[发明专利]一种基于TOF的三维成像系统

权利要求书

1.一种基于TOF的三维成像系统，其特征在于，包括激光发射模块、感光传感器、ARM处理器模块、FPGA处理模块、存储器模块、千兆网口、显示模块和温度传感器；

其中，激光发射模块、存储器模块、FPGA处理器模块、千兆网口分别与ARM处理器模块连接；千兆网口与显示模块连接，激光发射模块与温度传感器连接，感光传感器与FPGA处理模块连接；

所述ARM处理器模块控制激光发射模块发射光信号，光信号为940nm的窄带激光，光信号经过12MHZ的正弦信号调试得到调制光信号，在光源的发射端采用扩散片将能量集中的激光扩散从而增加激光的发散角度；激光发射模块将调制光信号发射到目标，经过目标反射到感光传感器；

所述感光传感器接收目标反射回来的调制光信号；所述感光传感器在接收到的调制光信号之前会经过一个窄带滤光片，滤除除940nm之外的其他波段的光，这样使得感光传感器只响应940nm波长的光，得到滤光信号；

感光传感器将接收到的滤光信号转换为电子数量，并以电压的形式记录电子数量得到电压信号，在感光传感器内部经过模数转换器将电压信号转换为数字信号传输给FPGA处理模块；且每个像素点通过四次曝光时间分别计算四次积累的电子数量S，每次曝光时间相差90°相位；

FPGA处理模块还用于通过每个像素所积累的电子数量计算发射光与反射光之间的相位差，并对相位差进行分析得到深度信息D和强度信息I；

所述FPGA处理模块将计算得到的深度信息D和强度信息I存放到存储器模块中，并对测量到的深度信息进行校准；

将校准后的深度信息和强度信息通过千兆网接口传输给显示模块；

所述显示模块用于显示测试出来的校准后的深度信息和强度信息，借助距离图像、强度图像和点云图像表示；

所述FPGA处理模块计算相位差并对相位差分析得到深度信息D和强度信息I的具体方法为：

步骤一：将经过一个周期四次曝光，分别得到四次曝光所获取的电子量并将其依次标记为S0′，S1′，S2′，S3′；

步骤二：通过解方程公式2-公式5计算得到相位差在FPGA中完成一个反正切计算公式6，就可以计算得到相位差具体为：

S1：激光雷达接收光信号描述为公式1，具体如下：

式中，A表示接收光的信号强度，B表示背景光的强度，ω表示光的频率，表示接收光的相位差

S2：为了提高计算的相位差的精度，采用4n次曝光计算一次距离，其中n为预设值；通过四组积分电子数量使用如公式2、公式3、公式4和公式5来计算接收光相对于发射光的相位差和接收光的光强信息A；

具体公式为：

S3：由于光信号是经过正弦调试，所以计算相位差需要解一个反三角函数；通过公式6计算发射光和反射光的相位差，通过公式7计算反射光的强度信息

S4：通过计算得到的相位差来计算目标的深度信息，计算推导方法如下：

SS1：目标与系统之间的距离D为光飞行的时间乘以光速c，除以2表示单程的距离，D计算方法如公式11；

式中，t为光飞行的时间；

SS2：在计算光的飞行时间时使用间接法，通过计算发射光与接收光的相位差来计算光的飞行时间，具体测量接收到的反射光与发射光之间的相位差从而间接得到光的飞行时间t，具体如公式10：

式中，f为光强的调制频率；

结合公式10和公式11,则有

结合公式6和公式12，即可得到目标离系统的距离D的计算公式，具体为：

目标离系统的距离D即为深度信息D。

2.根据权利要求1所述的一种基于TOF的三维成像系统，其特征在于，所述扩散片为60°*45°的扩散片。

3.根据权利要求1所述的一种基于TOF的三维成像系统，其特征在于，所述显示模块还用于设置相应的运行参数；运行参数包括积分时间、测量距离、测试频率、ROI区域设定、偏移量。

4.根据权利要求1所述的一种基于TOF的三维成像系统，其特征在于，所述温度传感器实时检测激光发射模块的温度，在温度过高时ARM处理器模块则控制关断激光发射模块。