專(zhuān)利名稱(chēng)：基于單探測(cè)器關(guān)聯(lián)成像原理的三維成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算關(guān)聯(lián)成像的方法，尤其涉及一種基于單探測(cè)器關(guān)聯(lián)成像原理的三 維成像方法。
背景技術(shù)：
激光雷達(dá)技術(shù)作為一種重要的三維測(cè)距技術(shù)，具有光束窄和測(cè)距精度高等特 點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于三維遙感領(lǐng)域和三維虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中。比如=Kaiguang等人[1]利 用機(jī)載激光雷達(dá)研究了森林中的生物總量，F(xiàn)ricker等人[2]利用星載激光測(cè)高儀器測(cè) 量了南極洲冰川。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)采用單點(diǎn)測(cè)距加掃描方式實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量，測(cè)點(diǎn)速度 受到光子飛行時(shí)間的限制。比如對(duì)距離為1.5Km的目標(biāo)，光脈沖往返時(shí)間為10ys，測(cè) 點(diǎn)速度最高限制為ΙΟΟΚΗζ。目前實(shí)用的掃描式三維激光雷達(dá)測(cè)點(diǎn)速度為IOKHz量級(jí)， 且獲得的數(shù)據(jù)需要配準(zhǔn)等較多后續(xù)處理才能使用，不能滿(mǎn)足高精度實(shí)時(shí)獲取三維信息 的要求。所以如何大幅度提高探測(cè)速度成為遙感研究領(lǐng)域中的一個(gè)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, ppl82_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) 傳統(tǒng)的門(mén)選通主動(dòng)成像可以對(duì)設(shè)定距離內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。由于門(mén)選通成像器件 的像素陣列很大，可以快速獲取目標(biāo)的二維信息(灰度圖像)。時(shí)間切片(Time-Slicing) 技術(shù)[3]在8米處可以獲得0. 2mm的測(cè)距精度，在500米處可以獲得5mm的測(cè)距精度。但 是如果直接采用門(mén)選通技術(shù)進(jìn)行三維測(cè)距，則要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行很多次探測(cè)，如所謂的時(shí)間切 片(Time-Slicing)技術(shù)需要數(shù)十幅門(mén)選通灰度圖像才生成一幅三維圖像，因此只適合靜 態(tài)目標(biāo)探測(cè)而無(wú)法應(yīng)用于遙感領(lǐng)域。2008年，浙江大學(xué)(申請(qǐng)課題組)研制了基于光脈 沖形狀無(wú)關(guān)測(cè)距法的面陣成像三維激光雷達(dá)系統(tǒng)[5]。這些面陣成像激光雷達(dá)能提供很 高的探測(cè)速度，但是其測(cè)距精度都受到強(qiáng)度圖像信噪比的限制，且其探測(cè)原理決定其不能 獲得多回波目標(biāo)。[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，ppl219_1221(2008)關(guān)聯(lián)成像[6]是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型成像方法，這種方法只需要用單點(diǎn)光強(qiáng) 探測(cè)器探測(cè)目標(biāo)回波光強(qiáng)，而對(duì)參考光進(jìn)行二維光強(qiáng)探測(cè)即可成像，且可以做到超銳利衍 射極限的空間分辨率。但是這種方法應(yīng)用到三維測(cè)距時(shí)由于參考端的距離不能過(guò)長(zhǎng)而限制 了探測(cè)距離；進(jìn)行一次探測(cè)就要進(jìn)行一次成像，因此對(duì)每一個(gè)時(shí)間(距離)切片就要進(jìn)行上 千次探測(cè)，而三維測(cè)距又需要對(duì)上百個(gè)時(shí)間(距離)切片進(jìn)行探測(cè)，總的探測(cè)次數(shù)超過(guò)十萬(wàn)次，這就會(huì)導(dǎo)致探測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)探測(cè)的要求。后來(lái)有人提出所謂計(jì)算成像的 方法[7]，這種方法也可以做到超銳利衍射極限的空間分辨率，無(wú)需真實(shí)參考端，只要通過(guò)運(yùn) 算就可以得到參考端的光強(qiáng)分布。這種探測(cè)方式具有探測(cè)裝置少，探測(cè)靈活性高的特點(diǎn)。 由于高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器具有較好的時(shí)間分辨率，能夠一次探測(cè)多個(gè)距離處的回波光強(qiáng)信 息，而不同距離處的參考端二維光強(qiáng)分布可以計(jì)算得到，只需通過(guò)合適的數(shù)據(jù)處理(如關(guān) 聯(lián)成像恢復(fù)算法或壓縮感知恢復(fù)算法)就能得到目標(biāo)的三維信息。這就為高速獲取目標(biāo)的 三維信息提供了可能。[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,pl83602(2005) [7]Yaron Bromberg, Ori Katz, and Yaron Silberberg, Ghost imaging with a single detector, Physical Review A, Vol. 79, p053840 (2009)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于單探測(cè)器關(guān)聯(lián)成像原理的三維成像方法，改進(jìn)三 維測(cè)距的性能。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下數(shù)字處理器控制脈沖激光器發(fā)出頻率范圍在1 IOOKHz的脈沖光，經(jīng)光學(xué)處理系 統(tǒng)處理再經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制，該空間光調(diào)制器在數(shù)字處理器控制下給入射的脈沖光附加 一個(gè)偽隨機(jī)相位，該偽隨機(jī)相位分布是已知的并已經(jīng)存儲(chǔ)供數(shù)字處理器后續(xù)處理，附加偽 隨機(jī)相位的脈沖光照射三維目標(biāo)，經(jīng)過(guò)三維目標(biāo)反射后經(jīng)聚光透鏡由高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器 探測(cè)，探測(cè)器信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D采樣變換后被數(shù)字處理器獲得；經(jīng)過(guò)多次探測(cè)后，數(shù)字處理器將 收集到的信息進(jìn)行處理，最終產(chǎn)生一幅三維圖像。所述的數(shù)字處理器將收集到的信息進(jìn)行處理的流程為，由目標(biāo)返回的回波信號(hào) 被高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器獲得，高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器時(shí)間分辨率高達(dá)100ns，即帶寬大于 10MHz，從而分辨不同距離目標(biāo)返回的回波強(qiáng)度；所述不同距離處的參考光強(qiáng)由數(shù)字處理 器計(jì)算得到，因此通過(guò)回波強(qiáng)度和數(shù)字處理器計(jì)算得到的參考光強(qiáng)，用關(guān)聯(lián)成像恢復(fù)算法 或者壓縮感知算法恢復(fù)出各個(gè)距離處的二維輪廓分布，對(duì)二維輪廓分布圖進(jìn)行二值化處理 得到該距離處的二維分布，由各個(gè)距離處的二維分布圖拼接起來(lái)即得到目標(biāo)的三維分布圖 像。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，時(shí)間分辨率高達(dá)100ns (即帶寬大于10MHz)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速 成像，可以達(dá)到超銳利衍射極限的空間分辨率，消除了背景光的影響，有效地提高了圖像的 對(duì)比度以及信噪比。


圖1是本發(fā)明的原理框圖。圖2是本發(fā)明的圖像恢復(fù)原理圖。圖中1、數(shù)字處理器，2、脈沖激光器，3、光學(xué)處理系統(tǒng)，4、空間光調(diào)制器，5、照明擴(kuò) 束系統(tǒng)，6、聚光透鏡，7、高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器，8、A/D轉(zhuǎn)換模塊。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。具體實(shí)施方案1、傳統(tǒng)反射二維關(guān)聯(lián)成像的原理為數(shù)字處理器控制脈沖激光器發(fā)射激光脈沖， 經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)處理后形成空間模式已知的脈沖光，再經(jīng)過(guò)一個(gè)50-50的光束分束器分成兩 束一樣的光波，一束參考光直接由放置在距離為L(zhǎng)處的高空間分辨率CCD接收，另外一束信 號(hào)光照射到距離為L(zhǎng)處的二維目標(biāo)平面后反射回來(lái)由高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器接收。經(jīng)過(guò)多次 探測(cè)后將兩者光強(qiáng)相乘疊加，對(duì)于目標(biāo)物體上坐標(biāo)為(x，y，L)的點(diǎn)，第i次探測(cè)到的光強(qiáng)與 參考光強(qiáng)相乘為Ci (x, y) = Ii (χ, y) XBi-------------------------------------------------
(1)Bi = / / Ii (x，y) r (x，y) dxdy--------------------------------------------
(2)其中Ci (x，y)為單次光強(qiáng)乘積，Bi為高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)值，IiU, y)為CCD接收到的二維光強(qiáng)分布(即照明光強(qiáng))，r(x，y)為二維目標(biāo)平面的反射率分布函數(shù)。對(duì)于N次探測(cè)的光強(qiáng)乘積累加
C(x, y) = YjCi (χ, y)=玄 Ii (χ, y) χ Bi
tr tT ---------------------------……-----------------------(3)當(dāng)N趨向于無(wú)窮時(shí)，C(x，y)趨向于r(x，y)2、由于參考端的距離不能過(guò)長(zhǎng)，因此可以將探測(cè)參考光路光強(qiáng)的CXD去掉，通過(guò) 數(shù)字處理器的控制計(jì)算得到此處的照明光強(qiáng)IiU, y)，從而減少了實(shí)驗(yàn)裝置，這就是計(jì)算成 像方案。計(jì)算成像也能達(dá)到超銳利衍射極限的空間分辨率，與傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)成像相比得到二維 目標(biāo)平面的反射率分布函數(shù)的方法一樣，但是Ii(x，y)不是由探測(cè)得到而是通過(guò)計(jì)算得到。 計(jì)算成像不僅實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，而且減少了由CCD產(chǎn)生的散粒噪聲，可以提高成像的信噪比。3、基于單探測(cè)器關(guān)聯(lián)成像原理的三維成像方法以二維計(jì)算成像(又稱(chēng)為單探測(cè) 器關(guān)聯(lián)成像)為基礎(chǔ)，附加了偽隨機(jī)相位的脈沖激光經(jīng)過(guò)三維目標(biāo)物體返回后經(jīng)由高速單 點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器探測(cè)，該探測(cè)器具有很高的時(shí)間分辨率，可以探測(cè)不同距離處所返回的光強(qiáng)， 如圖2所示，單點(diǎn)探測(cè)器的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字處理器的計(jì)算處理后形成了一條光強(qiáng)隨時(shí)間 變化的曲線(xiàn)，每個(gè)時(shí)刻的光強(qiáng)是對(duì)應(yīng)距離處的目標(biāo)回波總強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)于公式⑶中的B”如 圖2所示，數(shù)字處理器還可以計(jì)算得出不同距離處的光強(qiáng)分布，對(duì)應(yīng)于公式(3)中的IiU, y)。對(duì)于同一距離，多次探測(cè)后通過(guò)公式(3)就可以得到這個(gè)距離處的光強(qiáng)分布。通過(guò)二 值化處理，可以得到這個(gè)距離的二維輪廓圖。將不同距離處的二維輪廓圖合并起來(lái)，便可以 得到目標(biāo)物體的三維圖像。下面對(duì)具體實(shí)施方案作詳細(xì)說(shuō)明如圖1所示，包括數(shù)字處理器1，脈沖激光器2，光束整形系統(tǒng)3，空間光調(diào)制器4， 照明擴(kuò)束系統(tǒng)5，聚光透鏡6，高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器7和A/D轉(zhuǎn)換模塊8 ；數(shù)字處理器1控制 脈沖激光器2產(chǎn)生頻率在1 IOOKHz之間可調(diào)的脈沖激光，經(jīng)光學(xué)處理系統(tǒng)3處理形成空
5間模式已知的脈沖光，并入射到空間光調(diào)制器4，數(shù)字處理器1還與空間光調(diào)制器連接，在 數(shù)字處理器控制下給入射的脈沖光附加一個(gè)偽隨機(jī)相位，該偽隨機(jī)相位分布是已知的并已 經(jīng)存儲(chǔ)供數(shù)字處理器后續(xù)處理，附加偽隨機(jī)相位的脈沖光經(jīng)照明擴(kuò)束系統(tǒng)5處理后發(fā)出， 照射三維目標(biāo)后反射，再經(jīng)聚光透鏡6收集到高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器7，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊后采 樣變換后由數(shù)字處理器1獲得，經(jīng)過(guò)多次探測(cè)后，數(shù)字處理器將收集到的信息進(jìn)行處理，最 終產(chǎn)生一幅三維圖像。所述的數(shù)字處理器1是個(gè)人計(jì)算機(jī)、DSP數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)或者嵌入式處理器；所 述的脈沖激光器2為頻率可調(diào)，光脈沖脈寬最小可達(dá)10納秒的激光器；所述的光學(xué)處理系 統(tǒng)3是能產(chǎn)生空間模式已知的脈沖光的光學(xué)系統(tǒng)；所述的空間光調(diào)制器4能在數(shù)字處理器 的控制下給脈沖光附加偽隨機(jī)分布相位，該偽隨機(jī)分布相位是已知的并已經(jīng)存儲(chǔ)供數(shù)字處 理器后續(xù)處理；所述的高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器7是一款具有很高的時(shí)間分辨率，脈寬響應(yīng)小 于幾十納秒的探測(cè)器，用來(lái)探測(cè)不同回波返回的光強(qiáng)。具體實(shí)施例1、數(shù)字處理器1控制脈沖激光器2產(chǎn)生脈沖光，頻率在1 100KHZ之間可調(diào)，脈 寬最小可達(dá)10ns，由光學(xué)處理系統(tǒng)3對(duì)所述脈沖光進(jìn)行處理，使該脈沖光空間模式已知，已 知空間模式的脈沖光經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器4，附加一定的偽隨機(jī)相位，假設(shè)第i次探測(cè)所述附 加偽隨機(jī)相位后的脈沖光光場(chǎng)為Ei (x, y, t)。2、上述脈沖光經(jīng)過(guò)L距離的菲涅爾衍射后照射在物體上的光場(chǎng)為
權(quán)利要求
1.一種基于單探測(cè)器關(guān)聯(lián)成像原理的三維成像方法，其特征在于數(shù)字處理器控制脈 沖激光器發(fā)出頻率范圍在1 IOOKHz的脈沖光，經(jīng)光學(xué)處理系統(tǒng)處理再經(jīng)空間光調(diào)制器 調(diào)制，該空間光調(diào)制器在數(shù)字處理器控制下給入射的脈沖光附加一個(gè)偽隨機(jī)相位，該偽隨 機(jī)相位分布是已知的并已經(jīng)存儲(chǔ)供數(shù)字處理器后續(xù)處理，附加偽隨機(jī)相位的脈沖光照射三 維目標(biāo)，經(jīng)過(guò)三維目標(biāo)反射后經(jīng)聚光透鏡由高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器探測(cè)，探測(cè)器信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D 采樣變換后被數(shù)字處理器獲得；經(jīng)過(guò)多次探測(cè)后，數(shù)字處理器將收集到的信息進(jìn)行處理，最 終產(chǎn)生一幅三維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于單探測(cè)器關(guān)聯(lián)成像原理的三維成像方法，其特征 在于所述的數(shù)字處理器將收集到的信息進(jìn)行處理的流程為，由目標(biāo)返回的回波信號(hào)被高 速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器獲得，高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器時(shí)間分辨率高達(dá)100ns，即帶寬大于10MHz， 從而分辨不同距離目標(biāo)返回的回波強(qiáng)度；所述不同距離處的參考光強(qiáng)由數(shù)字處理器計(jì)算得 到，對(duì)于回波強(qiáng)度和數(shù)字處理器計(jì)算得到的參考光強(qiáng)，用關(guān)聯(lián)成像恢復(fù)算法或者壓縮感知 算法恢復(fù)出各個(gè)距離處的二維輪廓分布，對(duì)二維輪廓分布圖進(jìn)行二值化處理得到該距離處 的二維分布，由各個(gè)距離處的二維分布圖拼接起來(lái)即得到目標(biāo)的三維分布圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于單探測(cè)器關(guān)聯(lián)成像原理的三維成像方法。由數(shù)字處理器控制脈沖激光器發(fā)出脈沖光，經(jīng)過(guò)光學(xué)處理后成為空間模式已知的脈沖光照射在空間光調(diào)制器上，空間光調(diào)制器給入射的脈沖光產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)附加相位，該偽隨機(jī)相位分布是已知的并已經(jīng)存儲(chǔ)供數(shù)字處理器后續(xù)處理。脈沖光經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器后通過(guò)一個(gè)照明擴(kuò)束系統(tǒng)，照射到目標(biāo)上被反射后由聚光透鏡收集到高速單點(diǎn)光強(qiáng)探測(cè)器上。探測(cè)器信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D變換后傳輸?shù)綌?shù)字處理器。經(jīng)過(guò)多次探測(cè)后，數(shù)字處理器將收集到的信息和已存儲(chǔ)的偽隨機(jī)分布相位進(jìn)行處理，最終產(chǎn)生一幅三維圖像。該發(fā)明可以高速獲取目標(biāo)三維信息，具有可獲得多回波目標(biāo)信號(hào)，探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S17/89GK102062861SQ20101057304
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者嚴(yán)惠民, 周琴, 張秀達(dá) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)