掃帚式激光三維掃描成像系統(tǒng)設(shè)計與實驗

張茂云，丁紅昌，唐 晨，于正林

（長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022）

0 引言

與紅外和可見光成像相比，激光成像具有精度高、速度快和抗干擾能力強等優(yōu)勢。從功能上將激光雷達(dá)劃分為掃描成像、測距和跟蹤。隨著激光器發(fā)射頻率、激光接收器和高速掃描器等技術(shù)的快速發(fā)展，激光掃描成像的分辨率及掃描頻率等都有了極大的提高，在對被測目標(biāo)的三維重建方面極具潛力。現(xiàn)有的掃描成像方式主要有：振鏡式掃描、轉(zhuǎn)鏡式掃描和推帚式掃描。

國外已有的激光推帚三維成像系統(tǒng)[1～5]如表1所示。

表1 美國推帚式激光掃描系統(tǒng)

國內(nèi)三維掃描測量的研究主要集中在振鏡式掃描和轉(zhuǎn)鏡式掃描，振鏡掃描由于其效率高、重復(fù)性能好等優(yōu)勢是三維掃描應(yīng)用最成熟的掃描方式之一。但是要想提高振鏡掃描的頻率就要犧牲其掃描角度，因此振鏡掃描角度一般比較小（10°～25°）。中科院上海物理研究所2009年使用二維振鏡掃描方式研制成功機載成像系統(tǒng)，掃描視場角達(dá)到了±10°，但是在該視場角下其掃描頻率在50Hz以下[6]。

轉(zhuǎn)鏡掃描是在馬達(dá)的帶動下旋轉(zhuǎn)的，所以其掃描速度可以做的很快。由于轉(zhuǎn)鏡掃描的穩(wěn)定性高、掃描視場大等特點也成為了三維掃描的主要應(yīng)用之一，但是轉(zhuǎn)鏡體積大、成本高，并且受加工工藝的影響反射面的光束反射質(zhì)量比較低，因此也影響了測量精度。國防科技大學(xué)使用旋轉(zhuǎn)多面鏡加脈沖激光測距體制研制出一種面掃描激光測量系統(tǒng)，對24米的被測目標(biāo)進行成像，測距精度為9cm，掃描頻率為30Hz，像素分辨率為16×101[7～10]。

為了消除振鏡掃描視場角小以及轉(zhuǎn)鏡的加工工藝限制，課題組設(shè)計了一種掃帚式激光三維掃描成像系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)組成及建模仿真，進行了系統(tǒng)性能測試，并給出了測試結(jié)果。

1 系統(tǒng)原理及仿真

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示的激光二維掃描成像系統(tǒng)原理框圖。系統(tǒng)由激光發(fā)射、接收電路系統(tǒng)，激光發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)，伺服機構(gòu)，PC機等部分組成。其中脈沖激光器、驅(qū)動器、接收APD和信號處理共同組成了接收系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)。

如圖1所示的單線激光雷達(dá)系統(tǒng)工作原理如下：首先由控制系統(tǒng)發(fā)送時序控制信號，用于控制脈沖激光器發(fā)射脈沖信號，發(fā)射激光通過光學(xué)系統(tǒng)擴束準(zhǔn)直，再由單反射掃描系統(tǒng)將發(fā)射激光偏轉(zhuǎn)后照射到被測目標(biāo)，飛行器的水平方向運動完成行掃描，從而使激光束在被測目標(biāo)上完成掃描覆蓋。激光發(fā)射脈沖與掃描視場角在時序上完成對應(yīng)，被測目標(biāo)散射回系統(tǒng)的回波信號由APD探測器接收，在經(jīng)過后續(xù)的回波信號處理，將電信號轉(zhuǎn)換成目標(biāo)距離信息，形成距離圖像信息，完成三維掃描成像。

圖1 單線激光雷達(dá)二維掃描系統(tǒng)組成原理框圖

1.2 單線激光雷達(dá)掃描測量原理及仿真

圖2 掃帚式激光掃描軌跡

如圖2所示建立了三維掃描坐標(biāo)系，設(shè)地平面為OXY平面，單線激光雷達(dá)最大掃描角為∠ACB，設(shè)為θ，掃描系統(tǒng)垂直地平面高度為h=OC，軸向掃描沿X軸正方向運動，由此可得激光雷達(dá)掃描測量寬度w=AB如式(1)所示。

為使所成圖像不失真，設(shè)激光雷達(dá)單線測量點數(shù)為m（m為奇數(shù)），單線激光雷達(dá)在水平面所測點之間的距離Δw相等，如式(2)所示。

掃描測量的任一束激光與垂直地平面的光束之間的夾角為Δθ，如式(3)所示。

圖3 單線激光雷達(dá)掃描仿真示意圖

單線激光雷達(dá)系統(tǒng)沿X 軸方向以速度v 做勻速運動，有l(wèi)=vt，那么被測目標(biāo)的光斑坐標(biāo)就變成了s′(vt,kΔw,0)，假設(shè)v=10m/s，在時間t=0.1s，時間間隔Δt=0.01s情況下，單線激光雷達(dá)幀掃描軌跡如圖4所示。

圖4 單線激光雷達(dá)幀掃描軌跡示意圖

通過前面的分析可以知道在無障礙物的地平面上光斑坐標(biāo)為s′(vt,kΔw,0)，建立如圖5所示的單點激光照射物體表面示意圖，設(shè)光速c、激光發(fā)射到物體表面飛行時間t'，那么s''點的坐標(biāo)可表示為。實際應(yīng)用中是由激光雷達(dá)測量獲取的數(shù)據(jù)。

圖5 單點激光照射物體表面示意圖

假設(shè)障礙物直徑是0.25m的球，如果按照圖4的掃描參數(shù)對其進行點云繪制，可以得到如圖6所示的軌跡。

圖6 v=10m/s的障礙物掃描軌跡

從仿真結(jié)果上很難看出障礙物的形貌，那么將速度修改為v=5m/s，其他參數(shù)不變的情況下，得到如圖7所示的軌跡圖。

圖7 v=5m/s的障礙物掃描軌跡

從圖7可以很好的分辨出障礙物的外形輪廓，由圖6、圖7可以得到，要想的到很清晰的物體輪廓，就必須放慢幀頻，增加行分辨率，而視頻幀頻率在30Hz以上，所以要想激光掃描三維繪制看起來很流暢，那么幀頻最小要達(dá)到30Hz，在即保證分辨率又保證幀頻的情況下，就必須提高雷達(dá)數(shù)據(jù)采集頻率。在現(xiàn)階段受芯片速率的影響，還很難兩者兼顧。因此在實際系統(tǒng)測量過程中，只能先保證物體分辨率，舍掉一部分幀頻。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖8 掃帚式三維成像系統(tǒng)測試現(xiàn)場

如圖8所示單線激光雷達(dá)掃描測試現(xiàn)場，所用單線激光雷達(dá)的水平視場角為30Hz，數(shù)據(jù)幀頻為30Hz，單線點云數(shù)為501點，沿X軸幀掃描直線電機參數(shù)為：加速度a=20m/s2，最大速度v=825m/s（實際使用v=800mm/s），那么對于直徑為0.25m的球掃描，由仿真可知要想看清球的外貌在球體上最少要掃描5條線，我們就按照Δl=60mm間隔掃描8條線為一幀圖像，分別對人體和球體進行掃描，得到如圖9所示實際掃描三維成像效果，由上述參數(shù)可以計算出直線電機運行60mm所用時間約為0.047s，那么一幀圖像的頻率約為2Hz，就算不考慮直線電機運行時間，幀頻也只能在4Hz左右。

圖9 掃帚式三維掃描系統(tǒng)實測效果

3 結(jié)語

論文結(jié)合三維成像激光雷達(dá)現(xiàn)狀，建立了一種基于單線激光雷達(dá)的掃帚式三維成像系統(tǒng)，通過仿真以及實驗現(xiàn)象很好的完成了目標(biāo)物的形貌判別，建立的三維測量系統(tǒng)在30m距離處對目標(biāo)進行掃描，角度分辨率0.06°，行分辨率6cm，幀頻2Hz。實現(xiàn)了快速掃描、高精度目標(biāo)測量及系統(tǒng)小型化等目標(biāo)。