CN102680959A - 关联成像激光雷达的发射模块 - Google Patents

Abstract

一种关联成像激光雷达的发射模块，其特点在于该发射模块包括：散斑光源、成像***、数据存储器和同步控制器，所述的散斑光源和成像***固定在同一底座上，本发明具有脉冲发射速度快、光能利用率高、可有效降低参考光场的重影强度等特点。

Description

关联成像激光雷达的发射模块

技术领域

本发明涉及关联成像激光雷达，特别是一种关联成像激光雷达的发射模块。

背景技术

关联成像（包括鬼成像和压缩感知）是一种全新的成像体制。它利用光场的涨落对目标进行编码，而仅采用一个无空间分辨的探测器接收多幅目标反射信号，通过关联算法就可以得到目标的清晰图像。

南京邮电大学的赵生妹的硕士论文《热光源鬼成像及压缩感知应用研究》详细介绍了鬼成像的算法，David L. Donoho的文章“Compressed Sensing”，IEEE Transactions on Information Theory, V52, NO. 4, 2006. 中详细介绍了压缩感知算法的表达和证明。

将关联成像应用于激光雷达具有以下两个优点：1.探测距离远，关联成像的接收器采用无空间分辨的单点探测器，所有的接收光能叠加形成较强的光信号，然后通过多次采样并进行相关运算，可以有效降低噪声对成像的影响，具有比激光闪光照相更远的探测距离；2.成像速度快，因为关联成像利用了被探测目标的稀疏特性，可以在比成像像素数少得多的脉冲数情况下反演出目标的清晰像，因此比扫描式激光雷达的速度更快，尤其在对空探测时具有更好的效果。

关联成像激光雷达一般包括发射模块和接收模块，发射模块是该类型激光雷达的关键部分，发射模块的主要功能为：发射多幅强度分布变化的光场信号到目标上，并通过本地测量或计算方法记录此光场分布，目标上的光场分布统计越准确，成像分辨率越高。另外，根据关联成像技术的特点，当发射的光场信号的空间频率与被观测目标相匹配时，成像效率最高，因此发射模块还应具有光场信号的空间频率可调功能。在先技术1（中国专利，申请号：200910195346.0）公布了一种无透镜关联成像装置，其光学***具有高精度、简单等优点，但对成像的距离有较大的限制，且自由传播的光能量利用率也较低。在先技术2（中国专利，申请号：201010573043.0）公布了一种运用计算方法获取目标光场分布的关联成像方法，这种方法的发射模块对空间光调制器的精度提出了较高的要求，另外，通过计算方法获取目标光场分布需要保证激光分布方式、视场大小、孔径大小等都是已知的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种关联成像激光雷达的发射模块，该发射模块具有脉冲发射速度快、光能利用率高、可有效降低参考光场的重影强度等特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种关联成像激光雷达的发射模块，其特点在于该发射模块包括：散斑光源、成像***、数据存储器和同步控制器，所述的散斑光源和成像***固定在同一底座上；

所述的散斑光源由激光器、光束变换器、光散射板、电动平移台和电动旋转台组成，所述的电动旋转台安装在电动平移台上，所述的电动旋转台运动平面与所述的电动平移台的运动方向平行，所述的光散射板固定在所述的电动旋转台上；

所述的成像***由场镜、第一光阑、第二光阑、分光片、发射镜、参考镜、光衰减器和阵列探测器组成；

沿所述的激光器发出的激光束的方向依次是光束变换器、光散射板、场镜、第一光阑、第二光阑和分光片，该分光片将所述的激光束分为反射光和透射光，所述的反射光经过发射镜照射在被观测目标上，所述的透射光依次经过所述的参考镜和光衰减器，最终照射在所述的阵列探测器上，所述的场镜将所述的光散射板的散射面成像在所述的第二光阑上，所述的参考镜将所述的第一光阑成像在所述的阵列探测器的探测面上；

所述的数据存储器与所述的阵列探测器的输出端相连，用于存储阵列探测器采集的一系列参考光场数据；

所述的同步控制器与所述的激光器、电动平移台、电动旋转台和数据存储器相连，以实现同步控制。

所述的光散射板在所述的电动旋转台和电动平移台同时驱动下作螺旋扫描运动，所述的激光器发出的激光束经过光束变换器将所述的光束直径变换后照射在作螺旋扫描运动的光散射板上，经过光散射板散射后在后面空间中产生激光散斑场。

所述的激光器为脉冲式单横模激光器。

所述的光束变换器为一个变倍率扩束器或变倍率缩束器，或是一个可变焦镜头，或是一个可前后移动的透镜，用于控制照射在光散射板上的激光光斑尺寸。

所述的光散射板为毛玻璃或喷砂玻璃或相位板。

所述的电动平移台安装有光栅尺或编码器，以精确定位移动方位；所述的电动旋转台安装有光栅尺或编码器，以精确定位旋转方位。

所述的第一光阑为固定大小光阑或可变光阑；所述的第二光阑为固定尺寸光阑，保证照射到发射镜和参考镜上的光线均在各自的通光孔径之内。

所述的分光片为分光平片或具有微小楔角的分光楔板，第一面为分光面且反射率大于等于90%，第二面镀增透膜，分光楔板的楔角用于矫正分光楔板本身产生的像散。

所述的发射镜为一组定焦光学透镜或变焦光学透镜，并将第一光阑成像在被观测目标上，该发射镜沿光轴前后移动，以对不同距离的目标成像。

所述的阵列探测器，为CCD或CMOS相机，用于记录参考光场；

第一次成像时，电动平移台和电动旋转台首先回归零点，然后所述的同步控制器控制激光器、电动平移台、电动旋转台和数据存储器同步运行，保证光散射板每运动过一个设定的角度，本发明关联成像激光雷达的发射模块就出射一个新的光场，同时数据存储器记录下此时的参考光场；

第二次和后续成像时，如果本发明的所有器件相对位置和状态均未发生变化，则阵列探测器可不必工作，而直接调用数据存储器在第一次成像时所记录的参考光场。

本发明和现有技术相比，具有以下几个优点：

脉冲发射速度快，本发明在多次成像时可关闭阵列探测器，避免了阵列探测器的低速率特性对发射模块脉冲发射速度的影响，同时也有效降低了数据量；

光能利用率高，本发明中所述的第二光阑只是限制***的最大通光孔径，以保证目标光场和参考光场的相似性。照射在光散射板上的光斑没有超过所述的第二光阑限制时，激光能量的利用率不会发生较大变化，避免了传统的改变光阑大小会导致激光能量变化太大的问题。

降低了参考光场的重影强度，本发明采用分光片分光方式，且先将大部分能量反射作为出射光，而剩余的透射光作为参考光，有效降低了分光片第二面产生的重影强度：

按照本发明的分光方式，以分光片的反射光和透射光的比例为96:4，另一面透过率设为99.8%为例计算，则重影强度/有效光强度=（0.04×0.002×0.96×0.998）/（0.04×0.998）≈1/520；

若按传统的反射光做参考光，以分光片的反射光和透射光的比例为4:96，另一面透过率设为99.8%为例计算，则参考光路中“重影强度/有效光强度=（0.96×0.002×0.96）/0.04≈1/22”；

从上面的示例计算可以看出，本发明所采用的分光方式有效降低了参考光的重影强度。

本发明的目的和优点由下面在附图中所示的本发明的优选实施例示意图可以更加清楚地阐明。

附图说明

图1是本发明关联成像激光雷达的发射模块的一个优选实施例的光路结构示意图；

图2是本发明光束变换器实施例1示意图。

图3是本发明光束变换器实施例2示意图。

图4是本发明光束变换器实施例3示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应限制本发明的保护范围。

图1是本发明关联成像激光雷达的发射模块的一个优选实施例的结构示意图，如图1所示，本发明关联成像激光雷达的发射模块，包括：散斑光源2、成像***3、数据存储器4和同步控制器5，所述的散斑光源2和成像***3固定在底座1上；

所述的散斑光源2由激光器201、光束变换器202、光散射板203、电动平移台204和电动旋转台205组成，所述的光散射板203固定在所述的电动旋转台205上；

所述的成像***3由场镜301、第一光阑302、第二光阑303、分光片304、发射镜305、参考镜306、光衰减器307和阵列探测器308组成，

沿所述的激光器201发出的激光束的方向依次是光束变换器202、光散射板203、场镜301、第一光阑302、第二光阑303和分光片304，该分光片304将所述的激光束分为反射光和透射光，所述的反射光经过发射镜305照射在被观测目标上，所述的透射光依次经过所述的参考镜306和光衰减器307，最终照射在所述的阵列探测器308上，所述的场镜301将所述的光散射板203的散射面成像在所述的第二光阑303上，所述的参考镜306将所述的第一光阑302成像在所述的阵列探测器308的探测面上；

所述的数据存储器4与所述的阵列探测器308的输出端相连，用于存储阵列探测器308采集的一系列参考光场数据；

所述的同步控制器5同时与所述的激光器201的控制端、电动平移台204的控制器、电动旋转台205的控制器和数据存储器4的控制端相连，以实现同步控制。

所述的光散射板203在所述的电动旋转台205和电动平移台204同时驱动下作螺旋扫描运动，所述的激光器201发出的激光束经过光束变换器202将所述的光束直径变换后照射在作螺旋扫描运动的光散射板203上，经过光散射板203散射后在后面空间中产生激光散斑场。

所述的激光器201为脉冲式单横模激光器。

所述的光束变换器202为一个变倍率扩束器或变倍率缩束器，用于控制照射在光散射板203上的激光光斑尺寸。

所述的光散射板203为毛玻璃、喷砂玻璃或相位板。

所述的电动平移台204安装有光栅尺或编码器，可以在运动方向精确定位。

所述的电动旋转台205安装有光栅尺或编码器，可以在旋转方向精确定位。

所述的第一光阑302为固定大小光阑或可变光阑。

所述的第二光阑303为固定尺寸光阑，保证照射到发射镜305和参考镜306上的光线均在各自的通光孔径之内。

所述的分光片304为分光平片或具有微小楔角的分光楔板，第一面为分光面且反射率大于等于90%，第二面镀增透膜，分光楔板的楔角用于矫正分光楔板本身产生的像散。

所述的发射镜305为一组定焦光学透镜或变焦光学透镜，并将第一光阑302成像在被观测目标上，将发射镜305沿光轴前后移动，可用于对不同距离的目标成像；

所述的阵列探测器308为CCD或CMOS相机，用于记录参考光场。

第一次成像时，电动平移台204和电动旋转台205首先回归零点，然后所述的同步控制器5控制激光器201、电动平移台204、电动旋转台205和数据存储器4同步运行，保证光散射板203每运动过一个设定的角度，本发明就出射一个新的光场，同时数据存储器4记录下此时的参考光场；

第二次和后续成像时，如果本发明的所有器件相对位置和状态均未发生变化，则阵列探测器308可不必工作，而直接调用数据存储器4在第一次成像时所记录的参考光场。

图2是本发明光束变换器实施例1示意图；

如图所示，光束变换器202为一个可变焦透镜组，由第一透镜21、第二透镜22组成，第一透镜21和第二透镜22与入射激光共轴，激光出射后照射在光散射板203上；

所述的光扩散板203位于光束变换器202的后焦面之前；

所述的第一透镜21为一个负光焦度透镜，且可前后移动；

所述的第二透镜22为一个正光焦度透镜；

前后移动第一透镜21可以改变从第二透镜22出射的激光的发散角，从而改变改变照射在光散射板203上的光斑大小。

本光束变换器实施例的优点在于可以使照射在光散射板203上的激光光斑尺寸有较大的变换范围。

图3是本发明光束变换器实施例2的示意图；

如图所示，光束变换器202由一个变倍率扩束器23和透镜24构成，变倍率扩束器23和透镜24与入射激光共轴，激光出射后照射在光散射板203上；

光散射板203位于透镜24的后焦面之前；

通过调节变倍率扩束器23的倍率可以改变照射在透镜24上的光束尺寸，从而改变照射在光散射板203上的光斑大小。

图4是本发明光束变换器实施例3示意图；

如图所示，光束变换器202为一个可前后移动的具有正光焦度的透镜25，光散射板203位于透镜25的后焦面之前，通过前后移动透镜25可以改变聚焦在光扩散板203上的激光光斑尺寸。

本发明不限于上述实施方式，例如在激光器201、光束变换器202、光扩散板203之间设置一个或多个反射镜，在光扩散板203之后或参考镜306之后设置反射镜，用于优化光路排布。

经实验表明，本发明具有脉冲发射速度快、光能利用率高、可有效降低参考光场的重影强度等特点。

Claims (10)

1.一种关联成像激光雷达的发射模块，其特征在于该发射模块包括：散斑光源（2）、成像***（3）、数据存储器（4）和同步控制器（5），所述的散斑光源（2）和成像***（3）固定在同一底座（1）上；

所述的散斑光源（2）由激光器（201）、光束变换器（202）、光散射板（203）、电动平移台（204）和电动旋转台（205）组成，所述的电动旋转台（205）安装在电动平移台（204）上，所述的电动旋转台（205）旋转平面与所述的电动平移台的运动方向平行，所述的光散射板（203）固定在所述的电动旋转台（205）上；

所述的成像***（3）由场镜（301）、第一光阑（302）、第二光阑（303）、分光片（304）、发射镜（305）、参考镜（306）、光衰减器（307）和阵列探测器（308）组成；

沿所述的激光器（201）发出的激光束的方向依次是光束变换器（202）、光散射板（203）、场镜（301）、第一光阑（302）、第二光阑（303）和分光片（304），该分光片（304）将所述的激光束分为反射光和透射光，所述的反射光经过发射镜（305）照射在被观测目标上，所述的透射光依次经过所述的参考镜（306）和光衰减器（307），最终照射在所述的阵列探测器308上，所述的场镜（301）将所述的光散射板（203）的散射面成像在所述的第二光阑（303）上，所述的参考镜（306）将所述的第一光阑（302）成像在所述的阵列探测器（308）的探测面上；

所述的数据存储器（4）与所述的阵列探测器（308）的输出端相连，用于存储阵列探测器308采集的一系列参考光场数据；

所述的同步控制器（5）同时与所述的激光器（201）、电动平移台（204）、电动旋转台（205）和数据存储器（4）相连，以实现同步控制。

2.根据权利要求1所述的关联成像激光雷达的发射模块，其特征在于所述的光散射板（203）在所述的电动旋转台（205）和电动平移台（204）同时驱动下作螺旋扫描运动，所述的激光器（201）发出的激光束经过光束变换器（202）将所述的光束直径变换后照射在作螺旋扫描运动的光散射板（203）上，经过光散射板（203）散射后在后面空间中产生激光散斑场。

3.根据权利要求1所述的关联成像激光雷达的发射模块，其特征在于所述的激光器（201）为脉冲式单横模激光器。

4.根据权利要求1所述的关联成像激光雷达的发射模块，其特征在于所述的光束变换器（202）为一个变倍率扩束器、变倍率缩束器、由一个变倍率扩束器和透镜构成、前后移动的具有正光焦度的透镜，以改变聚焦在光扩散板（203）上的激光光斑尺寸。

5.根据权利要求1所述的关联成像激光雷达的发射模块，其特征在于所述的光散射板203为毛玻璃或喷砂玻璃或相位板。

6.根据权利要求1所述的关联成像激光雷达的发射模块，其特征在于所述的电动平移台（204）安装有光栅尺或编码器，以精确定位移动方位；所述的电动旋转台（205）安装有光栅尺或编码器，以精确定位旋转方位。

7.根据权利要求1所述的关联成像激光雷达的发射模块，其特征在于所述的第一光阑（302）为固定大小光阑或可变光阑；所述的第二光阑（303）为固定尺寸光阑，保证照射到发射镜（305）和参考镜（306）上的光线均在各自的通光孔径之内。

8.根据权利要求1所述的关联成像激光雷达的发射模块，其特征在于所述的分光片（304）为分光平片或具有微小楔角的分光楔板，第一面为分光面且反射率大于等于90%，第二面镀增透膜，分光楔板的楔角用于矫正分光楔板本身产生的像散。

9.根据权利要求1所述的关联成像激光雷达的发射模块，其特征在于所述的发射镜（305）为一组定焦光学透镜或变焦光学透镜，并将第一光阑（302）成像在被观测目标上，该发射镜（305）沿光轴前后移动，以对不同距离的目标成像。

10.根据权利要求1至9任一项所述的关联成像激光雷达的发射模块，其特征在于所述的阵列探测器（308）为CCD或CMOS相机。

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