基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统技术方案

本发明专利技术公开了基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统，包括激光光源模块、级联声光扫描发射接收光学模块、多路高速激光探测模块、总控模块、上位机、电源模块。通过对激光回波信号的波形采样、分析、处理，提取目标的激光回波信号所反映出的回波信息，相对于传统的阈值甄别提取法，目标的激光回波信号提取方法更加智能，提升了系统的抗环境干扰能力，如雾霾、灰尘、伪装网遮蔽等，拓展了激光三维成像系统的适用范围。使用级联声光扫描器件，与传统机械扫描方式相比，具有偏转速度快、无机械振动、驱动控制方式灵活等优点，使激光三维成像系统在俯仰方向上分辨率灵活调节，可以实现对不同距离目标的不同分辨率探测。

Full range waveform sampling based laser field imaging system with cascaded acoustic field of view

The present invention discloses a full waveform sampling of tandem laser 3D imaging system based on a large field of view, including laser light source module, cascading acousto-optic scanning transmitting and receiving optical module, multi-channel high-speed laser detection module, control module, power supply module, PC. Based on the laser echo waveform sampling, analysis, processing, information extraction of target echo laser echo signal reflected, compared with the traditional threshold discrimination method, laser echo signal extraction method of target more intelligent, to enhance the anti-interference ability of the system, such as haze, dust, covered by camouflage netting, expand the scope of application of three-dimensional laser imaging system. Using cascading acousto-optic scanning devices, compared with the traditional mechanical scanning mode, has the advantages of fast deflecting speed, mechanical vibration, drive control flexibility, the 3D laser imaging system in pitching direction resolution adjustable, can achieve the goal of different distance with resolution detection.

【技术实现步骤摘要】
基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统
本专利技术涉及激光三维成像
，具体涉及基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统。
技术介绍
激光三维成像技术能够实时感知周边环境的立体信息，具有成像速度快、有一定的作用距离和成像范围、测量精度高等优点，能够同时获得目标的距离、方位、相对运动速度等信息，在无人驾驶、机器视觉等领域广泛应用。现有无人驾驶、机器视觉的激光三维成像技术多在基于飞行时间测量原理的多线扫描激光雷达上应用，抗环境干扰能力弱，且作用距离较近，在俯仰方向上，其角分辨率固定，导致远距离目标分辨率低，不利于障碍物检测识别，极大得限制了该技术的应用，同时，也给无人驾驶车辆带来安全隐患。为扩展激光三维成像技术的应用范围，需要提升现有激光三维成像系统的抗环境干扰能力、作用距离和角分辨率调节能力，增强激光三维成像技术的可靠性。为此，有必要对现有激光三维成像系统的探测和扫描方式进行改进
技术实现思路
为解决现有的技术问题，本专利技术提供基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统，包括激光光源模块、级联声光扫描发射接收光学模块、多路高速激光探测模块、总控模块、上位机、电源模块，所述激光光源模块，为高重频脉冲激光器，为系统提供激光光源；所述级联声光扫描发射接收光学模块，包括级联声光扫描驱动模块、级联声光扫描器件、发射光学系统、高精度扫描电机和接收光学系统；所述的多路高速激光探测模块包括多路探测模块、多路高速并行采样模块和数据处理模块；所述的总控模块包括FPGA主控芯片、激光器控制模块、级联声光扫描控制模块、扫描电机控制模块、数据采集模块和数据通信模块；所述的总控模块的FPGA主控芯片控制激光器控制模块向高重频脉冲激光器周期性地输出触发脉冲，高重频脉冲激光器收到触发脉冲后，输出激光脉冲，激光脉冲分为两路，一路激光脉冲经过级联声光扫描器件，扫描出射，另一路激光脉冲输出至多路激光探测模块，形成激光出射起始时刻计时起点；FPGA主控芯片在控制输出触发脉冲的同时，控制所述的级联声光扫描控制模块输出控制指令至级联声光驱动模块，驱动级联声光扫描器件的激光的出射方向，FPGA主控芯片在每次控制输出触发脉冲的同时，改变级联声光扫描器件的驱动信号，实现激光出射方向的调整，从而实现激光俯仰方向的扫描；FPGA主控芯片在控制激光俯仰方向扫描的同时，通过扫描电机控制模块，控制高精度扫描电机带动发射光学系统在水平方向旋转，从而实现激光水平方向上的扫描；扫描出射的激光脉冲在接触到物体表面后，产生激光回波信号，激光回波信号被接收光学系统接收后,被多路激光探测模块探测，产生回波电信号，回波电信号被多路高速并行采样模块采集，再经过数据处理模块进行算法处理，得到目标的回波信息，结合激光出射起始时刻计时起点，得到激光回波信号的到达时刻，进而得到目标距离测量值；FPGA主控芯片控制数据采集模块采集目标距离测量值，在FPGA主控芯片完成数据采集后，数据通信模块将目标距离测量值、激光俯仰方向出射角度信息和高精度扫描电机反馈的激光水平方向出射角度信息的数据打包，上传至上位机进行处理，从而反演出周边环境的三维图像。优选地，所述的高重频脉冲激光器为脉冲半导体激光器或者脉冲光纤激光器。具体地，所述级联声光扫描驱动模块包括数字频率合成器DDS、信号放大模块，FPGA主控芯片通过级联声光扫描控制模块将并行的多路频率控制字分别发送至不同通道的数字频率合成器DDS，数字频率合成器DDS生成特定频率的正弦电信号，经信号放大模块分别放大后，传送至级联声光扫描器件。具体地，所述级联声光扫描器件是利用声光偏转效应，通过快速改变通过声光晶体的声频率，使通过声光晶体的光束实现高速偏转，所述的级联声光扫描器件由多个声光扫描器件并行拼接而成，实现更大角度范围的扫描。具体地，所述的发射光学系统包括由高精度扫描电机驱动的转镜，实现水平方向上的大范围扫描,扫描角度范围达到360°。具体地，所述接收光学系统包括大视场短焦接收光学系统和滤光片。具体地，所述多路探测模块为多元雪崩光电二极管或多元光电倍增管或多元单光子探测器。具体地，所述多路高速并行采样模块为多路并行采样的高速AD采样电路。本专利技术的基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统，通过对激光回波信号的波形采样、分析、处理，提取目标的激光回波信号所反映出的回波信息，相对于传统的阈值甄别提取法，目标的激光回波信号提取方法更加智能，提升了系统的抗环境干扰能力，如雾霾、灰尘、伪装网遮蔽等，拓展了激光三维成像系统的适用范围。本专利技术使用级联声光扫描器件，与传统机械扫描方式相比，具有偏转速度快、无机械振动、驱动控制方式灵活等优点，使激光三维成像系统在俯仰方向上分辨率灵活调节，可以实现对不同距离目标的不同分辨率探测。传统的多线扫描三维成像激光雷达由于俯仰方向分辨率固定，通常对远距离目标探测时，俯仰方向上测量点稀疏，造成目标探测识别困难，该技术使激光三维成像系统具备对远距离目标的高分辨成像能力。本专利技术基于多路高速激光探测模块进行多路并行扫描和探测的三维成像方式，有效提升了探测速率，容易实现高速率的探测；与现有的多线扫描探测的三维成像方式比，由于本专利技术的激光三维成像系统探测通道数量只需几个，代替原多线扫描探测技术的几十个甚至上百个通道，实现原多线扫描探测技术要求的几十甚至上百个通道才能达到的效果，降低了对激光功率和器件规模要求，具有成本低、功耗低的特点，在相同的激光功率下，具有成像距离远的优势。附图说明图1是本专利技术的激光三维成像系统的组成示意框图；图2是本专利技术的激光三维成像系统的透反类介质环境下激光回波信号波形示意图；图3是本专利技术激光三维成像系统的级联声光扫描控制模块、级联声光扫描驱动模块和级联声光扫描器件的结构关系和控制驱动过程示意图。其中，A点为本专利技术实施例的激光三维成像系统成像目标(坦克)的激光回波信号尖峰位置。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应该以此限制本专利技术的保护范围。本专利技术以某场合下的对物体的三维视频成像为实施例，采用重频为200KHz、脉宽为3ns的光纤激光器为光源，采用全波形采样技术结合滤波算法，实现雾霾环境三维成像，同时，采用级联声光扫描器件，实现扫描分辨率可调，实现对不同距离目标不同分辨率的三维成像。同时把全波形采样技术和级联声光扫描技术结合使用，能提升现有激光三维成像雷达的抗环境干扰能力、作用距离和角分辨率调节能力。图1为本专利技术基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统，包括激光光源模块100、级联声光扫描发射接收光学模块200、多路高速激光探测模块300、总控模块400、上位机500、电源模块600；激光光源模块100，为高重频脉冲激光器，根据作用距离需求不同，具体地高重频脉冲激光器可以为脉冲半导体激光器或者脉冲光纤激光器，本实施例中为脉冲光纤激光器，为系统提供激光光源，此激光器光源的重复频率可达几百～几千KHZ，体积小，电光效率高；级联声光扫描发射接收光学模块200，包括级联声光扫描驱动模块201、级联声光扫描器件202、发射光学系统203、高精度扫描电机204和接收光学系统205；级联声光扫描驱动模块201包括数字频率合成器DDS、信号放大模块；级联声光扫描器件202是利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统，其特征在于：所述系统包括激光光源模块(100)、级联声光扫描发射接收光学模块(200)、多路高速激光探测模块(300)、总控模块(400)、上位机(500)、电源模块(600)，所述激光光源模块(100)，为高重频脉冲激光器，为系统提供激光光源；所述级联声光扫描发射接收光学模块(200)，包括级联声光扫描驱动模块(201)、级联声光扫描器件(202)、发射光学系统(203)、高精度扫描电机(204)和接收光学系统(205)；所述的多路高速激光探测模块(300)包括多路探测模块(301)、多路高速并行采样模块(302)和数据处理模块(303)；所述的总控模块(400)包括FPGA主控芯片(401)、激光器控制模块(402)、级联声光扫描控制模块(403)、扫描电机控制模块(404)、数据采集模块(405)和数据通信模块(406)；所述的总控模块(400)的FPGA主控芯片(401)控制激光器控制模块(402)向高重频脉冲激光器周期性地输出触发脉冲，高重频脉冲激光器收到触发脉冲后，输出激光脉冲，激光脉冲分为两路，一路激光脉冲经过级联声光扫描器件(202)，扫描出射，另一路激光脉冲输出至多路激光探测模块(301)，形成激光出射起始时刻计时起点；FPGA主控芯片(401)在控制输出触发脉冲的同时，控制所述的级联声光扫描控制模块(403)输出控制指令至级联声光驱动模块(201)，驱动级联声光扫描器件(202)的激光的出射方向，FPGA主控芯片(401)在每次控制输出触发脉冲的同时，改变级联声光扫描器件(202)的驱动信号，实现激光出射方向的调整，从而实现激光俯仰方向的扫描；FPGA主控芯片(401)在控制激光俯仰方向扫描的同时，通过扫描电机控制模块(404)，控制高精度扫描电机(204)带动发射光学系统(203)在水平方向旋转，从而实现激光水平方向上的扫描；扫描出射的激光脉冲在接触到物体表面后，产生激光回波信号，激光回波信号被接收光学系统(205)接收后,被多路激光探测模块(301)探测，产生回波电信号，回波电信号被多路高速并行采样模块(302)采集，再经过数据处理模块(303)进行算法处理，得到目标的回波信息，结合激光出射起始时刻计时起点，得到激光回波信号的到达时刻，进而得到目标距离测量值；FPGA主控芯片(401)控制数据采集模块(405)采集目标距离测量值，在FPGA主控芯片(401)完成数据采集后，数据通信模块(406)将目标距离测量值、激光俯仰方向出射角度信息和高精度扫描电机(204)反馈的激光水平方向出射角度信息的数据打包，上传至上位机(500)进行处理，从而反演出周边环境的三维图像。...

【技术特征摘要】
1.基于全波形采样的级联声光大视场激光三维成像系统，其特征在于：所述系统包括激光光源模块(100)、级联声光扫描发射接收光学模块(200)、多路高速激光探测模块(300)、总控模块(400)、上位机(500)、电源模块(600)，所述激光光源模块(100)，为高重频脉冲激光器，为系统提供激光光源；所述级联声光扫描发射接收光学模块(200)，包括级联声光扫描驱动模块(201)、级联声光扫描器件(202)、发射光学系统(203)、高精度扫描电机(204)和接收光学系统(205)；所述的多路高速激光探测模块(300)包括多路探测模块(301)、多路高速并行采样模块(302)和数据处理模块(303)；所述的总控模块(400)包括FPGA主控芯片(401)、激光器控制模块(402)、级联声光扫描控制模块(403)、扫描电机控制模块(404)、数据采集模块(405)和数据通信模块(406)；所述的总控模块(400)的FPGA主控芯片(401)控制激光器控制模块(402)向高重频脉冲激光器周期性地输出触发脉冲，高重频脉冲激光器收到触发脉冲后，输出激光脉冲，激光脉冲分为两路，一路激光脉冲经过级联声光扫描器件(202)，扫描出射，另一路激光脉冲输出至多路激光探测模块(301)，形成激光出射起始时刻计时起点；FPGA主控芯片(401)在控制输出触发脉冲的同时，控制所述的级联声光扫描控制模块(403)输出控制指令至级联声光驱动模块(201)，驱动级联声光扫描器件(202)的激光的出射方向，FPGA主控芯片(401)在每次控制输出触发脉冲的同时，改变级联声光扫描器件(202)的驱动信号，实现激光出射方向的调整，从而实现激光俯仰方向的扫描；FPGA主控芯片(401)在控制激光俯仰方向扫描的同时，通过扫描电机控制模块(404)，控制高精度扫描电机(204)带动发射光学系统(203)在水平方向旋转，从而实现激光水平方向上的扫描；扫描出射的激光脉冲在接触到物体表面后，产生激光回波信号，激光回波信号被接收光学系统(205)接收后,被多路激光探测模块(301)探测，产生回波...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗远，史要涛，赵文，柯才军，于翠萍，张燕，于临昕，庞宏俊，
申请(专利权)人：湖北航天技术研究院总体设计所，
类型：发明
国别省市：湖北,42