掃帚式激光三維掃描成像系統(tǒng)設計與實驗

張茂云，丁紅昌，唐 晨，于正林

（長春理工大學 機電工程學院，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，在對被測目標的三維重建方面極具潛力?，F(xiàn)有的掃描成像方式主要有：振鏡式掃描、轉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)

國內三維掃描測量的研究主要集中在振鏡式掃描和轉鏡式掃描，振鏡掃描由于其效率高、重復性能好等優(yōu)勢是三維掃描應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)，掃描視場角達到了±10°，但是在該視場角下其掃描頻率在50Hz以下[6]。

轉鏡掃描是在馬達的帶動下旋轉的，所以其掃描速度可以做的很快。由于轉鏡掃描的穩(wěn)定性高、掃描視場大等特點也成為了三維掃描的主要應用之一，但是轉鏡體積大、成本高，并且受加工工藝的影響反射面的光束反射質量比較低，因此也影響了測量精度。國防科技大學使用旋轉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鏡的加工工藝限制，課題組設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、接收光學系統(tǒng)，伺服機構，PC機等部分組成。其中脈沖激光器、驅動器、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)射激光通過光學系統(tǒng)擴束準直，再由單反射掃描系統(tǒng)將發(fā)射激光偏轉后照射到被測目標，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，被測目標散射回系統(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，將電信號轉換成目標距離信息，形成距離圖像信息，完成三維掃描成像。

圖1 單線激光雷達二維掃描系統(tǒng)組成原理框圖

1.2 單線激光雷達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系，設地平面為OXY平面，單線激光雷達最大掃描角為∠ACB，設為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，由此可得激光雷達掃描測量寬度w=AB如式(1)所示。

為使所成圖像不失真，設激光雷達單線測量點數(shù)為m（m為奇數(shù)），單線激光雷達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 單線激光雷達掃描仿真示意圖

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

圖4 單線激光雷達幀掃描軌跡示意圖

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''點的坐標可表示為。實際應用中是由激光雷達測量獲取的數(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所示單線激光雷達掃描測試現(xiàn)場，所用單線激光雷達的水平視場角為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 結語

論文結合三維成像激光雷達現(xiàn)狀，建立了一種基于單線激光雷達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物的形貌判別，建立的三維測量系統(tǒng)在30m距離處對目標進行掃描，角度分辨率0.06°，行分辨率6cm，幀頻2Hz。實現(xiàn)了快速掃描、高精度目標測量及系統(tǒng)小型化等目標。