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1、P，其与P1比值为回波接收效率。 一种收发合置的激光成像系统辽宁轻工职业学院 曲凤明图2 mems扫描激光成像系统图3 mems振镜和回波反射镜从右自左依次是脉冲激光光源、定位光阑1、1/2波片、偏振分束棱镜、定位光阑2、1/2波片、mems扫描振镜以及用于模拟 物体回波的反射镜。 原理实验过程如下：脉冲激光光源发出激光脉冲，经过 1/2波片调整偏振态后通过偏振分束棱镜，再通过1/4波片后将脉 冲光偏振态改变，后通过mems振镜扫描出射，初涉光反射回 mems振镜，再次通过1/4波片，两次通过1/4波片后的回波光信 号和通过偏振分束棱镜的出射光信号偏振态相差90，因此被偏振分束棱镜全反射，接收
2、器的位置拟定位于偏振分束棱镜侧 面，即实验装置拍照方向，其中，偏振分束棱镜选用thorlabs公 司的3毫米规格偏振分束棱镜，其消光比可以达到1000:1。表1输出功率与回波功率效率 四组数据取平均值，可得输出效率为97.120%，回波接收效 率为93.076%。3 结论本文提出并搭建了基于飞行时间法的mems振镜的三维扫描 激光成像系统，并讨论了其各个子系统的关键问题，选择适宜 偏振隔离收发系统的光学器件，调试光路进行测试；经测量输 出效率为97.120%，回波接收效率为93.076%。由于光路搭建及测试完全在实验条件下进行，并没有考虑 光信号在脱离系统后在外界条件下传输的损耗问题，因此实际
3、 应用时本系统的输出效率和接受效率可能会有所下降。本文提出了一种收发合置的激光成像系统，详细讨论了该系统的体制及原理，分析各个关键器件，在实验室环境下搭建了光学系统，并对该系统收发效 率进行了测定，得到输出效率为97.120%，回波接收效率为93.076%。由于激光的单色性、方向性、相干性好，亮度高等特点， 使得激光成像具有极高的距离分辨率和速度分辨率。激光成像 的辐射在光频阶段，能够探测小目标物体1。激光成像可以同时 获得目标的强度像、距离像及多普勒像，三维成像激光系统则 是将目标回波的二维信息和距离像合成目标图像的一种成像方法1，每一个像素点对应着一组三维坐标，目标的二维信息可以 通过二维
4、扫描器件来获得。 激光成像系统的抗干扰能力强，并且能够探测隐藏的目 标，将三维成像激光成像系统经过小型、低功耗、低成本和便 携式应用方向发展后，应用在机器人视觉系统中，不仅可以完成探测地形、隐身飞机、潜艇、水雷及目标跟踪等军事任务， 在民用方面，可以用于车辆自动驾驶系统，铁路、隧道、涵洞施工中高精密三维测量2。 以智能机器人、无人车或无人机复杂环境多尺度、深度感知为应用背景，针对智能机器人、无人车或无人机的三维视觉 环境感知和理解系统，研制一套低成本、高距离分辨率、高清 晰激光成像系统作为其视觉系统3。在野外环境下主动获取障碍 物、道路、地形(斜坡、坑洼)、草丛下隐蔽物等三维距离图像， 为无人
5、车或自主移动机器人提供未知复杂环境的高精度高清晰 三维图像信息，以便人工智能电脑进行判断和决策1。 激光成像的工作原理是利用二维扫描器件，如旋转多面棱 镜、X-Y二维检流计式扫描振镜、MEMS振镜等4 ，使激光器发 射的激光束传输到目标区域进行扫描，同时将从目标反射回来的信号传输到光电探测器件上，从而提取目标的距离、方位、轮廓、强度等信息，实现对目标的成像5,6。 本文提出了一种利用mems振镜作为扫描器件的三维扫描成像激光成像系统，对系统中扫描器件mems振镜的扫描角度特性经行了研究和试验验证。1 基于mems振镜的三维扫描激光成像系统本文激光成像系统采用的是脉冲型飞行时间法（pulsed
6、time-of-flight methodology）体制，脉冲型飞行时间法是基于对激光 或其它光源脉冲飞行时间的直接测量，是直接探测体制的一 种。测量时，脉冲对象被反射回接收传感器和一个参考脉冲通 过光纤耦合，由传感器接收。两个脉冲之间的时间差转换为距 离。飞行时间法的典型分辨率约为1 mm。由于二极管激光器和高分辨率电子能产生亚皮秒脉冲，亚毫米分辨率是可以实现 的。最新发表的时间相关单光子计数法在距离为1m内具有深入的分辨率2。重复性小于30扫描系统的扫描机制采用MEMS振镜扫描，具体系统框图 如图1所示。【参考文献】1 徐敲阳,杨坤涛,王新兵,等.蓝绿激光雷达海洋探测.北 京:国防工业出
7、版社,2002 2 J. Lee,Y.-J. Kim,K. Lee,S. Lee,and S.-W. Kim,Time-of- flight measurement with femtosecond light pulsesJ. Nat.Photonics,2010,4(10):716720 3 董光焰,刘中杰.光学MEMS微镜技术及其在激光雷达中的应用J. 中国电子科学研究院学报4 K. M. Morzinski,D. T. Gavel,A. P. Norton,D. R. Dillon, and M. R. Reinig,Characterizing MEMS deformable mir
8、rors foropen-loop operation: High-resolution measurements of thin-platebehaviorJ. Proc. SPIE MEMS Adaptive Optics II,2008,Vol. 6888, 68880S 5 L. A. Poyneer and D. Dillon， MEMS adaptive optics for the Gemini Planet Imager: control methods and validationJ. Proc. SPIE Advances in Adaptive Optics II,200
9、8,Vol. 6888, 68880H 6 M. Scholles, A. Br?uer， K. Frommhagen, Ch. Gerwig， H. Lakner, H. Schenk,and M. Schwarzenberg,Ultracompact laser projection systems based on two-dimensional resonant microscanning mirrorsJ. J. Micro/ Nanolith MEMS MOEMS,2008,Vol.7(2),021001图4 thorlabs公司3毫米规格偏振分束棱镜MEMS扫描振镜选择台湾OPU
10、SMicro公司的PE165012型二 维MEMS扫描振镜。图1 基于MEMS的激光成像系统原理框图 该系统包括统一的时钟、驱动源、脉冲激光器、偏振开关 控制收发系统、MEMS振镜扫描系统、光电探测器以及数据采集系统。从激光成像系统获得的数据可显示给使用者并且（或 者）无线传输到数据收集计算机进行进一步的处理3。 其中脉冲激光器在控制系统时钟指令发出后发出脉冲激 光，光信号准直后经过1/2波片变成线偏振光入射到偏振分束镜 上，偏振态匹配后的线偏振光透过偏振分束镜，再经过一个 1/4波片照射到mems振镜上扫描目标物体，这束光由目标反射回 来后，再经1/4波片，由于此时光信号已经两次经过1/4波
11、片，因此使得光的偏振态发生了变化，回波光信号偏转了90，在经 过偏振分束棱镜后则被完全反射，由探测器接收。被探测器接收到的回波脉冲信号经过信号处理系统，进行 时刻鉴别确定脉冲接收的时刻，和系统时钟进行比较，可以得 到从发射到照射至目标并返回至探测器所经过的时间间隔，进 而得到发射机与目标间的距离信息。与此同时，通过统一的时钟，可以确定脉冲发出时刻二维MEMS振镜扫描的目标所处的 二维坐标信息，融合之前得到的距离信息，就可以精确测量出目标表面的三位形貌信息。 本实验现已进入原理样机实验阶段，原理实验装置图如下 所示。图5 PE165012型MEMS 2 基于mems振镜的三维扫描激光成像系统基于
12、前文所搭建的系统，我们对发射端出射功率以及接收 处回波功率进行测试。为了测试系统效率，我们用在30米处用金镜接收并反射回波，其中，镀金合作目标镜处的接收功率为输出功率P1，其与激（上接75页）的边缘检测结果。通过主观观察，硬件系统处理 结果与软件处理结果相同；通过实际图像数据对比，硬件系统 处理结果也与软件处理结果相同，验证了本系统图像边缘检测 功能的正确性。将本系统边缘检测模块仿真处理时间与其他系统进行比 较，突出本系统较高的图像处理速率，并对边缘检测系统做了 实际图像的测试与验证，证明实现的系统功能达到了设计要 求。1 齐文斌,张玮.基于高斯厄米特粒子漂移的机动目标 跟 踪算法J.微电子学
13、与计算机,2009,26(10) 2 官鑫,王黎,高晓蓉,等.图像边缘检测 Sobel 算法的 FPGA仿真与实现J.现代电子技术,2009,32(8):109-111 3 崔跃.FPGA 在图像处理中的应用J.中国新通信,2008(9): 68-71本文为江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目，江 苏省高等学校实验室研究会课题【参考文献】742015 年 第 1 期光器初始输出功率P0比值为输出效率，接收功率为信号回波功率P，其与P1比值为回波接收效率。图2 mems扫描激光成像系统图3 mems振镜和回波反射镜从右自左依次是脉冲激光光源、定位光阑1、1/2波片、偏振分束棱镜、定位光阑2、
14、1/2波片、mems扫描振镜以及用于模拟 物体回波的反射镜。 原理实验过程如下：脉冲激光光源发出激光脉冲，经过 1/2波片调整偏振态后通过偏振分束棱镜，再通过1/4波片后将脉 冲光偏振态改变，后通过mems振镜扫描出射，初涉光反射回 mems振镜，再次通过1/4波片，两次通过1/4波片后的回波光信 号和通过偏振分束棱镜的出射光信号偏振态相差90，因此被偏振分束棱镜全反射，接收器的位置拟定位于偏振分束棱镜侧 面，即实验装置拍照方向，其中，偏振分束棱镜选用thorlabs公 司的3毫米规格偏振分束棱镜，其消光比可以达到1000:1。表1输出功率与回波功率效率 四组数据取平均值，可得输出效率为97.
15、120%，回波接收效 率为93.076%。3 结论本文提出并搭建了基于飞行时间法的mems振镜的三维扫描 激光成像系统，并讨论了其各个子系统的关键问题，选择适宜 偏振隔离收发系统的光学器件，调试光路进行测试；经测量输 出效率为97.120%，回波接收效率为93.076%。由于光路搭建及测试完全在实验条件下进行，并没有考虑 光信号在脱离系统后在外界条件下传输的损耗问题，因此实际 应用时本系统的输出效率和接受效率可能会有所下降。【参考文献】1 徐敲阳,杨坤涛,王新兵,等.蓝绿激光雷达海洋探测.北 京:国防工业出版社,2002 2 J. Lee,Y.-J. Kim,K. Lee,S. Lee,and
16、 S.-W. Kim,Time-of- flight measurement with femtosecond light pulsesJ. Nat.Photonics,2010,4(10):716720 3 董光焰,刘中杰.光学MEMS微镜技术及其在激光雷达中的应用J. 中国电子科学研究院学报4 K. M. Morzinski,D. T. Gavel,A. P. Norton,D. R. Dillon, and M. R. Reinig,Characterizing MEMS deformable mirrors foropen-loop operation: High-resolution measurements
