基于变焦沙姆成像原理的激光雷达测距方法技术

本发明专利技术公开了一种基于变焦沙姆成像原理的激光雷达测距方法。本发明专利技术中的激光器发射激光经过准直系统形成具有低发散角的近似直线光束照射在目标物上，经过目标物散射回来的光线经过短焦距的调焦透镜组进行收集，然后在图像探测器上成像，得出出目标物的低分辨率距离信息。调整调焦透镜组中的焦距，使得测距视场聚焦在目标物附近，调整图像探测器的位置，图像探测器再次将获取的图像信息上传到计算机，从而完成了一次对目标物的距离测量。通过本发明专利技术可以使图像探测器的像素尽可能的与所测目标物范围进行一一对应，有效提高了图像探测器的像素利用率，进而可以很好的改善了三角式测距系统在远处分辨率降低的缺点。距系统在远处分辨率降低的缺点。距系统在远处分辨率降低的缺点。

【技术实现步骤摘要】
基于变焦沙姆成像原理的激光雷达测距方法


[0001]本专利技术涉及激光探测
，涉及一种基于变焦沙姆成像原理的激光雷达测距方法。

技术介绍

[0002]激光测距是一种具有高精度、高速率以及非接触式的一种探测技术，目前广泛应用于无人驾驶汽车、机器人以及工业探测等各行各业中。在现有激光测距的方案中，大部分采用的脉冲式激光测距的方式，脉冲式激光测距原理是向目标方向发射一束激光打在目标上，然后通过计算激光经过目标反射回来的时间，最后利用位移、时间与速度的关系来得到目标距离。虽然脉冲式激光测距能够在测量范围内保持稳定的高分辨率，但脉冲式激光测距系统的成本却远远比三角式的激光测距系统高，其原因主要来源于需要一个高灵敏的探测器，如光电倍增管以及一个高速的信号采样系统。三角式的激光测距主要通过激光器与目标、探测器之间的三角关系，通过计算经过目标反射回来光线位置来计算目标距离。三角式激光测距系统具有成本低、在近距离分辨率高而远处分辨率逐渐降低的特点。
[0003]沙姆成像原理是指当成像光学系统与物平面不平行时，只要物平面、成像光学系统以及像平面三者在满足高斯方程的条件下相交于一条直线，依然会对物平面成清晰的像。采用沙姆成像原理的测距系统，可以解决采用大口径成像系统景深小的缺陷，分辨率相对于用常规的三角式激光测距有较大的提高，但基于沙姆成像原理的激光测距仍然属于三角式激光测距的一种，故依然保留了远处分辨率呈非线性降低的缺点。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于变焦沙姆成像原理的激光雷达测距方法。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]步骤(1)：激光器发射激光经过准直系统形成具有低发散角的近似直线光束照射在目标物上，经过目标物散射回来的光线经过短焦距的调焦透镜组进行收集，然后在图像探测器上成像。
[0007]需要说明的是，采用短焦距可以先获得较大范围的视场，实现较大距离范围内的测距，能够获取目标物的低分辨率距离信息。所述的调焦透镜组中内含窄带滤波片，其中心波长与激光器的中心波长一致，以便系统滤除其他环境光的干扰。
[0008]图像探测器将获得的图像信息上传到计算机，并由计算机通过沙姆成像原理相关算法计算出目标物的低分辨率距离信息。
[0009]步骤(2)：得到目标物的低分辨率距离信息后，计算机发送命令给系统控制板，系统控制板调整调焦透镜组中的焦距，使得测距视场聚焦在目标物附近，缩小视场范围，提高系统在目标物附近的分辨率。
[0010]为了使得系统的物面、像面以及成像光学系统满足沙姆成像定律，系统控制板控
制二维平移平台调整图像探测器的位置，最后图像探测器将获取的图像信息上传到计算机，计算机再通过算法计算出目标物的高分辨率距离信息从而完成了一次对目标物的距离测量。
[0011]其中计算机与系统控制板连接，系统控制板与三维旋转平台连接，激光光源、准直扩束系统、调焦透镜组及放置图像探测器的二维平移平台等器件都固定在三维旋转平台上。所述的三维旋转平台为成熟产品，能够在水平方向360度旋转、在垂直方向360度旋转。计算机通过对系统控制板控制三维旋转平台进行水平α度范围内、垂直β度范围内扫描，同时重复第一和第二个步骤，从而获取系统周围水平α度范围内、垂直β度范围内的3D距离信息。
[0012]本专利技术的有益效果：通过本专利技术可以使图像探测器的像素尽可能的与所测目标物范围进行一一对应，有效提高了图像探测器的像素利用率，进而可以很好地提高测距系统在远处的分辨率。
附图说明
[0013]图1是基于变焦沙姆成像原理的激光雷达测距的一种实施方案示意图。
具体实施方式
[0014]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体的实施例对本专利技术作进一步详细说明。
[0015]如图1所示，本专利技术所涉及的装置包括激光光源1、准直扩束系统2、目标物3、调焦透镜组4、图像探测器5、改变位置后的图像探测器6、二维平移平台7、三维旋转平台8、计算机9、系统控制板10。
[0016]为了保护人眼安全，所述的激光光源1采用红外808nm的半导体激光器，激光光源1发射激光光束经过准直扩束系统2，利用准直扩束系统2将点状的808nm激光光束扩束成具有低发散角的近似直线光束，打在目标物3上，经过目标物散射回来的光线经过焦距设置为500mm的调焦透镜组4汇聚在图像探测器5上，调焦透镜组4内含窄带滤波片，其中心波长为808nm，带宽为5nm，然后图像探测器5将图像数据上传到计算机9，计算机9通过沙姆成像相关算法初步计算出目标物所在位置，然后发送调制命令给系统控制板10。
[0017]系统控制板10发送控制信号到调焦透镜组4，重新调整合适的焦距将测距视场聚焦在目标物附近。同时系统控制板10还需发送控制信号到二维平移平台7，所述的二维平移平台7采用高精度的电动线性二维滑台，滑台与图像探测器5相连，控制滑台移动图像探测器5使系统的物面、像面以及光学成像系统满足沙姆成像定律，移动后的图像探测器5位置变为改变位置后的图像探测器6的位置。改变位置后的图像探测器6重新获取图像信息并将图像信息上传到计算机9，计算机9根据图像数据提取成像点的坐标，再通过相关算法精确计算出目标物距离而完成一次测量。
[0018]其中计算机9与系统控制板10连接，系统控制板10与三维旋转平台8连接，激光光源1、准直扩束系统2、调焦透镜组4及放置图像探测器5的二维平移平台7等器件都固定在三维旋转平台8上。计算机9通过对系统控制板10控制三维旋转平台8进行水平360度范围内、垂直60度范围内扫描，同时重复上述步骤，从而获取系统周围水平360度范围内、垂直60度
范围内的3D距离信息。
[0019]现以数据证明所用部件装置型号参数都相同的情况下，采用本专利技术的方法可以有效改善三角式激光测距在远端的分辨率，具体的参数设置及结果如下所示：
[0020] F/mmΘ/度L/mm600m处分辨率/m800m处分辨率/m1000m处分辨率/m
①
500455005.62310.1115.88
②
866605002.3084.1056.415
[0021]其中，数据
①
是未使用方法而数据
②
是使用了本专利技术的方法的，参数F是调焦透镜组4的焦距，θ为调焦透镜组4与图像探测器5之间的夹角，L为调焦透镜组4距离系统物面、像面、成像光学系统为了满足沙姆成像定律相交直线的距离，本实例所采用的图像探测器5参数为2048*2048，每个像素大小为5.5um。由数据对比可以看到，600m处分辨率提高了2.43倍；800m处分辨率提高了2.46倍；1000m处分辨率提高了2.47倍。故本专利技术所采用的方法可以有效提高三角式激光测距的分辨率。
[0022]综上，本专利技术提供了一种基于沙姆成像原理的激光雷达测距方法，采用根据目标物的距离调节成像光学系统焦距的方式，控制系统的测量范围本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于变焦沙姆成像原理的激光雷达测距方法，其特征在于：激光器发射激光经过准直系统形成具有低发散角的近似直线光束照射在目标物上，经过目标物散射回来的光线经过短焦距的调焦透镜组进行收集，然后在图像探测器上成像；图像探测器将获得的图像信息上传到计算机，并由计算机通过沙姆成像算法计算出目标物的低分辨率距离信息；得到目标物的低分辨率距离信息后，计算机发送命令给系统控制板，系统控制板调整调焦透镜组中的焦距，使得测距视场聚焦在目标物附近；为了使得系统的物面、像面以及成像光学系统满足沙姆成像定律，系统控制板还控制二维平移平台调整图像探测器的位置；最后图像探测器将获取的图像信息上传到计算机，计算机再通过沙姆成像算法计算出目标物的高分辨率距离信息，从而完成了一次对目标物的距离测量。2.根据权利要求1所述的基于变焦沙姆成像...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈达如，罗伟漩，柏云，周雁，管祖光，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：