距离选通空间能量包络多脉冲延时积分整形方法

摘要

本发明公开了一种距离选通空间能量包络多脉冲延时积分整形方法，在选通成像器件一帧的曝光时间里，激光脉冲和选通脉冲形成M个脉冲对，通过对M个脉冲对按照目标距离选通空间能量包络几何特征进行选通延时编码调制实现不同距离处子空间采样区采样，进而实现在选通成像器件一帧曝光时间里M幅子图的帧内延时积分，最终输出一帧具有目标距离选通空间能量包络几何特征的距离选通切片图像。本发明适应性好、灵活性强，可解决脉宽不可调激光器难以实现不同形状距离选通空间能量包络的问题，并可解决矩形方波激光脉冲难以获得导致目标距离选通空间能量包络难以实现的问题，大大拓展了用于距离选通超分辨率三维成像的脉冲激光器的选择范围。

说明书

技术领域

本发明属于三维成像技术领域，具体涉及一种距离选通空间能量包络 多脉冲延时积分整形方法。

背景技术

距离选通超分辨率三维成像是一种新的凝视型三维成像技术，由于具 有作用距离远、像素数高(可大于1000×1000像素)、兼顾大景深及高距 离分辨率的特点，使其在复杂环境下的目标探测、隐蔽／遮挡目标探测、地 形地貌测绘、避障导航、智能监控等领域具有广泛的应用前景。

距离选通超分辨率三维成像技术是由法德圣路易斯研究院Martin  Laurenzis等人于2007年提出(Martin Laurenzis，Frank Christnach_xr，and  David Monnin，Long-range three-dimensional active imaging with  superresolution depth mapping，Opt.Lett.，2007，Vol.32(21)，3146-3148)，该 技术通过控制激光脉冲和选通脉冲间的延时，并设置激光脉冲的脉宽为选 通脉冲的门宽的二分之一，在激光脉冲和选通脉冲间的卷积作用下获取具 有梯形距离选通空间能量包络的选通切片图像，然后最少可通过两幅空间 交叠的选通切片图像实现目标三维图像的反演。

为进一步降低背景噪声的影响，提高三维成像的距离分辨率，2012 年中国科学院半导体研究所王新伟等提出了一种基于三角形空间能量包 络的距离选通超分辨率三维成像(中国发明专利，申请号201210430995.6)。 与德法圣路易斯研究院提出的基于梯形空间能量包络的距离选通超分辨 率三维成像不同，在该方法中激光脉冲的脉宽与选通脉冲的门宽相等，通 过控制激光脉冲和选通脉冲的延时，在卷积作用下输出具有三角形空间能 量包络的选通切片图像。同样地，该方法可最少通过两幅选通切片图像反 演三维图像。

无论是基于梯形空间能量包络还是三角形空间能量包络的距离选通 超分辨率三维成像，均需激光脉冲和选通脉冲为矩形方波，从而通过脉冲 卷积构造出规则的梯形或三角形空间能量包络。但是当前用于距离选通三 维成像的ns级脉冲激光器的激光脉冲脉形大多为高斯型，或类高斯型， 而非方波，从而难以获得规则的梯形或三角形距离选通空间能量包络。

此外，为实现灵活的大景深的三维成像，需激光脉宽和选通门宽灵活 可调。目前用于距离选通三维成像的选通成像器件的选通门宽均可调，但 是脉冲激光器的脉宽则大多不可调或仅可微调，如532nm固体激光器，从 而仅能通过调节选通门宽来匹配激光脉宽，实现特定景深的三维成像，大 大限制了成像景深的灵活性，换言之，距离选通空间能量包络的景深无法 灵活调节。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述现有技术存在的不足之处，本发明的主要目的在于提出一种 距离选通空间能量包络多脉冲延时积分整形方法，可灵活输出具有不同形 状、景深的距离选通空间能量包络的选通切片图像，满足距离选通超分辨 率三维成像对不同形状空间能量包络的需求。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种距离选通空间能量包络多脉冲 延时积分整形方法，该方法在选通成像器件一帧的曝光时间里，激光脉冲 和选通脉冲形成M个脉冲对，每个脉冲对内含一个激光脉冲和一个选通 脉冲，不同脉冲对内的激光脉冲和选通脉冲间的选通延时不同，每个脉冲 对可对由选通延时确定的子空间采样区采样，相应形成一幅子图，通过对 M个脉冲对按照目标距离选通空间能量包络几何特征进行选通延时编码 调制实现不同距离处子空间采样区采样，进而实现在选通成像器件一帧曝 光时间里M幅子图的帧内延时积分，在此积分过程中各子图的空间能量 包络叠加生成目标距离选通空间能量包络，从而最终输出一帧具有目标距 离选通空间能量包络几何特征的距离选通切片图像。

根据本发明的一种具体实施方式，该方法采用窄脉冲激光器作为照明 光源，采用选通成像器件作为探测器，通过时序控制器控制脉冲激光器和 选通成像器件工作实现距离选通成像。

根据本发明的一种具体实施方式，该选通延时是每个脉冲对内激光脉 冲和选通脉冲间的延时。

根据本发明的一种具体实施方式，所述子图是由单个脉冲对形成的， 即通过控制一个激光脉冲和选通脉冲间的延时实现子空间采样区采样，形 成一幅子图。

根据本发明的一种具体实施方式，所述的子空间采样区是与子图对应 的空间采样区，该子空间采样区的景深由激光脉宽和选通门宽共同决定， 其大小为

$d=\frac{(t_l+t_g)c}{2n}---\left(1\right)$

公式(1)中，d为子空间采样区景深，t_l为激光脉宽，t_g为选通门宽， c为真空中光传播的速度，n为光传输媒介的折射率，M个脉冲对中第m 个脉冲对对应子空间采样区的选通距离R_sub，m为

$R_{\mathrm{sub},m}=\frac{{\tau }_{m}c}{2n}---\left(2\right)$

公式(2)中，τ_m为M个脉冲对中第m个脉冲对内激光脉冲和选通脉 冲间的选通延时。

根据本发明的一种具体实施方式，欲获取的距离选通切片图像对应的 空间能量包络，具有三角形和梯形两种典型几何特征。

根据本发明的一种具体实施方式，在选通成像器件一帧的曝光时间里， 对M个脉冲对内的激光脉冲和选通脉冲按照目标距离选通空间能量包络 几何特征进行选通延时调制，其中第m个脉冲对的选通延时满足以下关系

τ_m＝τ+(m-1)δτ，m∈[1，M]    (3)

公式(3)中，τ为初始选通延时，δτ为选通延时步进步长，

当目标距离选通空间能量包络为三角形时，选通延时步进步长满足

$\mathrm{\delta \tau }=\frac{t_g-t_L}{M-1}---\left(4\right)$

当目标距离选通空间能量包络为梯形时，选通延时步进步长满足

$\mathrm{\delta \tau }=\frac{2n{D}_{\mathrm{Head}}-t_{L}c}{(M-1)c}---\left(5\right)$

公式(4)和(5)中，激光脉宽均小于选通门宽，公式(5)中，n为 光传输媒介的折射率，D_Head为梯形目标距离选通空间能量包络的上升沿景 深大小，

初始选通延时τ由以下公式确定

$\tau =\frac{2\mathrm{nR}}{c}-(M-1)\mathrm{\delta \tau }---\left(6\right)$

公式(6)中，R为欲获取的具有目标距离选通空间能量包络特征的 距离选通切片图像的选通距离。

根据本发明的一种具体实施方式，在选通成像器件一帧的曝光时间里 完成M幅子图积分，这些子图仅是中间过程图像，并不实际输出，而是 与同一帧中的其它子图积分后最终仅输出一帧具有目标距离选通空间能 量包络几何特的距离选通切片图像。

根据本发明的一种具体实施方式，选通距离R为

$R=\frac{[\tau +(M-1)\mathrm{\delta \tau }]c}{2n}---\left(7\right)$

等效选通门宽t_G为

t_G＝t_g    (8)

等效激光脉宽t_L为

t_L＝t_l+(M-1)δt    (9)

距离选通切片图像的景深D为

$D=\frac{(t_L+t_G)c}{2n}---\left(10\right)$

头信号区景深D_Head为

$D_{\mathrm{Head}}=\frac{t_{L}c}{2n}---\left(11\right)$

尾信号区景深D_Tail与头信号区景深大小一致，头信号区是指目标距离 选通空间能量包络的上升沿，尾信号区是指目标距离选通空间能量包络的 下降沿。

(三)有益效果

1、利用本发明，由于多脉冲延时积分整形方法采用帧内延时积分， 子图为中间过程图像，并不实际输出，最终仅输出具有目标距离选通空间 能量包络特征的距离选通切片图像，所以，该发明中的方法对于成像帧频 无影响，并不会降低成像实时性。

2、利用本发明，由于该整形方法通过对脉冲对进行选通延时编码， 进而通过子图叠加积分获取不同形状的目标距离选通空间能量包络，所以， 利用该发明中的方法可实现脉宽不可调激光器在距离选通超分辨率三维 成像应用中不同形状距离选通空间能量包络的获取，大大拓展了用于距离 选通超分辨率三维成像的脉冲激光器的选择范围，利于该三维成像技术更 广泛的应用。

3、利用本发明，由于最终输出的距离选通切片图像的距离选通空间 能量包络等效于利用大脉宽方波激光脉冲与选通脉冲卷积产生，所以，该 发明可实现利用窄脉冲激光器构造出具有等效脉宽的大脉宽方波激光脉 冲，解决方波激光脉冲获取难的问题，提高了距离选通超分辨率三维成像 的实用性。

附图说明

图1A～图1C为距离能量包络多脉冲延时积分整形方法的工作原理图， 其中，图1A显示的是工作时序，图1B显示的是不同脉冲对形成的距离 能量包络，图1C显示的是成像器件输出的选通切片对应的距离能量包络；

图2A和图2B显示了不同激光脉形下及本发明方法下的距离选通空 间能量包络(RIP，Range-Intensity Profile)，其中图2A显示了不同脉形激 光脉冲；图2B显示了不同脉形激光脉冲下的三角形距离选通空间能量包 络；图2C显示了不同脉形激光脉冲下的梯形距离选通空间能量包络；

图3为利用图2B中本发明构造的三角形包络距离选通空间能量包络 实现的三角形包络距离选通超分辨率三维成像图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

距离选通空间能量包络多脉冲延时积分整形方法的工作原理如图 1A～图1C所示。在距离选通成像系统中，采用窄脉冲激光器作为照明光 源，采用选通成像器件作为探测器，通过时序控制器控制脉冲激光器和选 通成像器件工作，在选通成像器件一帧的曝光时间里，激光脉冲1和选通 脉冲2形成M个脉冲对(如图1A所示)，每个脉冲对内含一个激光脉冲 1和一个选通脉冲2，不同脉冲对内的激光脉冲1和选通脉冲2间的选通 延时不同，每个脉冲对可对由选通延时确定的子空间采样区采样，相应形 成一幅子图，通过对M个脉冲对按照目标距离选通空间能量包络3几何 特征进行选通延时编码调制实现不同距离处子空间采样区采样(如图1B 所示)，进而实现在选通成像器件一帧曝光时间里M幅子图的帧内延时积 分，在此积分过程中各子图的空间能量包络叠加生成目标距离选通空间能 量包络3(如图1C所示)，从而最终输出一帧具有目标距离选通空间能量 包络3几何特征的距离选通切片图像。

在图1A中，选通延时是指每个脉冲对内激光脉冲1和选通脉冲2间 的延时，通过控制一个激光脉冲1和选通脉冲2间的选通延时，实现子空 间采样区采样，相应形成一幅子图。所有子图对应的子空间采样区具有相 同的景深，其大小由激光脉宽和选通门宽共同决定

$d=\frac{(t_l+t_g)c}{2n}---\left(1\right)$

公式(1)中，d为子空间采样区景深，t_l为激光脉宽，t_g为选通门宽， c为真空中光传播的速度，n为光传输媒介的折射率。子空间采样区在空间 中位置由选通距离决定。对于M个脉冲对中第m个脉冲对对应子空间采 样区的选通距离R_sub，m的大小为

$R_{\mathrm{sub},m}=\frac{{\tau }_{m}c}{2n}---\left(2\right)$

公式(2)中，τ_m为M个脉冲对中第m个脉冲对内激光脉冲1和选通 脉冲2间的选通延时。

需说明的是，成像过程中这些子图仅是中间过程图像，并不实际输出， 而是与同一帧中的其它子图进行帧内延时积分，最终仅输出一帧具有目标 距离选通空间能量包络3几何特的距离选通切片图像，因而本发明方法并 不会降低系统的成像帧频，对成像实时性无影响。

工作过程中，为实现帧内延时积分需对脉冲对进行选通延时编码调制， 即在选通成像器件一帧的曝光时间里对M个脉冲对内的激光脉冲1和选 通脉冲2按照目标距离选通空间能量包络3几何特征进行选通延时调制。

在选通延时编码调制下，第m个脉冲对的选通延时满足以下关系

τ_m＝τ+(m-1)δτ，m∈[1，M]    (3)

公式(3)中，τ为初始选通延时，δτ为选通延时步进步长。选通延时 步进步长设置取决于目标距离选通空间能量包络3的几何特征。在本发明 中，目标距离选通空间能量包络是指欲获取的距离选通切片图像对应的空 间能量包络，具有三角形和梯形两种典型几何特征。

当目标距离选通空间能量包络3为三角形时，选通延时步进步长满足

$\mathrm{\delta \tau }=\frac{t_g-t_L}{M-1}---\left(4\right)$

当目标距离选通空间能量包络3为梯形时，选通延时步进步长满足

$\mathrm{\delta \tau }=\frac{2n{D}_{\mathrm{Head}}-t_{L}c}{(M-1)c}---\left(5\right)$

公式(4)和(5)中，激光脉宽均小于选通门宽。公式(5)中，n为 光传输媒介的折射率，D_Head为梯形目标距离选通空间能量包络3的上升沿 景深大小。

在选通延时步进步长确定后，初始选通延时τ由以下公式确定

$\tau =\frac{2\mathrm{nR}}{c}-(M-1)\mathrm{\delta \tau }---\left(6\right)$

公式(6)中，R为欲获取的具有目标距离选通空间能量包络3特征 的距离选通切片图像的选通距离。

在帧内延时积分作用下，M幅子图进行帧内叠加积分最终输出一帧距 离选通切片图像。如图1C所示，最终输出的具有目标距离选通空间能量 包络3特征的距离选通切片图像的特征是：

选通距离R为

$R=\frac{[\tau +(M-1)\mathrm{\delta \tau }]c}{2n}---\left(7\right)$

等效选通门宽t_G为

t_G＝t_g    (8)

等效激光脉宽t_L为

t_L＝t_l+(M-1)δt    (9)

距离选通切片图像的景深D为

$D=\frac{(t_L+t_G)c}{2n}---\left(10\right)$

头信号区景深D_Head为

$D_{\mathrm{Head}}=\frac{t_{L}c}{2n}---\left(11\right)$

尾信号区景深D_Tail与头信号区景深大小一致。头信号区是指目标距离 选通空间能量包络3的上升沿，尾信号区是指目标距离选通空间能量包络 3的下降沿。

对于梯形距离选通空间能量包络，还存在体信号区，即梯形的平顶区。 体信号区的景深为整个距离选通切片图像的景深除去头信号区和尾信号 区景深所剩部分。

对于目标距离选通空间能量包络3为梯形的情况，可通过调节选通延 时步进步长调整梯形的形状。当目标距离选通空间能量包络3为用于距离 选通超分辨率三维成像的梯形时，选通延时步进步长满足

本发明的具体步骤如下：

步骤1：设置选通成像器件一帧曝光时间里的脉冲对数量M；

步骤2：根据目标距离选通空间能量包络特征设置选通延时步进步长， 如为三角形包络则选通延时步进步长可由公式(4)计算获得，如为梯形 包络则选通延时步进步长可由公式(5)根据具体梯形特征要求计算获得；

步骤3：根据欲获取的具有目标距离选通空间能量包络特征的距离选 通切片图像的选通距离由公式(7)设置初始选通延时；

步骤4：参数设置完成后，开始成像，输出具有目标距离选通空间能 量包络特征的距离选通切片图像。

对于距离选通空间能量多脉冲延时积分整形方法，本发明进行了理论 仿真和三维成像实验，如图2A～图2C以及图3所示。图2B和图2C分 别是利用本发明实现的梯形和三角形距离选通距离选通空间能量包络 (RIP，Range-Intensity Profile)，并与理想矩形激光脉形及类高斯型激光 脉形下的距离选通空间能量包络进行了对比。在图2B和图2C中，短划线 曲线对应的RIP是在图2A中短划线曲线对应的矩形激光脉形(脉宽60ns) 下获得的，点划线曲线对应的RIP是在图2A中点划线曲线对应的大脉宽 类高斯型激光脉形(脉宽60ns)下获得的，实线曲线对应的RIP是利用图 2A中实线曲线对应的窄脉宽类高斯型激光脉形(脉宽2ns)在本发明方法 下获得的。需说明的是，在图2B和图2C的仿真实验中，均考虑了大气衰 减效应及激光能量距离平方反比衰减，因此，在理想矩形激光脉形下的 RIP并非理想的三角形或梯形，而存在一定的畸变。在图2B利用本发明 方法获取梯形距离选通空间能量包络仿真实验中，窄脉宽类高斯型激光脉 冲的脉宽为2ns，选通门宽为60ns，脉冲对数量为30，选通延时步进步长 为2ns，初始选通延时为362ns。从图2B的仿真实验结果中可以发现，利 用本发明方法基于2ns窄脉宽脉冲激光器实现了等效激光脉宽为60ns、等 效选通门宽为60ns的三角形距离选通空间能量包络，与图2B中点划线对 应的60ns脉宽矩形激光脉冲下的距离选通空间能量包络基本重叠，而图 2B中短划线对应的60ns脉宽类高斯型激光脉冲下的距离选通空间能量包 络则与矩形激光脉冲下的距离选通空间能量包络不重叠，且存在较大形状 差异。在图2C利用本发明方法获取梯形距离选通空间能量包络仿真实验 中，窄脉宽类高斯型激光脉冲的脉宽为2ns，选通门宽为120ns，脉冲对数 量为30，选通延时步进步长为2ns，初始选通延时为362ns。从图2C的仿 真实验结果中可以发现，利用本发明方法基于2ns窄脉宽脉冲激光器实现 了等效激光脉宽为60ns、等效选通门宽为120ns的梯形距离选通空间能量 包络，与图2C中点划线对应的60ns脉宽矩形激光脉冲下的距离选通空间 能量包络基本重叠，而图2C中短划线对应的60ns脉宽类高斯型激光脉冲 下的距离选通空间能量包络则与矩形激光脉冲下的距离选通空间能量包 络不重叠，且存在较大形状差异。从图2的实验结果中可以发现，利用该 发明中的方法可实现脉宽不可调激光器在距离选通超分辨率三维成像应 用中不同形状距离选通空间能量包络的获取，可实现利用窄脉冲激光器构 造出具有等效脉宽的大脉宽方波激光脉冲，解决方波激光脉冲获取难的问 题。

图3为利用图2B中本发明构造的三角形包络距离选通空间能量包络 实现的三角形包络距离选通超分辨率三维成像。图3的实验结果表明，利 用2ns窄脉宽激光器实现了等效激光脉宽为60ns、等效选通门宽为60ns 的大景深距离选通超分辨率三维成像。图3三维成像实验进一步证明了本 发明方法的有效性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。