[發明專利]一種非掃描式單次三維激光雷達成像方法及裝置

在審

• 申請號: 202110785551.3
• 申請日: 2021-07-12
• 公開（公告）號: CN113589320A
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 王興;吉超;田進壽;房夢巖;張敏睿;王俊鋒;辛麗偉;陳萍;何凱;高貴龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G01S17/894
• 分類號: G01S17/894;G01S7/481;G01S7/483;G01S7/484
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 王少文

本發明公開了一種非掃描式單次三維激光雷達成像方法及裝置，主要解決現有激光雷達成像技術中無法實現動態目標三維數據獲取，無法單次三維成像，且成像裝置結構復雜等問題。其中該方法包括：激光器發射出脈沖激光給分束鏡,同時發射脈沖電信號經數字延遲器延遲發送給條紋相機；脈沖激光經分束鏡反射、擴束鏡或望遠鏡擴束后到達目標位置，目標位置反射的光信號經擴束鏡或望遠鏡收束后，返回分束鏡并透射；光學掩模板將投射的脈沖激光編碼成偽隨機編碼；條紋相機將偽隨機編碼的光信號轉換為電信號，然后通過壓縮感知算法對目標位置的三維圖像進行重構，最后通過熒光屏顯示目標位置的三維圖像。

技術領域

本發明涉及激光雷達成像技術領域，特別涉及一種非掃描式單次三維激光雷達成像方法及裝置。

背景技術

激光雷達成像應用研究開始于20世紀70年代，它是激光技術、雷達技術、光學掃描及控制技術、高靈敏度探測技術及高速計算機處理技術的綜合新技術產物。激光雷達成像的基本原理是通過獲取激光束到達目標不同點與返回探測器的整個飛行時間差來判斷目標的三維空間位置，實現三維成像。現有的激光雷達三維成像技術主要包括：單光子雪崩二極管激光雷達技術、基于面陣單光子雪崩二極管的激光雷達技術、基于條紋相機的激光雷達技術等。

最常規的方式是的單光子雪崩二極管激光雷達探測技術，單光子雪崩二極管在蓋革模式下光子信號會產生‘雪崩’增益，可以實現對微弱信號的探測，同時極具靈敏的淬滅電路可以實現該器件ns到幾十ps的采樣能力。因此，單光子雪崩二極管激光雷達探測技術可以區分微弱反射激光的飛行時間，實現目標的三維定位。但該技術要求以點掃描拼接的信號采集方式，這種方式不僅操作繁雜，而且不具備對動態目標的三維成像能力。

采用基于面陣單光子雪崩二極管作為激光雷達的探測器，可以在測量過程中避免點掃描的繁雜操作，簡化了成像過程，實現單次三維成像。面陣單光子雪崩二極管激光雷達探測技術雖然避免了點掃描，但由于單光子雪崩二極管的動態范圍極小，單次測量的情況下只能實現對目標的定位，因此面陣單光子雪崩二極管激光雷達探測技術要實現三維成像，依舊需要重復的測量。除此之外，面陣單光子雪崩二極管激光雷達器件的像素尺寸較大且技術不成熟，還存在成像空間分辨率較低、成像盲區大等缺點。

基于條紋相機的激光雷達技術采用高時間分辨的條紋相機作為探測器，基本原理是不同時刻返回的激光信號先后通過陰極轉換成電信號，電信號隨后被斜坡電壓掃描，前后電子被偏轉到不同的熒光屏位置，從而通過空間信息獲得光子的飛行時間信息。條紋相機可以看作一種線陣超快探測器，一次成像可獲取目標的一維空間信息和一維時間信息，再通過一維掃描實現三維成像。基于條紋相機的激光雷達成像技術雖滿足了高精度，高動態范圍的成像要求，但是它的成像視野是一條線，同樣需要線掃描的方式才可以完成對目標的三維成像，無法實現單次三維成像。

綜上所述，現有激光雷達三維成像技術都無法在單次情況下獲得目標的三維空間分布和一維強度信息，無法完成對動態目標三維數據實時獲取。

發明內容

本發明旨在提供一種非掃描式單次三維激光雷達成像方法及裝置，用以解決現有激光雷達成像技術中無法對動態目標實現三維數據獲取，無法單次三維成像，且成像裝置結構復雜等問題。

為解決上述問題，本發明提供了一種非掃描式單次三維激光雷達成像方法，其特殊之處是，包括以下步驟：

步驟一：激光器發射出脈沖激光給分束鏡,同時發射脈沖電信號給數字延遲器,數字延遲器經過T0時間后將脈沖電信號發送給條紋相機，從而保證光子信號返回條紋相機時，相機處于工作狀態；

步驟二：分束鏡將脈沖激光反射至擴束鏡或望遠鏡，擴束鏡或望遠鏡將點光源擴束成面光源，從而避免了信息采集過程的繁雜，提高了采集效率；

步驟三：面光源中的不同光子在經歷不同的時間后到達目標位置不同的三維深度，為了將光子聚合從而獲取光子的有效返回時間，光子在達到目標位置后被目標位置反射，反射回的光子反向進入擴束鏡或望遠鏡被收束；