高精度低成本激光振镜扫描3D视觉系统关键技术研究

发布时间：2017-12-07 07:39

  本文关键词：高精度低成本激光振镜扫描3D视觉系统关键技术研究

  更多相关文章： 激光3D视觉系统 飞行时间法 二维扫描成像 偏振收发隔离 时间间隔测量

【摘要】：智能系统是当前国民科技发展的重要部分,该领域对于高精度感知环境3D图像信息采集有迫切需求。激光3D视觉系统是目前最高效的环境3D信息采集技术之一。信息获取能力强、工作距离远、抗干扰能力强使其可以成为智能系统重要的信息获取手段。然而,在实际应用中,激光3D视觉系统面临着技术难度大,器件价格高的问题。本论文基于此,提出了一种高精度低成本激光振镜扫描3D视觉系统设计方案,从关键问题和关键技术入手,研制了一套激光振镜扫描3D视觉系统原理样机。成像实验表明系统总体性能达到了国内同类研究的先进水平。论文主要研究内容如下:(1)对激光振镜扫描3D视觉系统进行了总体结构设计。成像方式采用检流计式振镜扫描,通过闭环控制,获取激光照射的空间位置信息,依靠雪崩光电二极管高的灵敏度特性获取目标回波,以飞行时间法高精度测量目标环境的距离,最后将目标区域的位置信息和距离信息融合成3D图像信息;推导了大气透过率和目标光学特性的理论公式,在直接探测激光雷达距离方程条件下,估算并选择了符合要求的激光脉冲发射机;分析了检流计式振镜工作原理,从关键参数角度入手,确定了检流计式振镜的选型依据,选择了单元雪崩光电二极管的光电探测手段,分析了雪崩光电二极管的工作原理和特性,并依据关键参数选择了符合系统要求的雪崩光电二极管。(2)研究了低成本激光二维高速高效振镜扫描技术。通过分析二维检流计式振镜的扫描轨迹,讨论并选择适合激光振镜扫描3D视觉系统的扫描轨迹排列,并对扫描轨迹的失真情况进行了仿真,得到有效的校正方法;将校正算法代入到二维检流计式振镜的驱动电压输入中测量扫描轨迹校正结果,获得均匀的空间点阵;为了实现360°全视场扫描,计算并选择了适合本文激光振镜扫描3D视觉系统的转台。(3)设计并加工收发合置偏振隔离光学系统。设计加工发散角小于0.75mrad、光斑4mm直径输出的准直扩束系统;设计加工偏振隔离光开关,P光透过率90%以上,S光反射率90%以上,P光和S光成90?分离;设计加工4倍扩束伽利略式扫描望远系统,扫描角?10?;设计加工APD光学系统,弥散圆为51?m,有效焦距40mm;对杂散光问题进行了讨论和分析,提出解决方法:第一种方法是利用偏振隔离原理隔离伽利略式扫描望远系统表面反射杂散光,第二种方法是通过旋转固定角度来屏蔽1/4波片表面反射杂散光,两种方法均获得了较好的杂散光隔离效果。(4)研究了高精度时间间隔测量与时刻判别技术。从测时和鉴时两个方面提高系统的测距精度:测时选择时间数字转换器,比较传统的模拟时间间隔测量技术和现在流行的时间数字转换时间间隔测量技术,选择延迟线插入法提高测量精度,并依据仪器指标计算出了该时间数字转换器的理论测时误差;鉴时选择了恒比定时法,并根据系统总测量误差和测时误差确定了恒比定时的鉴时误差,分析恒比定时鉴时时间漂移和虚警率得到了相应的阈值设定,确定了112m V的阈值设定值,并选择了鉴时误差小于100ps的四通道恒比定时器;讨论并分析了系统时序同步问题,确定了更为精确的光触发方案。(5)搭建激光振镜扫描3D视觉系统进行实验。包括系统最远工作距离测定,系统固定延时标定,激光测距精度标定和系统扫描成像实验。从实验结果可以看出,高精度低成本激光振镜扫描3D视觉系统指标达到了期望数值,100m工作距离、53mm测距精度、10??10?大视场加转台360°全视场的扫描以及10k(高帧频)~100k(低帧频)的高分辨率。同时,应用成熟的振镜扫描技术也让系统实现了小型化和低成本的目标,拥有广泛的应用前景。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN249

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本文编号：1261654