新型光電測距與三維成像技術(shù)研究.pdf

1、本論文工作是以中國科大物理系與美國微軟公司西雅圖硬件部的國際合作為背景，著重針對一維單模垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)自混合測距、二維光學(xué)雙鏡頭三角法測距和基于LED陣列飛行時間(Time of Flight： TOF)測距的三維成像三方面進(jìn)行了深入的理論和實驗研究。 本文重點研究了影響單模VCSEL自混合測距的精度和動態(tài)范圍等重要參數(shù)的各種因素，并對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計；重點研究了二維光學(xué)雙鏡頭三角法測距系統(tǒng)的光電設(shè)計方法，深

2、入分析了光學(xué)雙鏡頭三角法測距誤差來源并對其進(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測距的三維成像技術(shù)，深入地分析了實驗結(jié)果，從理論上提出了簡化的信噪比(Signal Noise Ratio： SNR)模型，合理的解釋了深度圖象像素數(shù)量、深度測量分辨率和深度測量速度等重要參數(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自混合測距的原理

3、與系統(tǒng)研究；設(shè)計了系統(tǒng)的光學(xué)和信號處理電路，搭建了單模VCSEL自混合測距系統(tǒng)原型樣機；從理論和實驗上對影響系統(tǒng)測距精度和動態(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處理技術(shù)，選取最佳的三角波調(diào)制頻率以及對單模VCSEL進(jìn)行小電流調(diào)制等優(yōu)化設(shè)計方法，可明顯提高拍頻信號信噪比，使測距精度達(dá)到2mm，動態(tài)范圍擴大到50～500mm。 2.完成了二維光學(xué)雙鏡頭三角法測距的原理與系統(tǒng)研究；詳細(xì)闡

4、述了二維雙鏡頭三角法測距系統(tǒng)的光學(xué)和電子學(xué)設(shè)計，研制了實時二維雙鏡頭三角法測距系統(tǒng)樣機，深入分析了系統(tǒng)測距誤差來源并對其進(jìn)行了修正。通過應(yīng)用小孔成像代替普通鏡頭成像，從實驗角度證明了大視角非近軸光線的鏡頭失真是造成測距誤差的主要原因?；趯嶒灥慕嵌忍岢隽艘环N經(jīng)驗修正公式，簡化了理論修正公式的形式，明顯地提高系統(tǒng)的測距精度和速度。修正后的測距系統(tǒng)實際工作范圍可達(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測距的三維成像技術(shù)。詳細(xì)闡述了10×10的LED陣列TOF測距的三維成像系統(tǒng)的光學(xué)和電子學(xué)設(shè)計，構(gòu)建了實時的10×10 LED陣列TOF測距的三維成像系統(tǒng)樣機。深入地分析了TOF測距的結(jié)果，從理論上提出了簡化的SNR模型，合理的解釋了深度圖象像素數(shù)量、深度測量分辨率和深度測量速度等重要參數(shù)之間的制約關(guān)系，并且為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供了參考。優(yōu)化后的10×10 LED陣列TOF測距的三維成像系統(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)新點主要包括： 1.利用差頻模擬鎖相技術(shù)處理VCSEL自混合信號，明顯改善了自混合拍頻信號在拐點處的不連續(xù)，同時對信號波形的調(diào)幅干擾和波形失真有明顯抑制效果，明顯提高拍頻信號的信噪比，提高了測距精度和動態(tài)范圍。對單模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)計方法，可以改善自混合拍頻信號頻率的測量精度和減小由激光器

7、非線性調(diào)制引入的測距誤差。 2.從實驗角度證明了光學(xué)雙鏡頭三角法測距系統(tǒng)中大視角非近軸光線的鏡頭失真是造成測距誤差的主要原因，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。針對復(fù)雜理論修正公式，基于實驗的角度提出了一種經(jīng)驗修正公式，簡化了修正公式的形式，明顯地提高系統(tǒng)的測距精度和速度。 3.從原理結(jié)構(gòu)和方法上提出一種新的基于LED陣列TOF測距的三維成像技術(shù)。應(yīng)用快速時分掃描光功率調(diào)制的LED陣列方法實現(xiàn)了無需機械