新型光電測(cè)距與三維成像技術(shù)研究.pdf

1、本論文工作是以中國(guó)科大物理系與美國(guó)微軟公司西雅圖硬件部的國(guó)際合作為背景，著重針對(duì)一維單模垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)自混合測(cè)距、二維光學(xué)雙鏡頭三角法測(cè)距和基于LED陣列飛行時(shí)間(Time of Flight： TOF)測(cè)距的三維成像三方面進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。 本文重點(diǎn)研究了影響單模VCSEL自混合測(cè)距的精度和動(dòng)態(tài)范圍等重要參數(shù)的各種因素，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；重點(diǎn)研究了二維光學(xué)雙鏡頭三角法測(cè)距系統(tǒng)的光電設(shè)計(jì)方法，深

2、入分析了光學(xué)雙鏡頭三角法測(cè)距誤差來(lái)源并對(duì)其進(jìn)行了合理地修正；從原理結(jié)構(gòu)和方法上提出一種新的基于LED陣列TOF測(cè)距的三維成像技術(shù)，深入地分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從理論上提出了簡(jiǎn)化的信噪比(Signal Noise Ratio： SNR)模型，合理的解釋了深度圖象像素?cái)?shù)量、深度測(cè)量分辨率和深度測(cè)量速度等重要參數(shù)之間的制約關(guān)系，并且為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。 本論文的主要研究工作和成果如下： 1.完成了單模VCSEL自混合測(cè)距的原理

3、與系統(tǒng)研究；設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的光學(xué)和信號(hào)處理電路，搭建了單模VCSEL自混合測(cè)距系統(tǒng)原型樣機(jī)；從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)影響系統(tǒng)測(cè)距精度和動(dòng)態(tài)范圍等重要參數(shù)的各種因素進(jìn)行了深入分析研究。應(yīng)用差頻模擬鎖相技術(shù)代替快速傅立葉信號(hào)處理技術(shù)，選取最佳的三角波調(diào)制頻率以及對(duì)單模VCSEL進(jìn)行小電流調(diào)制等優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可明顯提高拍頻信號(hào)信噪比，使測(cè)距精度達(dá)到2mm，動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大到50～500mm。 2.完成了二維光學(xué)雙鏡頭三角法測(cè)距的原理與系統(tǒng)研究；詳細(xì)闡

4、述了二維雙鏡頭三角法測(cè)距系統(tǒng)的光學(xué)和電子學(xué)設(shè)計(jì)，研制了實(shí)時(shí)二維雙鏡頭三角法測(cè)距系統(tǒng)樣機(jī)，深入分析了系統(tǒng)測(cè)距誤差來(lái)源并對(duì)其進(jìn)行了修正。通過(guò)應(yīng)用小孔成像代替普通鏡頭成像，從實(shí)驗(yàn)角度證明了大視角非近軸光線(xiàn)的鏡頭失真是造成測(cè)距誤差的主要原因?；趯?shí)驗(yàn)的角度提出了一種經(jīng)驗(yàn)修正公式，簡(jiǎn)化了理論修正公式的形式，明顯地提高系統(tǒng)的測(cè)距精度和速度。修正后的測(cè)距系統(tǒng)實(shí)際工作范圍可達(dá)80mm×100mm，分辨率高于0.2mm，定位精度優(yōu)于2mm。 3.

5、從原理結(jié)構(gòu)和方法上提出一種新的基于LED陣列TOF測(cè)距的三維成像技術(shù)。詳細(xì)闡述了10×10的LED陣列TOF測(cè)距的三維成像系統(tǒng)的光學(xué)和電子學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了實(shí)時(shí)的10×10 LED陣列TOF測(cè)距的三維成像系統(tǒng)樣機(jī)。深入地分析了TOF測(cè)距的結(jié)果，從理論上提出了簡(jiǎn)化的SNR模型，合理的解釋了深度圖象像素?cái)?shù)量、深度測(cè)量分辨率和深度測(cè)量速度等重要參數(shù)之間的制約關(guān)系，并且為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。優(yōu)化后的10×10 LED陣列TOF測(cè)距的三維成像系統(tǒng)

6、在5～100cm的范圍內(nèi)，深度分辨率優(yōu)于±5mm，圖像獲取速度可達(dá)10fps。 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括： 1.利用差頻模擬鎖相技術(shù)處理VCSEL自混合信號(hào)，明顯改善了自混合拍頻信號(hào)在拐點(diǎn)處的不連續(xù)，同時(shí)對(duì)信號(hào)波形的調(diào)幅干擾和波形失真有明顯抑制效果，明顯提高拍頻信號(hào)的信噪比，提高了測(cè)距精度和動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)單模VCSEL選取合適的三角波調(diào)制頻率以及進(jìn)行小電流調(diào)制等優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以改善自混合拍頻信號(hào)頻率的測(cè)量精度和減小由激光器

7、非線(xiàn)性調(diào)制引入的測(cè)距誤差。 2.從實(shí)驗(yàn)角度證明了光學(xué)雙鏡頭三角法測(cè)距系統(tǒng)中大視角非近軸光線(xiàn)的鏡頭失真是造成測(cè)距誤差的主要原因，并與基于鏡頭大視角成像的高階畸變理論分析的結(jié)果一致。針對(duì)復(fù)雜理論修正公式，基于實(shí)驗(yàn)的角度提出了一種經(jīng)驗(yàn)修正公式，簡(jiǎn)化了修正公式的形式，明顯地提高系統(tǒng)的測(cè)距精度和速度。 3.從原理結(jié)構(gòu)和方法上提出一種新的基于LED陣列TOF測(cè)距的三維成像技術(shù)。應(yīng)用快速時(shí)分掃描光功率調(diào)制的LED陣列方法實(shí)現(xiàn)了無(wú)需機(jī)械