shù)據(jù)云和角度數(shù)據(jù)云進(jìn)行運(yùn)算，獲得各個(gè)激光點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，從而得到一個(gè)三維圖像的數(shù)據(jù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非掃描高速激光三維成像方法，其特征在于:所述的基于FPGA控制器用于對(duì)激光陣列進(jìn)行脈沖調(diào)制和控制發(fā)射和接收，其速度達(dá)到I秒鐘1000幅圖片且精度在控制距離內(nèi)可以達(dá)到毫米級(jí)。3.—種非掃描高速激光三維成像系統(tǒng)，包括激光發(fā)射陣列(1)、激光發(fā)射光學(xué)結(jié)構(gòu)(2)、激光發(fā)射調(diào)制器(3)、激光接收面陣(4)、激光接收光學(xué)結(jié)構(gòu)(5)、激光接收解調(diào)器(6)、基于FPGA控制器(7)和數(shù)據(jù)傳輸接口(8)，其特征在于:所述的激光發(fā)射陣列(I)連接激光發(fā)射光學(xué)結(jié)構(gòu)(2)，激光發(fā)射調(diào)制器(3)連接激光發(fā)射陣列(I);激光接收面陣(4)連接激光接收光學(xué)結(jié)構(gòu)(5 )，激光接收解調(diào)器(6 )連接激光接收面陣(4);激光發(fā)射調(diào)制器(3 )和激光接收解調(diào)器(6 )連接基于FPGA控制器(7 );基于FPGA控制器(7 )連接數(shù)據(jù)傳輸接口( 8 )。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非掃描高速激光三維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的激光發(fā)射光學(xué)結(jié)構(gòu)(2)由激光發(fā)射陣列腔體(9)、激光調(diào)焦支架(10)和激光聚焦鏡頭(11)構(gòu)成，激光發(fā)射陣列腔體(9)連接激光調(diào)焦支架(10)，激光聚焦鏡頭(11)固定安裝在激光調(diào)焦支架(10)上。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非掃描高速激光三維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的激光接收光學(xué)結(jié)構(gòu)(5)由激光接收面陣腔體(12)、濾光鏡片(13)、接收鏡片支架(14)、接收激光平透鏡(15)構(gòu)成，濾光鏡片(13)裝在激光接收面陣腔體(12)內(nèi)，接收鏡片支架(14)連接激光接收面陣腔體(12)，接收激光平透鏡(15)固定安裝在接收鏡片支架(14)上。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非掃描高速激光三維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)傳輸接口( 8 )為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接口。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非掃描高速激光三維成像方法及系統(tǒng)，它是通過(guò)激光發(fā)射陣列發(fā)射調(diào)制的激光束來(lái)照射被照對(duì)象，被照對(duì)像將激光束漫反射回去，再由激光接收面陣獲取激光束的距離數(shù)據(jù)云和角度數(shù)據(jù)云，并通過(guò)基于FPGA控制器對(duì)激光束的距離數(shù)據(jù)云和角度數(shù)據(jù)云進(jìn)行運(yùn)算，獲得各個(gè)激光點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，從而得到一個(gè)三維圖像的數(shù)據(jù)。本發(fā)明是一種全新的激光三維成像技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成像速率快、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的掃描式激光三維成像儀在工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)和適用領(lǐng)域等方面存在著很大的差異，在激光成像技術(shù)的發(fā)展中具有劃時(shí)代的意義，是一次跨越式的進(jìn)步。
【IPC分類】G01S17/89
【公開號(hào)】CN105182360
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510477320
【發(fā)明人】王棱馨, 曹國(guó)鵬, 吳勁峰
【申請(qǐng)人】王棱馨, 曹國(guó)鵬, 吳勁峰
【公開日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年8月7日