一种基于飞行光谱的三维成像雷达系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种基于飞行光谱的三维成像雷达系统，它包括：多波长光源、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；多波长光源依次产生由不同波长组成的光脉冲串，形成一个飞行光谱照射在物体上，物体会依次将多波长光反射回来；反射回来的多波长光经过光带通滤波器被图像传感器的不同像素感光，每个波长都在图像传感器上形成一幅图像；图像传感器在电子快门的作用下在曝光时间内成像，在曝光时间内不同位置物体的反射光其波长成分是不同的，通过数据处理器对不同波长图像的分析就能获得物体的具体位置，最后通过显示终端将结果显示出来；本实用新型专利技术能够实现中近距离的高速、高分辨率的三维雷达成像，而且成本低廉。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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像增强器(頂CCD)，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 的局限，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。目前也有借助像增强成像器(IM(XD)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和高速C⑶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，但其探测距离和精度受到有较大的局限。
技术实现思路
本技术的目的在于针对现有技术的局限和不足，提供一种基于飞行光谱的三维成像雷达系统。本技术利用相对低廉的多波长LED/激光光源和普通彩色CCD或CMOS面阵探测器实现三维雷达成像。本技术的目的是通过以下技术方案来实现的一种基于飞行光谱的三维成像雷达系统，它包括多波长光源、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，多波长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；所述多波长光源依次产生由不同波长组成的光脉冲串，这些光脉冲串形成一个飞行光谱照射在物体上，物体会依次将多波长光反射回来；反射回来的多波长光经过光带通滤波器被图像传感器的不同像素感光，每个波长都在图像传感器上形成一幅图像；图像传感器在电子快门的作用下在曝光时间内成像，在曝光时间内不同位置物体的反射光其波长成分是不同的，通过数据处理器对不同波长图像的分析就能获得物体的具体位置，最后通过显示终端将结果显示出来。进一步地，所述多波长光源是由能产生不同波长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。本技术的有益效果是，本技术利用飞行光谱的不同距离位置光波波长不同的特点，采用一次曝光获得整个景深范围内所有反射物体的位置分布，大大提高了成像速度、减少了数据处理的难度，此外通过差分图像可以获得抗干扰性更强、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，本技术可以采用普通的LED光源和彩色CXD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I是本技术基于飞行光谱的三维成像雷达系统原理示意图；图2是不同波长光脉冲形成飞行光谱的示意图；图3是利用面阵CXD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4是利用面阵CXD或CMOS时域卷积成像信号时间差分成像距离探测的原理示意图；图中多波长光源I、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。具体实施方式以下结合附图详细描述本技术，本技术的目的和效果将变得更加明显。如图I所示，本技术基于飞行光谱的三维成像雷达系统包括多波长光源I、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，光带通滤波器2和电子快门4均固定在图像传感器3上，多波长光源I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。多波长光源I依次产生由不同波长组成的光脉冲串，这些光脉冲串形成一个飞行光谱照射在物体上，物体会依次将多波长光反射回来；反射回来的多波长光经过光带通滤波器2被图像传感器3的不同像素感光，每个波长都在图像传感器3上形成一幅图像；图像传感器3在电子快门4的作用下在曝光时间内成像，在曝光时间内不同位置物体的反射光其波长成分是不同的，通过数据处理器5对不同波长图像的分析就能获得物体的具体位置，最后通过显示终端6将结果显示出来。不同的飞行光谱配合电子快门4和数据处理器5的处理可以产生多种成像方法。多波长光源I是由能产生不同波长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。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(I)数据处理器5发出控制多波长光源I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；(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。图2给出不同波长光脉冲形成飞行光谱的示意图，在图例中，我们假定多波长光源I依次产生波长W、、的光脉冲，如果光脉冲脉宽为Ttl，则每个光脉冲在空间会产生一个长度为OTtl的一个色带(其中C为光速)，3个波长则产生一个长度为3C*!；的空间光谱带。这条光谱带在空间飞行T时间后，将到达C*T的位置。在飞行过程中，各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于飞行光谱的三维成像雷达系统，其特征在于，它包括：多波长光源（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，多波长光源（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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：符建，吕俊，
申请(专利权)人：符建，
类型：实用新型
国别省市：