基于单探测器关联成像原理的三维成像方法

摘要

本发明公开了一种基于单探测器关联成像原理的三维成像方法。由数字处理器控制脉冲激光器发出脉冲光，经过光学处理后成为空间模式已知的脉冲光照射在空间光调制器上，空间光调制器给入射的脉冲光产生一个伪随机附加相位，该伪随机相位分布是已知的并已经存储供数字处理器后续处理。脉冲光经过空间光调制器后通过一个照明扩束系统，照射到目标上被反射后由聚光透镜收集到高速单点光强探测器上。探测器信号经过A/D变换后传输到数字处理器。经过多次探测后，数字处理器将收集到的信息和已存储的伪随机分布相位进行处理，最终产生一幅三维图像。该发明可以高速获取目标三维信息，具有可获得多回波目标信号，探测距离远等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及计算关联成像的方法，尤其涉及一种基于单探测器关联成像原理的三维成像方法。

背景技术

激光雷达技术作为一种重要的三维测距技术，具有光束窄和测距精度高等特点，已经广泛应用于三维遥感领域和三维虚拟现实领域中。比如：Kaiguang等人^[1]利用机载激光雷达研究了森林中的生物总量，Fricker等人^[2]利用星载激光测高仪器测量了南极洲冰川。传统的激光雷达采用单点测距加扫描方式实现三维测量，测点速度受到光子飞行时间的限制。比如：对距离为1.5Km的目标，光脉冲往返时间为10μs，测点速度最高限制为100KHz。目前实用的扫描式三维激光雷达测点速度为10KHz量级，且获得的数据需要配准等较多后续处理才能使用，不能满足高精度实时获取三维信息的要求。所以如何大幅度提高探测速度成为遥感研究领域中的一个重要研究方向[1]Kaiguang Zhaoa，Sorin Popescua，etc.al.，Lidar remote sensing of forest biomass：A scale-invariant estimation approach using airborne lasers，Remote Sensing of Environment，Vol.113，pp182-195(2009)[2]Fricker HA，Scambos T，etc.al.，An active subglacial water system in West Antarcticamapped from space，Science，Vol.315，pp 1544-1548(2007)。

传统的门选通主动成像可以对设定距离内的目标进行探测。由于门选通成像器件的像素阵列很大，可以快速获取目标的二维信息(灰度图像)。时间切片(Time-Slicing)技术^[3]在8米处可以获得0.2mm的测距精度，在500米处可以获得5mm的测距精度。但是如果直接采用门选通技术进行三维测距，则要对目标进行很多次探测，如所谓的时间切片(Time-Slicing)技术需要数十幅门选通灰度图像才生成一幅三维图像，因此只适合静态目标探测而无法应用于遥感领域。2008年，浙江大学(申请课题组)研制了基于光脉冲形状无关测距法的面阵成像三维激光雷达系统^[5]。这些面阵成像激光雷达能提供很高的探测速度，但是其测距精度都受到强度图像信噪比的限制，且其探测原理决定其不能获得多回波目标。[3]Joachim F.Andersen，Jens Busck，etc.al，Pulsed Raman fiber laser andmultispectral imaging in three dimensions，Applied Optics，Vol.45，pp6198-6204(2006)[5]Zhang Xiuda，Yan Huimin，etc.al，Pulse-shape-free method for long-rangethree-dimensional active imaging with high linear accuracy，Optics Letters，Vol.33，pp1219-1221(2008)

关联成像^[6]是近年来发展起来的一种新型成像方法，这种方法只需要用单点光强探测器探测目标回波光强，而对参考光进行二维光强探测即可成像，且可以做到超锐利衍射极限的空间分辨率。但是这种方法应用到三维测距时由于参考端的距离不能过长而限制了探测距离；进行一次探测就要进行一次成像，因此对每一个时间(距离)切片就要进行上千次探测，而三维测距又需要对上百个时间(距离)切片进行探测，总的探测次数超过十万次，这就会导致探测时间过长而无法达到实时探测的要求。后来有人提出所谓计算成像的方法^[7]，这种方法也可以做到超锐利衍射极限的空间分辨率，无需真实参考端，只要通过运算就可以得到参考端的光强分布。这种探测方式具有探测装置少，探测灵活性高的特点。由于高速单点光强探测器具有较好的时间分辨率，能够一次探测多个距离处的回波光强信息，而不同距离处的参考端二维光强分布可以计算得到，只需通过合适的数据处理(如关联成像恢复算法或压缩感知恢复算法)就能得到目标的三维信息。这就为高速获取目标的三维信息提供了可能。[6]F.Ferri，D.Magatti，A.Gatti，etc al.，High-Resolution Ghost Image and Ghost Diffraction Experiments with Thermal Light，Physical Review Letters，Vol.94，p183602(2005)[7]Yaron Bromberg，Ori Katz，and Yaron Silberberg，Ghost imaging with a single detector，Physical Review A，Vol.79，p053840(2009)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单探测器关联成像原理的三维成像方法，改进三维测距的性能。

本发明采用的技术方案如下：

数字处理器控制脉冲激光器发出频率范围在1～100KHz的脉冲光，经光学处理系统处理再经空间光调制器调制，该空间光调制器在数字处理器控制下给入射的脉冲光附加一个伪随机相位，该伪随机相位分布是已知的并已经存储供数字处理器后续处理，附加伪随机相位的脉冲光照射三维目标，经过三维目标反射后经聚光透镜由高速单点光强探测器探测，探测器信号经过A/D采样变换后被数字处理器获得；经过多次探测后，数字处理器将收集到的信息进行处理，最终产生一幅三维图像。

所述的数字处理器将收集到的信息进行处理的流程为，由目标返回的回波信号被高速单点光强探测器获得，高速单点光强探测器时间分辨率高达100ns，即带宽大于10MHz，从而分辨不同距离目标返回的回波强度；所述不同距离处的参考光强由数字处理器计算得到，因此通过回波强度和数字处理器计算得到的参考光强，用关联成像恢复算法或者压缩感知算法恢复出各个距离处的二维轮廓分布，对二维轮廓分布图进行二值化处理得到该距离处的二维分布，由各个距离处的二维分布图拼接起来即得到目标的三维分布图像。

本发明具有的有益效果是：

本发明实验装置简单，时间分辨率高达100ns(即带宽大于10MHz)，实现实时高速成像，可以达到超锐利衍射极限的空间分辨率，消除了背景光的影响，有效地提高了图像的对比度以及信噪比。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的图像恢复原理图。

图中：1、数字处理器，2、脉冲激光器，3、光学处理系统，4、空间光调制器，5、照明扩束系统，6、聚光透镜，7、高速单点光强探测器，8、A/D转换模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明。

具体实施方案：

1、传统反射二维关联成像的原理为：数字处理器控制脉冲激光器发射激光脉冲，经过光学系统处理后形成空间模式已知的脉冲光，再经过一个50-50的光束分束器分成两束一样的光波，一束参考光直接由放置在距离为L处的高空间分辨率CCD接收，另外一束信号光照射到距离为L处的二维目标平面后反射回来由高速单点光强探测器接收。经过多次探测后将两者光强相乘叠加，对于目标物体上坐标为(x，y，L)的点，第i次探测到的光强与参考光强相乘为：

C_i(x，y)＝I_i(x，y)×B_i-------------------------------------------------(1)

B_i＝∫∫I_i(x，y)r(x，y)dxdy--------------------------------------------(2)

其中C_i(x，y)为单次光强乘积，B_i为高速单点光强探测器探测到的光强值，I_i(x，y)为CCD接收到的二维光强分布(即照明光强)，r(x，y)为二维目标平面的反射率分布函数。

对于N次探测的光强乘积累加：

$>C(x,y)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{C}_i(x,y)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_i(x,y){\times B}_i---\left(3\right)$>

当N趋向于无穷时，C(x，y)趋向于r(x，y)

2、由于参考端的距离不能过长，因此可以将探测参考光路光强的CCD去掉，通过数字处理器的控制计算得到此处的照明光强I_i(x，y)，从而减少了实验装置，这就是计算成像方案。计算成像也能达到超锐利衍射极限的空间分辨率，与传统关联成像相比得到二维目标平面的反射率分布函数的方法一样，但是I_i(x，y)不是由探测得到而是通过计算得到。计算成像不仅实验装置简单，而且减少了由CCD产生的散粒噪声，可以提高成像的信噪比。

3、基于单探测器关联成像原理的三维成像方法以二维计算成像(又称为单探测器关联成像)为基础，附加了伪随机相位的脉冲激光经过三维目标物体返回后经由高速单点光强探测器探测，该探测器具有很高的时间分辨率，可以探测不同距离处所返回的光强，如图2所示，单点探测器的回波信号经过数字处理器的计算处理后形成了一条光强随时间变化的曲线，每个时刻的光强是对应距离处的目标回波总强度，对应于公式(3)中的B_i。如图2所示，数字处理器还可以计算得出不同距离处的光强分布，对应于公式(3)中的I_i(x，y)。对于同一距离，多次探测后通过公式(3)就可以得到这个距离处的光强分布。通过二值化处理，可以得到这个距离的二维轮廓图。将不同距离处的二维轮廓图合并起来，便可以得到目标物体的三维图像。

下面对具体实施方案作详细说明：

如图1所示，包括数字处理器1，脉冲激光器2，光束整形系统3，空间光调制器4，照明扩束系统5，聚光透镜6，高速单点光强探测器7和A/D转换模块8；数字处理器1控制脉冲激光器2产生频率在1～100KHz之间可调的脉冲激光，经光学处理系统3处理形成空间模式已知的脉冲光，并入射到空间光调制器4，数字处理器1还与空间光调制器连接，在数字处理器控制下给入射的脉冲光附加一个伪随机相位，该伪随机相位分布是已知的并已经存储供数字处理器后续处理，附加伪随机相位的脉冲光经照明扩束系统5处理后发出，照射三维目标后反射，再经聚光透镜6收集到高速单点光强探测器7，经A/D转换模块后采样变换后由数字处理器1获得，经过多次探测后，数字处理器将收集到的信息进行处理，最终产生一幅三维图像。

所述的数字处理器1是个人计算机、DSP数字信号处理系统或者嵌入式处理器；所述的脉冲激光器2为频率可调，光脉冲脉宽最小可达10纳秒的激光器；所述的光学处理系统3是能产生空间模式已知的脉冲光的光学系统；所述的空间光调制器4能在数字处理器的控制下给脉冲光附加伪随机分布相位，该伪随机分布相位是已知的并已经存储供数字处理器后续处理；所述的高速单点光强探测器7是一款具有很高的时间分辨率，脉宽响应小于几十纳秒的探测器，用来探测不同回波返回的光强。

具体实施例：

1、数字处理器1控制脉冲激光器2产生脉冲光，频率在1～100KHZ之间可调，脉宽最小可达10ns，由光学处理系统3对所述脉冲光进行处理，使该脉冲光空间模式已知，已知空间模式的脉冲光经过空间光调制器4，附加一定的伪随机相位，假设第i次探测所述附加伪随机相位后的脉冲光光场为E_i(x，y，t)。

2、上述脉冲光经过L距离的菲涅尔衍射后照射在物体上的光场为：：

$>E_{1i}(x_1,y_1,t)=\frac{K_0}{i2\mathrm{\pi L}}{e}^{i{k}_{0}L}\int \int E_i(x,y,t)e^{i{k}_0[{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2]/2L}\mathrm{dxdy}---\left(4\right)$>

则光强为：

I_i＝|E_1i(x₁，y₁，t)|²--------------------------------------------------(5)

其中k₀＝2π/λ为光源波数，L为目标距离，(x，y)为光源坐标，(x₁，y₁)为目标坐标。

3、聚光透镜对上述光场汇聚，收集后的光强由高速单点光强探测器7探测，假设三维目标最远处与激光雷达缩成的距离L为1.5km，则光子传播时间最长需要10us，也就是进行一次时间(距离)切片探测的时间，因此其探测频率可以达到100KHz，假设对于每个时间(距离)切片进行1000次探测，则每秒可以对100个时间切片进行探测。上述高速单点光强探测器所探测到的光强数据经A/D转换模块8进行A/D转换并由数字处理器1处理得到对应不同距离(时间)的不同光强值，将计算得到的信号光在三维目标对应距离(时间)处的二维光强与上述光强值相关叠加，便可以得到相应不同距离(时间)L处的光强相乘叠加为：

$>C(x,y)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{C}_i(x,y)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{I}_i(x,y){\times B}_i---\left(6\right)$>

当N趋向于无穷时，

r(x，y)≈C(x，y)------------------------------------------------------(7)

4、对上述公式进行二值化处理，设<C′(x，y，L)>为L距离处二值化处理后的函数，阈值为δ，

若<C′(x，y，L)>δ，则r(x，y，L)＝1，反之r(x，y，L)＝0。

从而得到目标在L距离处的轮廓分布，将三维目标按距离远近分成N份，对应不同距离做上述处理以得到相应距离处的轮廓分布，将N个距离处的轮廓分布拼接起来便可以得到目标在所有距离处的轮廓分布，也就是所需要的三维图像。