CN113484876A - 一种激光三维凝视成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光三维凝视成像系统，包括：脉冲激光发射模块、回波信号接收光学系统、相位调制模块、微偏振探测模块和电延迟器；其中，脉冲激光发射模块产生脉冲激光；回波信号接收光学系统将待测目标散射的激光信号整形为平行光回波信号；相位调制模块将平行光回波信号进行相位调制得到偏振光信号；微偏振探测模块根据偏振光信号的偏振角得到相位调制量，根据相位调制量与脉冲激光的飞行时间一一对应的关系得到多个目标距离信息，根据多个目标距离信息采集得到一幅目标三维图像。本发明将光子飞行时间测量问题转换为相位信息的测量，借助强度探测器的高横向分辨特点，形成一种创新性的高分辨激光三维凝视成像探测模式。

Description

一种激光三维凝视成像系统

技术领域

本发明属于遥感科学和激光三维成像技术领域，尤其涉及一种激光三维凝视成像系统。

背景技术

激光雷达是一项正在迅速发展的高新技术，在军用、民用等领域具有广泛应用。现有的高分辨激光三维成像技术，主要采用扫描型和凝视型探测体制。扫描型激光三维成像雷达，一般采用点扫描机制或者线扫描机制，通过大范围循环扫描来获取大量的点云数据，进而重建出一幅三维图像。采用扫描方式虽增大了成像分辨率，但也限制了三维成像帧频，提高了激光雷达的工程技术复杂度；(2)凝视型激光三维成像雷达，是使用凝视成像体制的“并行”探测方式替代扫描成像体制的“串行”探测方式，从而实现激光往返飞行时间的并行同步测量。该方式虽不需要复杂的扫描机构，但受限于当前面阵计时探测器的像素数量与计时电路带宽，即使采用当前最先进的大面阵激光探测器，仍无法大幅提高激光三维成像分辨率。

综上所述，当前激光三维成像技术受限于计时探测器的像素数量和带宽指标，往往需要增设复杂扫描机构来提升分辨率，从而限制了激光雷达在大区域目标搜索、运动目标快速成像、目标实时识别与跟踪的应用。采用大面阵三维成像器件是解决扫描型激光雷达更新频率慢、实现目标快速检测的必要途径。

现有的大面阵APD三维成像器技术仍不成熟，而传统采用CCD的激光三维成像技术又无法同时实现高精度、高帧频、高分辨的激光三维成像。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种激光三维凝视成像系统，结合激光回波信号相位调制和微偏振阵列探测，将光子飞行时间测量问题转换为相位信息的测量，借助强度探测器的高横向分辨特点，形成一种创新性的高分辨激光三维凝视成像探测模式。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种激光三维凝视成像系统，包括：脉冲激光发射模块、回波信号接收光学系统、相位调制模块、微偏振探测模块和电延迟器；其中，所述脉冲激光发射模块产生脉冲激光，并对脉冲激光进行扩束准直后照射待测目标；所述回波信号接收光学系统接收待测目标散射的激光信号，并将待测目标散射的激光信号整形为平行光回波信号；所述相位调制模块将平行光回波信号进行相位调制得到偏振光信号；其中，相位调制量与脉冲激光的飞行时间一一对应；所述微偏振探测模块用于测量偏振光信号的偏振角，根据偏振光信号的偏振角得到相位调制量，根据相位调制量与脉冲激光的飞行时间一一对应的关系得到多个目标距离信息，根据多个目标距离信息采集得到一幅目标三维图像；所述电延迟器分别与微偏振探测模块和脉冲激光发射模块相连接，所述电延迟器用来控制微偏振探测模块中的CCD相机启动积分的时刻。

上述激光三维凝视成像系统中，所述脉冲激光发射模块包括脉冲激光器和光束扩束器；其中，所述脉冲激光器产生脉冲激光；所述光束扩束器对脉冲激光进行扩束准直后照射待测目标。

上述激光三维凝视成像系统中，所述回波信号接收光学系统为卡塞格林望远系统。

上述激光三维凝视成像系统中，所述相位调制模块包括线偏振片、电光调制晶体和四分之一波片；其中，所述线偏振片将平行光回波信号变成线偏振光信号，其中，线偏振光信号的偏振方向与电光调制晶体的快轴和慢轴成45度；所述电光调制晶体将线偏振激光信号变为椭圆偏振光信号；所述四分之一波片将椭圆偏振光信号变为偏振光信号。

上述激光三维凝视成像系统中，所述微偏振探测模块包括带通滤光片、微偏振阵列和CCD相机；其中，所述带通滤光片用于去除偏振光信号中的环境噪声；所述微偏振阵列测量得到去除环境噪声的偏振光信号的偏振角，根据偏振角得到相位调制量，根据相位调制量与脉冲激光的飞行时间一一对应的关系得到多个目标距离信息；所述CCD相机根据多个目标距离信息采集得到一幅目标三维图像。

上述激光三维凝视成像系统中，所述微偏振阵列包括多个四象限偏振片子阵列，其中，每个四象限偏振片子阵列用于测量去除环境噪声的偏振光信号的偏振I、Q、U、V分量，根据去除环境噪声的偏振光信号的偏振I、Q、U、V 分量得到去除环境噪声的偏振光信号的偏振角，根据偏振角得到相位调制量，根据相位调制量与脉冲激光的飞行时间一一对应的关系得到每个四象限偏振片子阵列中心所对应的目标距离信息。

上述激光三维凝视成像系统中，电光调制晶体的供电电压V(t)与线偏振光信号的e光和o光相位差

之间的关系为：

其中，n₀是电光调制晶体中o光折射率，r₆₃是电光调制晶体的电光张量系数，λ是脉冲激光波长，V_π为半波电压,t为脉冲激光的飞行时间。

上述激光三维凝视成像系统中，每个四象限偏振片子阵列由0°、90°、45°和135°四个线偏振片单元构成；其中，

0°、45°、90°和135°的线偏振分量光强表示为：

根据I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅得到相位调制量

为：

其中，I₀为0°的线偏振分量光强，I₄₅为45°的线偏振分量光强，I₉₀为90°的线偏振分量光强，I₁₃₅为135°的线偏振分量光强。

上述激光三维凝视成像系统中，脉冲激光的飞行时间t和相位调制量

的关系为：

其中，T_m为调制电压波形宽度，τ为电压调制延迟时间。

上述激光三维凝视成像系统中，每个四象限偏振片子阵列中心所对应的目标距离信息通过以下公式得到：

其中，L为每个四象限偏振片子阵列中心所对应的目标距离信息，c为光速。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明不再像传统的激光测距那样由激光脉冲宽度、电路系统的时间分辨来决定，本发明的激光三维凝视成像系统的距离分辨率由电延迟器的延迟时间误差，调制电压波形宽度误差，以及微偏振探测组件获取的回波信号的波动来决定的。这些误差往往可以得到很好的控制，所以本发明的激光三维凝视成像系统还具备高精度的距离精度特点。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的激光三维凝视成像系统的结构框图；

图2是本发明实施例提供的相位调制组件装置示意图；

图3是本发明实施例提供的偏振态测量方式示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的激光三维凝视成像系统的结构框图。如图1所示，该激光三维凝视成像系统包括：脉冲激光发射模块、回波信号接收光学系统、相位调制模块、微偏振探测模块和电延迟器。其中，

所述脉冲激光发射模块产生脉冲激光，并对脉冲激光进行扩束准直后照射待测目标；所述回波信号接收光学系统接收待测目标散射的激光信号，并将待测目标散射的激光信号整形为平行光回波信号；所述相位调制模块将平行光回波信号进行相位调制得到偏振光信号；其中，相位调制量与脉冲激光的飞行时间一一对应；所述微偏振探测模块用于测量偏振光信号的偏振角，根据偏振光信号的偏振角得到相位调制量，根据相位调制量与脉冲激光的飞行时间一一对应的关系得到多个目标距离信息，根据多个目标距离信息采集得到一幅目标三维图像；所述电延迟器分别与微偏振探测模块和脉冲激光发射模块相连接，所述电延迟器用来控制微偏振探测模块中的CCD相机启动积分的时刻。

所述脉冲激光发射模块包括脉冲激光器和光束扩束器；其中，所述脉冲激光器产生脉冲激光；所述光束扩束器对脉冲激光进行扩束准直后照射待测目标。脉冲激光器发射1550nm脉冲激光，经过激光光束扩束器后光斑变大，用来照射待测的目标。

所述回波信号接收光学系统是由卡塞格林望远系统组成的光学系统，用来将目标散射的激光信号进行收集，并将激光信号整形为平行光束。

所述的相位调制模块，是放在信号接收模块后面，用来调制激光信号的相位；所述的相位调制模块，是由线偏振片、电光调制器、四分之一波片依次组成，所述的线偏振片用来将激光回波信号变成线偏振光，同时保证偏振方向与电光调制晶体的快轴和慢轴成45度。所述的电光调制器是通过电压调制，将偏振光分解为两个偏振分量e光和o光，通过控制电压可以调制e光和o光的相位差，通过电光调制器调制的线偏振激光信号会变为椭圆偏振光。所述的四分之一波片，是用来将椭圆偏振光变回偏振光，输出偏振光的偏振角由电光晶体调制的相位差决定。

所述的微偏振探测模块，是放在相位调制模块后面，用来测量激光信号偏振角，由此计算得到电光调制器的相位调制量。所述的微偏振探测模块，是由带通滤光片、微偏振阵列、CCD相机组成；所述的带通滤光片是带宽较窄、中心波长与脉冲激光器相同的滤光片，用来抑制环境噪声；所述的微偏振阵列是由多个四象限偏振片子阵列组成，四象限偏振片子阵列用于测量激光信号的偏振I、Q、U、V分量，由此计算出激光信号的偏振角和相位调制量。根据相位调制量与光子飞行时间的对应关系，可以得到四象限偏振片子阵列中心所对应的目标距离信息。所述的相位调制量与光子飞行时间的对应关系需要在系统使用前在实验室内进行精确标定。

由于微偏振阵列是由多个四象限偏振片子阵列组成，每个四象限偏振片子阵列可以获得一个目标距离信息，微偏振探测模块可以同时获得多个目标距离信息，由此可以构建出一幅目标三维图像。目标三维图形的分辨率，由四象限偏振片子阵列个数决定。假设使用的CCD像素为M×N，通过组合可以实现(M-1) ×(N-1)个四象限偏振片子阵列，由此实现(M-1)×(N-1)激光三维成像。由于各个四象限偏振片子阵列是同时工作的，因此可以实现(M-1)×(N-1) 分辨率的激光三维凝视成像功能。

如图1所示，利用1550nm脉冲激光器作为主动照射光源，1550nm激光经过准直器后扩束，光束直径由2mm高斯光束变成200mm平顶光束，平顶光束照射值待测目标上。待测目标具有一定的方向反射特性，部分散射激光进入回波信号接收光学系统视场内。回波信号接收光学系统是采用卡塞格林望远系统，将目标的光束进行收集，并输出至相位调制组件中。

相位调制组件组成如图2所示，目的是实现回波信号的相位调制。相位调制包括线偏振片、电光调制晶体、四分之一波片。其中电光调制晶体满足条件：通光孔径足够大，不限制探测器视场；具备大的响应带宽，满足时间分辨要求；具备高速快门触发能力，为测距提供距离门调整功能。对激光回波信号的相位调制过程如下：

(1)激光回波信号经过线偏振片后变成线偏振光，电光调制晶体的快轴和慢轴分别与入射线偏振光成45°。

(2)沿电光调制晶体光轴施加变化的电压，由于电光效应，电光晶体由单轴晶体变成双轴晶体，线偏振光分解为相互垂直的两个偏振分量：o光和e光。在电光晶体供电电压V(t)为0时，e光和o光相位差

为0，随着电压V(t)的增大，相位差

也一起变化。

(3)经电光晶体调制后的线偏振光变成椭圆偏振光，椭圆偏振光的长轴和短轴相对于电光调制晶体的快轴和慢轴成45°，椭圆率的大小会随着电光调制晶体快轴和慢轴之间的相位差而变化。

(4)电光调制晶体后放置四分之一波片，波片的快轴和慢轴也相对于EOM 的快轴和慢轴成45°。这样，从电光调制晶体射出的椭圆偏振光经四分之一波片又变成线偏振光，而出射线偏振光的角度将取决于电光调制晶体产生的椭圆率或相位差。

相位差

与电压V(t)具备以下的对应关系。

其中，n_o是EOM中o光折射率，r₆₃是EOM的电光张量系数，λ是激光波长，当相位差

时，偏振分量的光程差为半个波长，对应的电压称之为半波电压V_π。其中，τ是EOM开始调制的时刻，T_m为调制门宽，这两个参数以及V(t)曲线形状都可以进行预设。相位改变量是时间的函数关系，当已知激光回波信号的相位调制量

时，就能够根据

曲线解析出激光回波的到达时间 T，并得出光子飞行时间(τ+T)以及目标的距离L。

激光回波信号经过相位调制组件后的线偏振光进入微偏振探测组件，微偏振探测组件由滤光片、微偏振片阵列和CCD相机构成。滤光片是中心波长与脉冲激光一致的窄带滤光片，用于抑制带外杂散光。为实现激光回波偏振态测量需要通过测量激光回波信号在不同角度下的偏振光强信息，采用“四象限探测器 +偏振阵列”的组合方法来实现同步测量，如图3所示。偏振片阵列由水平(0°)、垂直(90°)、左斜(45°)和右斜(135°)四个线偏振片单元构成，偏振片阵列与四象限探测器进行高精度轴对准。通过该组合方式，只需一次测量就可通过公式计算得到相位

水平(0°)、垂直(90°)、45°和135°的线偏振分量光强可以表示为

联合(2)～(5)式，相位

的计算公式为

从上述的实验步骤，可以归纳得出基于相位调制的激光测距方程。假设 EOM电压是通过线性函数式调制，得出激光回波的到达时间t与相位

的关系相位的调制函数。

T_m为调制电压波形宽度，τ为电压调制延迟时间，其对应距离门的开启时刻。根据光子飞行时间与距离的关系，构建的基于相位调制的激光测距方程为

在实际工程应用过程中，根据感兴趣目标的距离，调节τ的大小来设定距离门的开启时刻。

为了激光三维凝视成像，采用微偏振阵列实现不同视场高分辨的偏振光强信息测量。假设微偏振阵列的大小为m×n，i代表行，j代表列。根据相位调制测距方程(8)，可以通过相邻四像素的强度信息解算出中心点位置的目标距离信息。例如，通过i₁，i₂行与j₁，j₂列交汇的四个像素输出的强度信息，解算出中心点①的距离。同样地，通过i₂，i₃行与j₁，j₂四个像素输出的强度信息解算出中心点②的距离。以此类推，对m×n微偏振阵列进行遍历，即可同步获得探视场内(m-1)×(n-1)个点的距离信息，构成目标的激光三维图像。

本发明的系统能够将光子飞行时间转换相位信息，通过对回波信号进行调制来改变回波信号的相位，回波信号的相位改变量与光子飞行时间一一对应，因此可以通过相位改变量的测量来实现光子飞行时间的换算。采用四象限探测器用于测量回波信号的光强并反演出回波信号的相位，使用微偏振阵列探测模块来实现回波信号的相位改变量的测量，通过测量回波信号的偏振信息I、Q、 U、V来计算相位信息。由于相位与回波信号的飞行时间的关系是确定的，因此可以通过相位信息反演出目标距离信息，由此构建出一种“光强I→相位

→距离L”物理参量的映射关系。

本发明的激光测距精度，不再像传统的激光测距那样由激光脉冲宽度、电路系统的时间分辨来决定，本发明的激光三维凝视成像系统的距离分辨率由电延迟器的延迟时间误差，调制电压波形宽度误差，以及微偏振探测组件获取的回波信号的波动来决定的。这些误差往往可以得到很好的控制，所以本发明的激光三维凝视成像系统还具备高精度的距离精度特点。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光三维凝视成像系统，其特征在于包括：脉冲激光发射模块、回波信号接收光学系统、相位调制模块、微偏振探测模块和电延迟器；其中，

所述脉冲激光发射模块产生脉冲激光，并对脉冲激光进行扩束准直后照射待测目标；

所述回波信号接收光学系统接收待测目标散射的激光信号，并将待测目标散射的激光信号整形为平行光回波信号；

所述相位调制模块将平行光回波信号进行相位调制得到偏振光信号；其中，相位调制量与脉冲激光的飞行时间一一对应；

所述微偏振探测模块用于测量偏振光信号的偏振角，根据偏振光信号的偏振角得到相位调制量，根据相位调制量与脉冲激光的飞行时间一一对应的关系得到多个目标距离信息，根据多个目标距离信息采集得到一幅目标三维图像；

所述电延迟器分别与微偏振探测模块和脉冲激光发射模块相连接，所述电延迟器用来控制微偏振探测模块中的CCD相机启动积分的时刻。

2.根据权利要求1所述的激光三维凝视成像系统，其特征在于：所述脉冲激光发射模块包括脉冲激光器和光束扩束器；其中，所述脉冲激光器产生脉冲激光；所述光束扩束器对脉冲激光进行扩束准直后照射待测目标。

3.根据权利要求1所述的激光三维凝视成像系统，其特征在于：所述回波信号接收光学系统为卡塞格林望远系统。

4.根据权利要求1所述的激光三维凝视成像系统，其特征在于：所述相位调制模块包括线偏振片、电光调制晶体和四分之一波片；其中，

所述线偏振片将平行光回波信号变成线偏振光信号，其中，线偏振光信号的偏振方向与电光调制晶体的快轴和慢轴成45度；

所述电光调制晶体将线偏振激光信号变为椭圆偏振光信号；

所述四分之一波片将椭圆偏振光信号变为偏振光信号。

5.根据权利要求1所述的激光三维凝视成像系统，其特征在于：所述微偏振探测模块包括带通滤光片、微偏振阵列和CCD相机；其中，

所述带通滤光片用于去除偏振光信号中的环境噪声；

所述微偏振阵列测量得到去除环境噪声的偏振光信号的偏振角，根据偏振角得到相位调制量，根据相位调制量与脉冲激光的飞行时间一一对应的关系得到多个目标距离信息；

所述CCD相机根据多个目标距离信息采集得到一幅目标三维图像。

6.根据权利要求5所述的激光三维凝视成像系统，其特征在于：所述微偏振阵列包括多个四象限偏振片子阵列，其中，每个四象限偏振片子阵列用于测量去除环境噪声的偏振光信号的偏振I、Q、U、V分量，根据去除环境噪声的偏振光信号的偏振I、Q、U、V分量得到去除环境噪声的偏振光信号的偏振角，根据偏振角得到相位调制量，根据相位调制量与脉冲激光的飞行时间一一对应的关系得到每个四象限偏振片子阵列中心所对应的目标距离信息。

7.根据权利要求4所述的激光三维凝视成像系统，其特征在于：电光调制晶体的供电电压V(t)与线偏振光信号的e光和o光相位差

之间的关系为：

其中，n₀是电光调制晶体中o光折射率，r₆₃是电光调制晶体的电光张量系数，λ是脉冲激光波长，V_π为半波电压,t为脉冲激光的飞行时间。

8.根据权利要求6所述的激光三维凝视成像系统，其特征在于：每个四象限偏振片子阵列由0°、90°、45°和135°四个线偏振片单元构成；其中，

0°、45°、90°和135°的线偏振分量光强表示为：

根据I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅得到相位调制量

为：

其中，I₀为0°的线偏振分量光强，I₄₅为45°的线偏振分量光强，I₉₀为90°的线偏振分量光强，I₁₃₅为135°的线偏振分量光强。

9.根据权利要求8所述的激光三维凝视成像系统，其特征在于：脉冲激光的飞行时间t和相位调制量

的关系为：

其中，T_m为调制电压波形宽度，τ为电压调制延迟时间。

10.根据权利要求9所述的激光三维凝视成像系统，其特征在于：每个四象限偏振片子阵列中心所对应的目标距离信息通过以下公式得到：

其中，L为每个四象限偏振片子阵列中心所对应的目标距离信息，c为光速。

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