一種空間目標(biāo)立體成像裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種空間目標(biāo)立體成像裝置及方法，該裝置，其特征是：至少包括脈沖固體激光器、光電探測(cè)器，反射鏡，激光發(fā)射窗口，CCD探測(cè)器，快門，濾波片，成像鏡頭；工作時(shí)，脈沖固體激光器發(fā)射激光脈沖，穿過反射鏡的中心洞口，通過光發(fā)射窗口處理以后，射向目標(biāo)物，射向目標(biāo)物的一部分光信號(hào)經(jīng)反射或散射后返回，通過成像鏡頭進(jìn)入相機(jī)，穿過濾波片、快門以后成像于CCD探測(cè)器，同時(shí)，一部分反射回來的脈沖信號(hào)會(huì)經(jīng)過光發(fā)射窗口和反射鏡進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器通過目標(biāo)物到測(cè)距機(jī)的距離計(jì)算如下：S＝0.5Ct，其中C表示光在空氣中的速度。本發(fā)明易于實(shí)現(xiàn)，既適用于近距離，也適用于中遠(yuǎn)距離目標(biāo)的空間目標(biāo)立體成像。
【專利說明】一種空間目標(biāo)立體成像裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行成像技術(shù)，特別是一種空間目標(biāo)立體成像裝置及 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，空間目標(biāo)是呈三維分布的，其在空間的分布需要三個(gè)坐標(biāo)參量進(jìn)行描 述。通常多采用三維直角坐標(biāo)系對(duì)其進(jìn)行描述。通常的照相機(jī)或攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)物成像時(shí)，只 能得到其在照相底板上的平面投影，反映的是目標(biāo)物在與底板平面平行的方向上的坐標(biāo)變 化，只包含了兩個(gè)坐標(biāo)參量的變化信息。無法反映目標(biāo)與底板垂直方向上的坐標(biāo)參量的變 化，也就是說，所獲得的影像丟失了目標(biāo)物在一個(gè)方向上的坐標(biāo)信息，這個(gè)坐標(biāo)信息為目標(biāo) 物在相機(jī)底板上各個(gè)像素點(diǎn)的距離信息，通常稱目標(biāo)物的距離像。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)攝影器材 的這個(gè)缺點(diǎn)，人們發(fā)明了采用兩個(gè)相機(jī)對(duì)同一對(duì)象從不同角度進(jìn)行照相的立體成像技術(shù)， 通過計(jì)算獲得目標(biāo)物的距離像，彌補(bǔ)了單個(gè)相機(jī)成像的缺陷。但是這種立體成像技術(shù)對(duì)于 遠(yuǎn)距離的目標(biāo)卻很不實(shí)用。這種情況下，為了讓相機(jī)取得比較好的立體成像效果，往往需要 將兩個(gè)相機(jī)分開很大的距離，這在很多情況下是難以實(shí)現(xiàn)的。所以對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)物的三維 像的獲取，尚未得到很好解決。同時(shí)，雙相機(jī)立體成像系統(tǒng)還有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是在判 斷兩個(gè)相機(jī)對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的時(shí)候存在很大誤差，導(dǎo)致了對(duì)距離計(jì)算時(shí)產(chǎn)生很大誤差。
[0003] 自從激光技術(shù)發(fā)明以來，人們已經(jīng)掌握了利用激光脈沖進(jìn)行空間測(cè)距的技術(shù)，特 別是，目前利用脈沖激光器的測(cè)距范圍已經(jīng)達(dá)到10公里以上，人們由此看到了解決問題的 曙光。激光脈沖進(jìn)行測(cè)距的基本原理是，由激光器發(fā)射一個(gè)激光脈沖，射向目標(biāo)物，激光脈 沖離開發(fā)射器時(shí)開始計(jì)時(shí)。當(dāng)激光脈沖到達(dá)目標(biāo)，由于目標(biāo)的反射和散射，一部分激光信號(hào) 返回，返回信號(hào)經(jīng)過一段時(shí)間的空間傳播后，到達(dá)測(cè)距機(jī)的探測(cè)器，探測(cè)器收到返回信號(hào)后 立刻停止計(jì)時(shí)。假定這期間計(jì)時(shí)器所記錄的時(shí)間為t，則目標(biāo)物到測(cè)距機(jī)的距離S可以計(jì)算 如下：
[0004] S = 0. 5Ct (1)
[0005] 其中C表不光在空氣中的速度。
[0006] 這種測(cè)距技術(shù)所帶來的誤差，通常用脈沖的寬度來估算，假定激光脈沖的半寬度 為τ，則距離誤差估算如下：
[0007] σ = C τ ⑵
[0008] 目前這種測(cè)距技術(shù)所采用的探測(cè)器的接收元件通常為光電二極管或雪崩光電二 極管。
[0009] 這種測(cè)距技術(shù)的缺點(diǎn)是只能測(cè)量目標(biāo)物到測(cè)距機(jī)的平均距離，不能給出目標(biāo)物的 圖像以及圖像上各個(gè)像素點(diǎn)的距離分布信息。
[0010] 為了在激光測(cè)距中，能夠?qū)δ繕?biāo)成像，人們提出了利用光電二極管或雪崩光電二 極管構(gòu)成陣列進(jìn)行探測(cè)的方案。也就是將光電二極管或雪崩光電二極管排列成二維陣列或 一維陣列，通過成像鏡頭將目標(biāo)成像于該陣列，陣列中每個(gè)單管對(duì)應(yīng)一個(gè)像素。分別記錄激 光脈沖發(fā)出以后，每個(gè)單管接收到返回信號(hào)的時(shí)間ti，t2,......，tn，則利用公式便可以計(jì) 算每個(gè)單管所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)物上相應(yīng)點(diǎn)的距離，見公式（3)。于是便可以得到目標(biāo)的距離像。

【權(quán)利要求】
1. 一種空間目標(biāo)立體成像裝置，其特征是：至少包括脈沖固體激光器、光電探測(cè)器，反 射鏡，激光發(fā)射窗口，CCD探測(cè)器，快門，濾波片，成像鏡頭；工作時(shí)，脈沖固體激光器發(fā)射 激光脈沖，穿過反射鏡的中心洞口，通過光發(fā)射窗口處理以后，射向目標(biāo)物，射向目標(biāo)物的 一部分光信號(hào)經(jīng)反射或散射后返回，通過成像鏡頭進(jìn)入相機(jī)，穿過濾波片、快門以后成像于 CCD探測(cè)器，同時(shí)，一部分反射回來的脈沖信號(hào)會(huì)經(jīng)過光發(fā)射窗口和反射鏡進(jìn)入光電探測(cè) 器，光電探測(cè)器通過目標(biāo)物到測(cè)距機(jī)的距離計(jì)算如下： S = 0. 5Ct 其中C表示光在空氣中的速度。
2. -種空間目標(biāo)立體成像的方法，其特征是：至少包括如下步驟： 第1步，第1次成像，快門T打開后，發(fā)射第1個(gè)光脈沖，目標(biāo)散射或反射回來的光脈沖 A、B、C、D完全通過后，然后再關(guān)閉快門，這時(shí)底板各像素點(diǎn)曝光后所獲得的圖像用矩陣I。表 示； 第2步，第2次成像時(shí)，快門T打開后，再次發(fā)射光脈沖，當(dāng)返回的光脈沖信號(hào)A、B、C、D 尚未完全通過快門時(shí)，即關(guān)閉快門T，從時(shí)間域來看，這時(shí)應(yīng)確保，對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)，均只探測(cè) 到了目標(biāo)物散射或反射回來的光信號(hào)的一部分，這時(shí)底板各像素點(diǎn)曝光后所獲得的圖像用 矩陣Ii表示，第2次成像，圖像矩陣L中的每個(gè)像素點(diǎn)一定小于圖像矩陣L中的每個(gè)像素 點(diǎn)給出的曝光量數(shù)值； 第3步，依據(jù)光脈沖的時(shí)域分布函數(shù)F(t)，對(duì)第1次獲取的圖像矩陣L和第2次獲取 的圖像矩陣L進(jìn)行處理，獲取每個(gè)成像點(diǎn)的相對(duì)距離量； 第4步，依據(jù)每個(gè)成像點(diǎn)的相對(duì)距離量給出三維立體像。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空間目標(biāo)立體成像的方法，其特征是：所述的第3步依 據(jù)光脈沖的時(shí)域分布函數(shù)F(t)，對(duì)第一次獲取的圖像矩陣L和第二次獲取的圖像矩陣^進(jìn) 行處理，獲取每個(gè)成像點(diǎn)的相對(duì)距離量包括： 第3. 1步，根據(jù)光脈沖強(qiáng)度的時(shí)域分布函數(shù)F(t)，計(jì)算一個(gè)距離查詢表；其中表的第1 行數(shù)據(jù)為相對(duì)曝光量Η值，按由小到大的次序排列；相對(duì)曝光量H(t)計(jì)算方法見公式（4);
(4) 其中分母項(xiàng)表示對(duì)整個(gè)脈沖進(jìn)行積分，分子表示對(duì)脈沖的一部分積分； 表的第2行為S項(xiàng)，其數(shù)據(jù)為距離值，由同一列的曝光量Η值計(jì)算中所取t值決定，其 數(shù)值由公式（5)進(jìn)行計(jì)算； S (t) = 0. 5ct (5) 其中C是光在空氣中的傳播速度；該距離是一個(gè)相對(duì)數(shù)據(jù)，正方向由目標(biāo)物指向攝像 器材，零點(diǎn)取為目標(biāo)中心到攝像器材的距離處； 第3. 2步，通過對(duì)（4)式和（5)式的離散化計(jì)算，獲得所需要的距離查詢表，表項(xiàng)的項(xiàng) 數(shù)多少由距離測(cè)量的范圍和精度要求和決定； 第3. 3步，用圖像矩陣L中反映某個(gè)像素點(diǎn)曝光量的數(shù)據(jù)除以圖像矩陣L中的對(duì)應(yīng)數(shù) 據(jù)，得到數(shù)值h ;然后由該h值去查詢距離查詢表，找到表中與h最接近的表項(xiàng)Η值氏，它所 對(duì)應(yīng)的S值Sp即為該像素點(diǎn)的距離坐標(biāo)；對(duì)所有的像素點(diǎn)進(jìn)行類似處理后，獲取每個(gè)成像 點(diǎn)的相對(duì)距離量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空間目標(biāo)立體成像的方法，其特征是：所述的依據(jù)每個(gè) 成像點(diǎn)的相對(duì)距離量給出三維立體像至少包括依據(jù)目標(biāo)成像距離進(jìn)行誤差修正的步驟。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種空間目標(biāo)立體成像的方法，其特征是：所述的修正算法 包括： 設(shè)定相機(jī)鏡頭的焦距為f，底板上某像素點(diǎn)到鏡頭光軸的距離為d，則該像素點(diǎn)的距離 坐標(biāo)S修正為S'，S'計(jì)算如下：
(6) 〇
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空間目標(biāo)立體成像的方法，其特征是：所述的第2步，再 次發(fā)射光脈沖，采用多個(gè)光脈沖，進(jìn)行多次成像，每次選擇不同的快門時(shí)間，多次成像獲得 多個(gè)圖像矩陣Ip......，Ih，對(duì)某個(gè)像素點(diǎn)而言，用圖像矩陣L......，Ih的灰度值除以 圖像矩陣中的灰度值，在所獲得的N-1個(gè)數(shù)據(jù)中選擇明顯不為1也不為0的數(shù)據(jù)，用來 獲取該像素點(diǎn)的相對(duì)距離數(shù)據(jù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種空間目標(biāo)立體成像的方法，其特征是：所采用的多個(gè)光 脈沖多次成像的次序有多種排列。
【文檔編號(hào)】G01S17/89GK104049258SQ201410244341
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】王一諾 申請(qǐng)人:王一諾