CN102360079B - 一种激光测距仪及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光测距仪及工作方法，测距仪使用可沿圆轨迹移动的激光光源，定时拍摄照片记录反射光斑的轨迹，通过处理光斑的轨迹并结合光学***的结构，经图像处理和计算得到待测的距离参数。采用光学原理搭建光路***，从而获取高质量的图像，提高了***的分辨率，同时配合图像处理的方法，有效排除温度等外界因素的噪声对测量过程的干扰，实现对距离快速、可靠、便利的精确测量。

Description

一种激光测距仪及工作方法
技术领域
本发明涉及一种测量仪器，特别涉及一种基于DSP图像处理及面阵CCD图像传感器的激光测距仪及工作方法。
背景技术
传统的激光测距仪一般采用脉冲法和相位法。脉冲法为，测量仪器的光源发射出的激光经被测物体反射回来后，被测量仪器接收，利用发射和接受的时间差来计算距离，光速已知的情况下，测量出激光往返的时间获得距离数据，这种方法精度较低。相位法利用无线电波段的频率对激光进行AM调制，测量调制光往返一次产生的相位延迟，根据调制光的波长换算出延迟相位对应的距离。相位法的测量精度虽高，但是测量距离较短。
另外传统的激光传感器光电转换得到的测量结果，还应包括仪器内部传播的距离。此外，测距仪电路中各元件不同程度的发热以及环境温度对各元器件的影响也导致电路中的电信号产生的漂移误差，直接影响测量结果的准确性。采用脉冲式或相位式，测量都需已知空气折射率的参数进行运算。由于气候变化，空气湿度，尘埃含量的变化就可能产生一定的误差。
发明内容
本发明是针对传统的激光测距仪存在的问题，提出了一种激光测距仪及工作方法，利用基于DSP的数字图像处理，只需获取高质量的图像信息，通过分析处理获得距离，避免了引入空气折射率以及温度漂移等干扰因素，实现更精确的距离测量。
本发明的技术方案为：一种激光测距仪，包括由镜头、可旋转激光头组成的光学***，由面阵CCD图像传感器、图像采集处理电路、可旋转激光头的驱动模块、电源模块、用以显示信息的液晶以及用以输入测量设置信息的按键组成的硬件电路***，作为外壳的机械***，以及图像处理测量软件部分，镜头包括孔径光阑、透镜组、连接杆、调焦压电陶瓷，可旋转激光头驱动模块包括步进电机、激光器、传输光纤，步进电机控制可旋转激光头绕轴旋转，激光器发出激光，经光纤传输至可旋转激光头，再经可旋转激光头前端的激光准直透镜准直照射到前方被测物体表面，发生漫反射，反射光斑的光线到达镜头，经过镜头内的光学***后在面阵CCD图像传感器表面成像，实现光电转换，面阵CCD图像传感器输出图像数据传输到图像采集处理电路，输出控制调焦压电陶瓷和对焦压电陶瓷进行光学***调焦，采集理想光斑图像，并驱动可旋转激光头旋转，采集多点光斑图像，图像采集处理电路计算和图像处理后结果显示在液晶上。
所述镜头内孔径光阑和透镜组前后排列，连接杆与孔径光阑、透镜组连接，驱动调焦压电陶瓷通过连接杆带动孔径光阑和透镜组移动，并保持孔径光阑始终在物方焦面上，实现变焦。
所述图像采集处理电路包括CCD图像传感器驱动与ADC电路、连接导线、处理器DSP电路，CCD图像传感器驱动与ADC电路驱动CCD图像传感器工作，并对CCD输出的模拟信号进行模数转换，通过连接导线输入DSP电路进行处理。
一种激光测距仪的工作方法，包括激光测距仪，具体测量步骤如下：
1）安装在仪器上的可旋转激光头发射的激光照射到前方被测物体表面，发生漫反射，反射光斑的光线通过镜头，在面阵CCD图像传感器表面成像，将光信号转换为电信号；
2）将CCD的感光面调整位置，使光学***所成像位于CCD上，同时通过光学***调焦，将像调整到一个合适的大小，以充分利用CCD的分辨率，最后采集光斑的图像数据，利用多点测量的方式，将激光头以镜头轴为中心进行旋转，记录这一过程中反射光斑的位置信息，拟合出移动的圆形轨迹，这个轨迹的半径就是计算待测距离要用的像高数据，激光头距离镜头中心的几何长度，就是对应的物高；
3）激光头以镜头轴为中心进行旋转，通过拍摄激光点的运动轨迹再通过图像处理的方法，可以计算出旋转的圆形轨迹的圆心以及旋转的半径，已知激光头到旋转中心的距离，代入公式就可以计算出待测距离L1，L1=L2                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
H/R，其中L2为光学***入瞳处的孔径光阑到等效***中心的距离，H和R为测量***获得的参数，H为激光头距离***的几何旋转中心的距离，R为CCD上的像高。
本发明的有益效果在于：本发明激光测距仪及工作方法，通过面阵CCD图像传感器获取高质量的图像信息，利用图像处理的方法通过滤波、图像分割、图像识别等方式提取信号中有用的测量数据，通过分析获得待测距离，避免引入空气折射率以及温度漂移等干扰因素，从而获得更精确的距离数据，另外多点测量排除了单一测量可能引入的误差，测量过程中利用面阵CCD和DSP图像处理可以对光路进行一定的调整，提高了测量精度，实现距离的快速、可靠、精确的测量。适用于各种需要高精度测距的场合，广泛应用于电力，水利，通讯，环境等各种领域。
附图说明
图1为本发明激光测距仪俯视剖面结构图；
图2为本发明激光测距仪俯视图；
图3为本发明激光测距仪的纵向剖面结构；
图4为本发明激光测距仪光学补偿变焦***的原理实现焦距变换示意图；
图5为本发明激光测距仪自动对焦功能示意图；
图6为本发明激光测距仪相邻两个时刻采集的光点图像；
图7为本发明激光测距仪叠加在一起的N个光斑的圆形轨迹图；
图8为本发明激光测距仪中数据拟合出圆形轨迹半径的示意图；
图9为本发明激光测距仪光学***几何关系示意图；
图10为本发明激光测距仪面阵CCD驱动和信号处理电路硬件连接图；
图11为本发明激光测距仪软件流程图。
具体实施方式
如图1所示为激光测距仪剖面结构简图，显示了其内部结构和布局。图2为激光测距仪的俯视图，显示了其外部结构，用以显示的液晶和用以控制测量的按键。
如图1和2所示激光测试仪结构图，整个激光测距仪包括光学***、硬件电路***、作为外壳的机械***以及图像处理测量软件部分，光学***由镜头1、可旋转激光头2组成，硬件电路***由面阵CCD图像传感器11、图像采集处理电路、可旋转激光头2的驱动模块、电源模块16、用以显示信息的液晶17以及用以输入测量设置信息的按键18组成，镜头1包括孔径光阑3、及光阑3后端的透镜组4、连接杆5、调焦压电陶瓷6，由仪器内激光器9发出激光，经光纤8传输至可旋转激光头2，再经可旋转激光头2前端的激光准直透镜7准直照射到前方被测物体表面，发生漫反射。反射光斑的光线到达镜头1，经过镜头1内的光学***后在面阵CCD图像传感器11表面成像，实现光电转换，面阵CCD图像传感器11输出图像数据传输到采集处理电路，根据处理结果控制调焦压电陶瓷6和面阵CCD图像传感器11后的对焦压电陶瓷12进行光学***调焦，采集理想光斑图像，之后驱动可旋转激光头2，采集多点光斑图像，拟合出旋转轨迹半径，结合光学***几何成像规律，计算出待测距离，最后将测得结果显示在液晶17上。利用公式即可计算出待测距离L1，L1=L2
Figure 935909DEST_PATH_IMAGE002
H/R，其中L2为光学***入瞳处的孔径光阑到等效***中心的距离，H和R为测量***获得的参数，H为激光头距离***的几何旋转中心的距离，R为拟合出的轨迹半径。
图3为激光测距仪的纵向剖面结构图，显示了它的齿轮结构以及激光头的运动方式。激光头可以镜头轴为中心进行旋转，当某时刻采集激光点图像，经过处理后判定当前采集到的图像中激光光点大小是否符合要求，通过调整光学***焦距调整图像大小。具体原理为：物体距离光学***越远，所成的像就越小，因此在CCD上所成物体的像也相应缩小，由于CCD的最小分辨是确定的，即两个像素之间的距离是确定的，拟合半径R的分辨率就决定于CCD的分辨率，随着待测距离的增加，对于前方物体距离的分辨率△L1=(△R
Figure 413902DEST_PATH_IMAGE002
L2
Figure 193639DEST_PATH_IMAGE002
H)/R2，随着R的减小，L1的分辨力会显著下降，故通过改变光学***的焦距，将图像放大或者缩小到一个约定的范围内。
如图4所示，采用光学补偿变焦***的原理实现焦距变换。光学补偿通过移动透镜组中的负透镜来实现焦距的变化，用两组透镜做变焦和补偿，依靠不同透镜组，同方向等速移动实现。镜头1中将这组透镜4利用连接杆5连接在一起，再驱动调焦压电陶瓷6来实现变焦。
工作工程为：首先采集图像，得到一个不清晰的反射光斑的图像，光斑由于离焦而被扩大。利用图像处理找到光斑，由于激光器的初始位置固定，只要将激光光斑放大或缩小以一定的大小成像到到CCD上即可。这样，驱动用于调整焦距的压电陶瓷，在其带动下光学***的物镜开始移动，并保持孔径光阑始终在物方焦面上。此时改变的是L2的大小，L2增大则像扩大，反之，像减小。最后，通过计算压电陶瓷的变化可以获得L2改变后的数值。在调节过程中定时采集图像并处理得到位置信息，直到满足要求停止。
图5所示为自动对焦功能示意图。要得到CCD所成的清晰的像，CCD的感光面须和光学***的像面重合，故测量过程需要移动CCD感光面以实现对焦。光学***中物面的移动会造成其相对应像面的移动，自动对焦的作用就是找到不同物距所对应的像面位置，并驱动对焦压电陶瓷12将CCD的感光面移动到该位置上。自动对焦原理基于图像处理的方式，在焦深范围内移动CCD像面，使得采集到的目标图像轮廓最清晰，消除离焦现象。
利用以上原理，首先将CCD处于某位置时的图像采集输入DSP处理器15中，利用图像处理算法，找到图像中激光光点的位置，选取包含这一光点的一个较小的图像区域作为对焦窗口，减少运算量，提高实时性，同时可防止不重要的背景对评价结果产生负面影响。之后针对选取的对焦窗口对其进行FFT变换，提取出图像的频域信息，使用梯度函数和频谱函数相结合作为联合评价函数，分别检测图像的细节分辨率和边缘的尖锐程度，最后得到了一个当前图像的评价因子，用来判断图像的清晰度。
在得到图像的一个评价因子后，***驱动对焦压电陶瓷12试探性移动，分别向前和后两个方向移动，同时监测评价因子的变化。当评价因子得到改善时，继续带动CCD向成像改善的方向移动，最后微调阶段，在评价因子近似停止变化处进行小范围的移动，找到最优的CCD位置，完成对焦工作。
完成对焦工作后，CCD像面上即可获得用于测距的反射光源光点的清晰像。此时可开始采集用于测距的多点图像数据，由步进电机10驱动装有激光器的旋转器，以一定得角速度转动，每转一定的角度停止采集一幅图像，处理图像并记录数据，如图6所示为相邻两个时刻采集的图像A和B。
具体过程为，在面阵CCD感光面上建立坐标系，设左下角为原点，将采集的图像进行图像处理，找到反射光源光斑在图像中的位置，计算出光斑的重心，存储记录重心位置数据，之后开始下一轮采样和处理。
步进电机10带动激光头1转动360度之后，我们将获得N个和相应角度对应的反射光斑的位置坐标。重新整合这些数据，通过图像处理和算法拟合，可获得光斑在CCD感光面上的圆形移动轨迹，如图7所示即为叠加在一起的N个光斑的圆形轨迹，以及圆形的半径R，如图8所示为数据拟合出圆形轨迹半径的示意图。
拟合的过程主要使用变换后的最小二乘法，将采集的数据拟合成后的圆形轨迹，拟合出的线性函数再经过反变换，得出光斑移动圆形轨迹曲线，进而获得半径R，实际的物高是激光头距离旋转中心的距离H，通过远心光路物像放大率的计算公式可知，前方的反射光斑距离测量仪器的长度为L1=L2
Figure 651165DEST_PATH_IMAGE002
H/R，其中L2为光学***入瞳处的孔径光阑到等效***中心的距离，H和R为测量***获得的参数，H为固定常数，通过测量R的长度，即像面的高度，来间接测量距离L1，如图9所示为光学***几何关系示意图。多点测量的方式在测量中引入了多个测量点（N个光斑位置坐标），提高了测量的准确性。此外由于使用圆形轨迹的方式，可以精确的得到CCD上用于计算像高的零点，避免了为CCD零点和几何零点同步而进行的校正和标定的过程。
面阵CCD图像传感器11的驱动与信号处理，***选用行间转移型面阵CCD，相比于其他类型的面阵CCD，行间转移型面阵CCD成像区与存储区呈列交错，速度最快且能连续成像。
如图10所示，面阵CCD驱动和信号处理电路硬件连接图，面阵CCD的驱动电路主要由供电模块、驱动器电路和驱动时序产生电路三部分组成。根据面阵CCD驱动电压和直流偏置要求，以及整个***的用电要求，供电模块需提供多种电压电平。以型号为KAI-0340的面阵CCD为例，其所需电压种类有，+3.3V，+5V，±9V，+10V，+15V，±20V。为了提高电源效率和实现便携性，整个供电模块从外部输入的电压为15V。+3.3V，+5V，+9V，+10V由集成稳压芯片产生。
本***选用ADI公司的***Blackfin系列DSP芯片作为图像采集和处理的核心。Blackfin系列芯片具有强大的图像处理能力，工作频率高达600MHz。
如图11为软件流程图。主要分为光学***焦距调节，自动对焦，检测图像采集，数据拟合和距离测算。焦距调节具体为，CCD图像采集，通过DMA将数据传输保存至缓冲区，调用图像处理函数，找到圆形光斑并确定重心位置，然后驱动压电陶瓷，使得所成的像放大或者缩小到指定区域，期间继续利用CCD采集图像，以判断是否到达指定位置。之后，记录修正后的入瞳孔径光阑到光学***中心的距离L2。
自动对焦具体为，CCD采集图像后，调用处理函数，找到对焦窗口。然后压电陶瓷试探性移动，找到高频丰富，梯度明显的位置，完成自动对焦过程。检测图像采集具体为，随着激光器的转动采集图像数据，调用处理函数，找到反射光斑的位置，并确定其重心的坐标位置。结合采集的各个点坐标，拟合出圆形轨迹的中心以及半径长度R，代入公式计算出距离。

Claims (4)

1.一种激光测距仪，其特征在于，包括由镜头（1）、可旋转激光头（2）组成的光学***，由面阵CCD图像传感器（11）、图像采集处理电路、可旋转激光头（2）的驱动模块、电源模块（16）、用以显示信息的液晶（17）以及用以输入测量设置信息的按键（18）组成的硬件电路***，作为外壳的机械***，以及图像处理测量软件部分，镜头（1）包括孔径光阑（3）、透镜组（4）、连接杆（5）、调焦压电陶瓷（6），可旋转激光头（2）驱动模块包括步进电机（10）、激光器（9）、传输光纤（8），步进电机控制可旋转激光头（2）绕镜头轴旋转，激光器（9）发出激光，经光纤（8）传输至可旋转激光头（2），再经可旋转激光头（2）前端的激光准直透镜（7）准直照射到前方被测物体表面，发生漫反射，反射光斑的光线到达镜头（1），经过镜头（1）内的光学***后在面阵CCD图像传感器（11）表面成像，实现光电转换，面阵CCD图像传感器（11）输出图像数据传输到图像采集处理电路，输出控制调焦压电陶瓷（6）和对焦压电陶瓷（12）进行光学***调焦，采集理想光斑图像，并驱动可旋转激光头（2）绕镜头轴旋转，采集多点光斑图像，图像采集处理电路计算和图像处理后结果显示在液晶（17）上。
2.根据权利要求1所示的激光测距仪，其特征在于，所述镜头（1）内孔径光阑（3）和透镜组（4）前后排列，连接杆（5）与孔径光阑（3）、透镜组（4）连接，驱动调焦压电陶瓷（6）通过连接杆（5）带动孔径光阑（3）和透镜组（4）移动，并保持孔径光阑始终在物方焦面上，实现变焦。
3.根据权利要求1所示的激光测距仪，其特征在于，所述图像采集处理电路包括CCD图像传感器驱动与ADC电路（13）、连接导线（14）、处理器DSP电路（15），CCD图像传感器驱动与ADC电路（13）驱动CCD图像传感器工作，并对CCD输出的模拟信号进行模数转换，通过连接导线（14）输入DSP电路（15）进行处理。
4.一种激光测距仪的工作方法，其特征在于，具体测量步骤如下：1）安装在仪器上的可旋转激光头（2）发射的激光照射到前方被测物体表面，发生漫反射，反射光斑的光线通过镜头，在面阵CCD图像传感器（11）表面成像，将光信号转换为电信号；
2）将CCD的感光面调整位置，使光学***所成像位于CCD上，同时通过光学***调焦，
将像调整到一个合适的大小，以充分利用CCD的分辨率，最后采集光斑的图像数据，利用多点测量的方式，将激光头（2）以镜头轴为中心进行旋转，记录这一过程中反射光斑的位置信息，拟合出移动的圆形轨迹，这个轨迹的半径就是计算待测距离要用的像高数据，激光头（2）距离镜头中心的几何长度，就是对应物高；
3）激光头（2）以镜头轴为中心进行旋转，通过拍摄激光点的运动轨迹再通过图像处理的方法，可以计算出旋转的圆形轨迹的圆心以及旋转的半径，已知激光头到旋转中心的距离，代入公式就可以计算出待测距离L1，L1=L2                                                
Figure 2011101857992100001DEST_PATH_IMAGE001
H/R，其中L2为光学***入瞳处的孔径光阑到等效***中心的距离，H和R为测量***获得的参数，H为物高，是激光头距离***的几何旋转中心的距离，R为CCD上的像高。
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