飛行時間原理的調(diào)制型漫反射表面反射成像方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種飛行時間原理的調(diào)制型漫反射表面反射成像方法與系統(tǒng)。激光器發(fā)出的激光經(jīng)過空間光調(diào)制器，再經(jīng)漫反射體表面反射到待測物體上，待測物體的反射光經(jīng)漫反射體表面再反射后由數(shù)字處理器控制的探測器在不同的光子飛行時間下接收，根據(jù)圖像的等高線圖的橢圓分布情況，還原出被障礙物遮擋的待測物體。數(shù)字處理器與空間光調(diào)制器、激光器、探測器連接，激光器與空間光調(diào)制器連接，三維激光雷達(dá)系統(tǒng)與待測物體之間設(shè)有障礙物，激光器經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制的輸出光經(jīng)漫反射體照射到待測物體上，其反射光經(jīng)漫反射體被探測器接收。本發(fā)明可以探測到在傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)成像系統(tǒng)不能探測到的非直視物體，擴展三維激光雷達(dá)的成像范圍。
【專利說明】飛行時間原理的調(diào)制型漫反射表面反射成像方法與系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種漫反射表面反射成像方法與系統(tǒng)，尤其是涉及一種飛行時間原理的調(diào)制型漫反射表面反射成像方法與系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]激光雷達(dá)是激光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，由發(fā)射機、天線、接收機、跟蹤架及信息處理等部分組成，它能精確測量目標(biāo)位置(距離和角度)、運動狀態(tài)(速度、振動和姿態(tài))和形狀，探測、識別、分辨和跟蹤目標(biāo)。1967年，美國國際電話和電報公司研制的星載激光雷達(dá)用于航天飛行旗的交會對接，開啟了激光雷達(dá)應(yīng)用的先河。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，激光雷達(dá)由簡單到復(fù)雜、由低級到高級的發(fā)展過程，種類不斷增加，功能不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛:在軍事方面，主要有水雷探測激光雷達(dá)、化學(xué)試劑探測激光雷達(dá)、大氣監(jiān)測激光雷達(dá)、生化陸戰(zhàn)激光雷達(dá)等；在測風(fēng)方面，多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)利用光的多普勒效應(yīng)，測量激光光束在大氣中傳輸及其回波信號的多普勒頻移來反演空間風(fēng)速分布，具有高分辨率、高精度、大探測范圍、提供晴空條件下三維風(fēng)場信息的能力；除此之外，由于激光雷達(dá)測距精度高，可詳細(xì)反映三維形態(tài)，實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點，也廣泛應(yīng)用于氣象、水土保持等方面。
[0003]漫反射多被用于生物組織的無損測量，利用漫反射研究生物組織的特性已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。生物組織是一種復(fù)雜的漫散射介質(zhì)，當(dāng)激光照射到生物組織表面時，一部分光能夠到達(dá)組織內(nèi)部的一定深度，其中部分被吸收，部分被散射回到組織表面，這部分光稱為漫反射光。這樣，漫反射光就攜帶有生物組織的“信息”，通過分析漫反射光譜，可以探測到生物組織的成分。
[0004]近年來，隨著光電子和光信息處理技術(shù)的發(fā)展，空間光調(diào)制器得到了廣泛的應(yīng)用?？臻g光調(diào)制器(SLM)是一種能將信息加載于一個一維或二維光學(xué)數(shù)據(jù)場上，以有效地利用光的固有傳播速度、互聯(lián)能力和并行性的器件。此類器件可以在隨時間變化的光驅(qū)動信號或者電驅(qū)動信號等的控制下，影響空間上光分布的位相、振幅、波長以及偏振態(tài)等信息，或者是改變?nèi)肷涔獾南喔尚?。利用它的這些性質(zhì)，可將其作為實時光學(xué)信息處理和光計算等系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。
[0005]一般的主動成像系統(tǒng)，只能探測到直接被探測光照射的物體，如果目標(biāo)物體被障礙物遮擋，成像系統(tǒng)則難以探測到目標(biāo)物體的存在，因此傳統(tǒng)的三維激光雷達(dá)不能探測被障礙物遮擋的物體，在許多應(yīng)用場合中限制了三維激光雷達(dá)的工作范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種飛行時間原理的調(diào)制型漫反射表面反射成像方法與系統(tǒng)，用于探測到光學(xué)系統(tǒng)成像范圍之外的隱藏物體，擴展三維激光雷達(dá)的成像范圍。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括:[0008]一、時間原理的調(diào)制型漫反射表面反射成像方法
[0009]I)激光器發(fā)出的激光經(jīng)過未加載相位的空間光調(diào)制器，再經(jīng)過漫反射體表面反射到待測物體上，待測物體的反射光經(jīng)過漫反射體表面再次反射后由數(shù)字處理器控制探測器接收，獲得未加載相位的三維圖像；
[0010]2)激光器發(fā)出的激光經(jīng)過加載相位的空間光調(diào)制器調(diào)制，再經(jīng)過漫反射體表面反射到待測物體上，待測物體的反射光經(jīng)過漫反射體表面再次反射后由數(shù)字處理器控制探測器接收，獲得加載相位的三維圖像；
[0011]3)將步驟2)得到的加載相位的三維圖像與步驟I)得到的未加載相位的三維圖像相減，擬合出等高線圖的橢圓分布情況；
[0012]4)重復(fù)步驟2)?步驟3)，使得探測器接收2?IO6次不同光子飛行時間下的加載相位的三維圖像后分別擬合等高線圖的橢圓分布情況，得出各個方向光束最集中的空間光調(diào)制器相位分布；
[0013]5)根據(jù)步驟4)得到的空間光調(diào)制器相位分布用激光器依次從各個方向掃描待測物體，并用探測器記錄各個方向下的最終三維圖像；
[0014]6)由步驟5)得到各個方向的最終三維圖像利用光飛行時間方程反演出待測物體的成像。
[0015]所述的光飛行時間方程為如下公式:
[0016]t=2s/c
[0017]其中，s為從激光器發(fā)出的激光經(jīng)空間光調(diào)制器和漫反射體到待測物體的光路距離，c為光速，t為飛行時間。
[0018]所述的步驟4)中的2?IO6次不同光子飛行時間下的加載相位的三維圖像按照順序相位等值相加。
[0019]所述的漫反射體為墻壁、人造塑料板、沙土堆、巖石、地面、山體、云層或植被，所述的數(shù)字處理器為個人計算機、DSP或者嵌入式處理器。
[0020]二、時間原理的調(diào)制型漫反射表面反射成像系統(tǒng)
[0021]本發(fā)明系統(tǒng)包括空間光調(diào)制器、數(shù)字處理器、漫反射體和三維激光雷達(dá)系統(tǒng)，三維激光雷達(dá)系統(tǒng)包括激光器和探測器，數(shù)字處理器分別與空間光調(diào)制器、激光器、探測器連接，三維激光雷達(dá)系統(tǒng)中的激光器與空間光調(diào)制器連接，三維激光雷達(dá)系統(tǒng)與待測物體之間設(shè)有障礙物，激光器經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制后的輸出光經(jīng)漫反射體照射到待測物體上，待測物體的反射光經(jīng)漫反射體被探測器接收。
[0022]所述的三維激光雷達(dá)系統(tǒng)中的激光器為能發(fā)出脈沖光的激光器，所述的探測器為能探測I?IO3光子/像素的探測器。
[0023]所述的數(shù)字處理器為個人計算機、DSP或者嵌入式處理器。
[0024]所述空間光調(diào)制器由數(shù)字處理器控制對激光器發(fā)出的激光附加相位。
[0025]所述的障礙物為不透光物體。
[0026]所述的漫反射體為墻壁、人造塑料板、沙土堆、巖石、地面、山體、云層或植被。
[0027]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0028]本發(fā)明可以在許多應(yīng)用場合，能夠有效探測到被障礙物遮擋的目標(biāo)物體，可以探測到光學(xué)系統(tǒng)成像范圍之外的物體，擴展三維激光雷達(dá)的成像范圍。【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的位置結(jié)構(gòu)框圖。
[0030]圖中:1、激光器，2、空間光調(diào)制器，3、探測器，4、數(shù)字處理器，5、障礙物，6、待測物體，7、漫反射體，8、三維激光雷達(dá)系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的方法和系統(tǒng)作進(jìn)一步說明。
[0032]如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括空間光調(diào)制器2、數(shù)字處理器4、漫反射體7和三維激光雷達(dá)系統(tǒng)8，三維激光雷達(dá)系統(tǒng)8包括激光器I和探測器3，激光器I和探測器3分別是三維激光雷達(dá)系統(tǒng)8的光源和接收器；數(shù)字處理器4分別與空間光調(diào)制器2、激光器1、探測器3連接，三維激光雷達(dá)系統(tǒng)8中的激光器I與空間光調(diào)制器2連接，三維激光雷達(dá)系統(tǒng)8與待測物體6之間設(shè)有障礙物5，空間光調(diào)制器2的輸出光經(jīng)漫反射體7照射到待測物體6上，待測物體6的反射光經(jīng)漫反射體7被探測器3接收。
[0033]所述的三維激光雷達(dá)系統(tǒng)8中的激光器I為能發(fā)出脈沖光的激光器，所述的探測器3為能探測I?IO3光子/像素的探測器，探測器3能探測到微弱信號。
[0034]所述的數(shù)字處理器4為個人計算機、DSP或者嵌入式處理器。嵌入式處理器采用常用的 ARMS3C6410 或 TMS320EM64X 型號。
[0035]所述空間光調(diào)制器2由數(shù)字處理器4控制對激光器I發(fā)出的激光附加相位。
[0036]所述的障礙物5為不透光物體。
[0037]所述的漫反射體7為墻壁、人造塑料板、沙土堆、巖石、地面、山體、云層或植被。
[0038]所述的三維激光雷達(dá)系統(tǒng)8即為在已公開專利《無掃描器脈沖調(diào)制式三維成像方法及系統(tǒng)》(
【發(fā)明者】嚴(yán)惠民, 張秀達(dá), 吳雨霖, 崔永勝, 尹煜 申請人:浙江大學(xué)