[发明专利]基于多次积分的三维成像雷达系统及方法

说明书

技术领域

本发明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及方法。

背景介绍

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增强CCD（ICCD），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2π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。目前也有借助增强CCD（ICCD）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CCD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，但由于采用了激光器灯昂贵器件，系统总体成本依然较高，且探测距离和精度受到有较大的局限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的局限和不足，提供一种基于多次积分的三维成像雷达系统及方法。本发明利用相对低廉的LED/激光光源和普通CCD或CMOS面阵探测器实现三维雷达成像。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于多次积分的三维成像雷达系统，它包括：LED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，LED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LED光源产生一系列光脉冲串，这些光脉冲串照射在物体上，物体会依次将光反射回来；反射回来的光经过光带通滤波器被图像传感器感光，在图像传感器上形成图像；对同一脉冲的反射光，图像传感器在电子快门的作用下在对其连续三次曝光成像，通过数据处理器对这三幅幅图像的分析就能获得物体的轮廓信息和距离信息，最后通过显示终端将结果显示出来；所述LED光源是由能产生微秒、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。

一种应用上述系统的基于多次积分的三维成像方法，包括以下步骤：

包括以下步骤：

（1）LED光源产生一个光脉冲，在电子快门控制的曝光时间内，图像传感器连续采集三个由这个脉冲光在同一位置物体反射回来的光波，采集时间间隔为τ，得到前后三帧图像，其中前两帧图像像素数较低，后一帧图像像素较数高；

（2）通过像素合并的方式将第三帧图像拟合成与前两帧图像相同像素的图像，可得第三帧图像的高像素与低像素图像，其中高像素图像由于像素较高包含了较多的物体轮廓信息；

（3）通过数据处理器对前两帧图像和第三帧图像的低像素图像进行处理，得到物体的距离信息点；

波长为λ的光采集的两帧图像中产生的光强随距离的变化分别满足：