CN102736085A - 图像寻的激光成像测距方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像寻的激光成像测距方法及装置，首先采用非选通成像的方式对目标所处环境成像并输出数字全景图，实现图像寻的；然后开启测距功能，输出含目标的全景帧，用户完成目标选取后开启测距功能；在测距时序模式下，获得一背景帧，利用距离选通成像构造具有三角形距离能量包络的空间切片对前视视场进行切片式扫描，输出切片帧；反演目标距离时，所有切片帧与背景帧差分获得消除背景影响的新切片帧，系统自动基于距离选通回波展宽效应建立的相邻新切片帧间主窗口区图像灰度比与距离能量比间的映射关系，计算获得目标的距离信息，从而完成目标测距。本发明适应性好，操作简单，易于实现目标测距，尤其可解决小目标测距难的问题。

Description

图像寻的激光成像测距方法及装置

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种图像寻的激光成像测距方法及装置。

背景技术

激光测距仪由于具有非接触测量、作用距离远、测距精度高、操作便捷等特点而被广泛应用于地质勘探、战场目标测量、工业测控、水利建设、城市规划等领域。当前市场上常见的激光测距仪均为非成像测距仪，采用发散角很小的激光束照射到目标上形成激光测量点，利用点探测器接收来自测量点的反射或散射的激光信号，通过反演获取目标距离。由于激光照射到目标上时形成的激光点尺寸很小，从而导致寻的困难，即对远距离目标测距时激光束很难瞄准目标，特别是小目标。

为解决此问题，激光测距仪被辅以瞄准望远镜，观察者可通过望远镜寻找被测目标。但是，望远镜式测距仪仅在环境照度适宜的情况下才可有效寻的，当在夜间等低照度情况下则无法有效寻的，且当环境照度较高或者激光波长为人眼不可见时，人眼很难发现目标上的激光测量点，为此通常对瞄准望远镜和激光测距仪进行校准和标定，通过瞄准望远镜上的十字刻线来选取测量点，但这会导致望远镜测距仪对冲击很敏感。

此外，莱卡地球系统公开股份有限公司发明了一种具有瞄准装置的测距仪(发明专利号ZL 02814430.9)。该测距仪采用可见光束照射目标，在目标上形成测量点，借助瞄准装置观察测量点以保障光学接收系统有效接收来自目标的信号实现目标测距。但是对低照度环境下目标测距时，该测距仪的瞄准装置仍无法有效寻的。

针对低照度环境下寻的问题，北京航空航天大学发明了一种手持昼夜激光成像测距仪(发明专利申请号：201010293433.2)，包括将激光成像分系统和激光测距分系统，其中，激光成像分系统实现低照度环境下目标的有效探测，激光测距分系统则实现目标测距。该激光成像测距仪主要是采用激光成像分系统替代瞄准望远镜，仍以十字刻线来瞄准目标，因此，本质上与传统的望远镜式激光测距仪相同，仍然对冲击敏感，且激光束难以对远距离小目标形成有效测量点。

综上所述，目前激光测距仪的激光束发散角很小，在测距时，目标上的激光测量点比较小，因而，对于远距离目标，尤其是小目标测距时，存在寻的困难的问题。

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图像寻的激光成像测距方法及基于该方法的测距装置，以实现通过图像寻找目标并基于图像测距的目的。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种图像寻的激光成像测距方法，该方法包括：首先采用非选通成像的方式对目标所处环境成像并输出数字全景图，实现图像寻的；发现目标后，开启测距功能，输出含目标的全景帧，用户通过系统控制面板或图像信息显示模块中的触摸屏在全景帧中选取感兴趣目标，完成目标选取后开启测距功能；在测距时序模式下，首先获得一背景帧，然后利用距离选通成像构造具有三角形距离能量包络的空间切片，对前视视场进行切片式扫描，输出切片帧，且相邻切片帧间存在信号交叠；反演目标距离时，首先所有切片帧与背景帧差分获得消除背景影响的新切片帧，然后系统自动基于距离选通回波展宽效应建立的相邻新切片帧间主窗口区图像灰度比与距离能量比间的映射关系计算获得目标的距离信息，从而完成目标测距。

上述方案中，所述非选通成像分为夜间成像模式和白天成像模式，具体为：对于夜间成像模式，非选通成像采用主动成像的方式工作，采用脉冲激光器作为照明光源，经过光学发射子系统对环境进行照明，当激光传播至目标时被目标散射形成向后传播的回波信号，该信号被光学接收子系统接收，并经窄带滤光片滤除环境背景光，然后被选通门放大，并被面阵成像器件采集，经图像信息处理模块、输出数字图像至图像信息显示模块；对于白天成像模式，由于环境照度大，无需激光器辅助照明，因此，非选通成像采用被动成像的方式工作，脉冲激光器处于关闭状态，其它设置与夜间成像模式相同；在非选通成像过程中，选通门处于完全开启状态，接收来自前视视场的全部信号，因此，输出的图像为全景图，包含前视视场内所有的目标和背景图像信息。

上述方案中，所述图像寻的是用户通过系统输出的全景图来寻找目标，该全景图能够通过数控变焦模块控制系统焦距实现视场的放大或缩小，且输出的图像支持数字放大；这种图像寻的的工作方式利于用户通过视觉直观地发现目标，且由于采用主动成像的方式，对于低照度环境下的目标仍可有效成像，实现目标寻的。

上述方案中，所述全景帧是用户通过图像寻的发现目标后系统输出的全景图；获取全景图时，选通门一直处于开启状态。

上述方案中，所述感兴趣目标是用户通过系统控制面板或图像信息显示模块中的触摸屏选取全景帧中需要测量的目标；该测距装置中的目标选取工具包括十字线、矩形、圆形和自由多边形，其中，十字线主要是用于全景帧图像中的点测量，即单像素测量；矩形、圆形和自由多边形则主要是用于全景帧图像中的区域测量，用户能够根据目标几何形状特点通过矩形、圆形或者自由多边形来勾选目标；测量中，用户能够根据测量需求，一次选取全景帧中多个目标同时进行测距。

上述方案中，所述距离选通成像是采用脉冲激光器作为照明光源，采用含选通门的面阵成像器件作为探测器，通过控制选通脉冲和激光脉冲间的延时实现对不同距离处空间切片的成像；

工作时，当脉冲激光传至目标时形成向后传播的脉冲回波信号，与非选通主动成像不同，选通门仅在激光脉冲发射一段延时τ后，开启并接收回波信号，选通门开启持续时间为t_g，从而对距离区间为[(τ-t_L)c/2n，(τ+t_g)c/2n]的空间切片进行成像；其中，t_L为激光脉冲的脉宽，c为真空环境下的光速，n为大气折射率。

上述方案中，所述三角形距离能量包络的空间切片，是在距离选通回波展宽效应下，当选通脉冲和激光脉冲均为方波脉形且选通门宽tg与激光脉宽tL相等时，选通脉冲和激光脉冲卷积作用后的距离向上的能量包络为三角形，即空间切片距离向上的能量分布呈三角形，存在一上升沿和一下降沿，分别称为空间切片的头信号区和尾信号区。

上述方案中，所述测距时序模式是在面阵成像器件一帧的曝光时间里，面阵成像器件前的选通门(gate)开启m次进行m次子曝光，在获取背景帧时每个子曝光中仅含有一个选通脉冲，无激光脉冲，在获取切片帧时，每个子曝光是由一个选通脉冲对应一个激光脉冲完成的，这样在成像器件一帧的曝光时间里可通过m次子曝光实现能量的积累，增加系统的作用距离；该时序由时序控制模块产生，其中m值大小由以下公式确定

$m=\⟨\frac{t_{\mathrm{CCD}}}{\mathrm{\τ}+(N-1)\mathrm{\Δt}+t_g}\⟩-1$ 公式1

公式1中，t_CCD为面阵成像器件一帧内的有效曝光时间，即面阵成像器件曝光脉冲的脉宽，τ为激光脉冲和选通脉冲间的初始延时，N为切片帧的最大帧数，Δt为延时步进步长，

为

的整数部分。

上述方案中，所述切片帧是具有三角形距离能量包络的空间切片在初始延时为τ、延时步进步长为Δt时步进扫描输出的空间切片图像；延时步进步长Δt与选通门宽t_g、激光脉宽t_L的大小相等，即满足

Δt＝t_g＝t_L               公式2

在测距时序模式下，初始延时τ对应的切片帧记为第1帧，随着延时步进，切片帧数依次递增，则切片帧i对应的延时τ_i为

τ_i＝τ+(i-1)Δt＝τ+(i-1)t_g    i∈[1，N]    公式3

公式3中，N为切片帧的最大帧数；相应地，系统的最大测量距离为(τ+(N-1)t_g)c/2n；当N张切片帧扫描完毕后，该切片帧数据存储于图像信息处理模块；

相应地，切片帧i对应的切片距离R_i为

$R_i=\frac{{\mathrm{\τ}}_{i}c}{2n}$ 公式4

当某切片距离下的空间切片内无目标时，该切片距离下对应的切片帧为空白帧，切片帧中无任何目标信息。

上述方案中，所述相邻切片帧间存在信号交叠，是在延时步进步长Δt、选通门宽t_g和激光脉宽t_L相等时，在距离选通回波展宽效应作用下，相邻切片帧间的头信号区和尾信号区出现交叠，即切片帧i的尾信号区和切片帧i+1的头信号区重叠，且满足关系

$D_{\mathrm{tail},i}=\frac{t_{g}c}{2n}=D_{\mathrm{head},i+1}=\frac{t_{L}c}{2n}$ 公式5

公式5中D_tail，i为切片帧i的尾信号区景深，D_head，i+1为切片帧i+l的头信号区景深。

上述方案中，所述新切片帧是系统输出的切片帧与背景帧图像差分处理后获得切片，与背景帧差分后的新切片帧消除了环境背景噪声的影响，但对系统接收的目标回波信号无影响，因此，不影响空间切片的三角形距离能量包络，即新切片帧与未处理的原切片帧的目标回波信号能量方程相同，所对应的空间切片信息一致，因此上述切片帧相关的公式4和公式5均适用于新切片帧。

上述方案中，所述相邻新切片帧间主窗口区是指相邻新切片帧间的信号交叠区，即新切片帧i的尾信号区和新切片帧i+1的头信号区重叠区；由于切片帧与背景帧间的差分处理并不影响空间切片的信息，因此，未处理的相邻切片帧间的主窗口区与处理后的相邻新切片帧间的主窗口区是相同的。

上述方案中，所述相邻新切片帧间主窗口区图像灰度比与距离能量比间的映射关系，是在距离选通回波展宽效应作用下，相邻切片帧间的头信号区和尾信号区存在交叠，且由于系统采用空间切片步进扫描的方式切片成像，因此，若感兴趣目标出现在两幅切片帧图像中，则这两切片帧必然相邻，且感兴趣目标必然出现在这两幅切片帧图像的主窗口区，即前一帧的尾信号区和后一帧的头信号区，同时，由于图像灰度与目标的回波信号能量成正比，因此，可建立如下关系

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{I_i}{I_{i+1}}=\frac{E_{\mathrm{tail},i}\left(r\right)}{E_{\mathrm{head},i+1}\left(r\right)}$ 公式6

公式6中假定目标出现在切片帧i和切片帧i+1中，其中，ε为选取目标在相邻切片帧中的图像灰度比，I_i和I_i+1分别是所选目标在新切片帧i和新切片帧i+1中平均灰度，E_tail，i(r)和E_head，i+1(r)分别是切片帧i的尾信号区和切片帧i+l的头信号区的回波信号能量方程(不包含背景噪声)，其能量比为

$\frac{E_{\mathrm{tail},i}\left(r\right)}{E_{\mathrm{head},i+1}\left(r\right)}=\frac{t_L-2\frac{n(r-R_i)}{c}}{t_L-2\frac{n(R_{i+1}-r)}{c}}$ 公式7

公式7中，公式中R_i和R_i+1分别是切片帧i和切片帧i+1对应的切片距离，r为待测目标距离，n为大气折射率；

由公式6和公式7可得目标距离为

$r=\frac{{\mathrm{\τ}}_{i}c}{2}+\frac{t_{L}c}{2n({\mathrm{\ϵ}}_i+1)}$ 公式8。

为达到上述目的，本发明还提供了一种图像寻的激光成像测距装置，该装置包括脉冲激光器、光学发射子系统、面阵成像器件、选通门、窄带滤光片、光学接收子系统、系统控制面板、图像信息显示模块、图像信息处理模块、时序控制模块和数控变焦模块，其中，脉冲激光器和发射光学子系统连接形成照明单元；面阵成像器件、选通门、窄带滤光片和光学接收子系统依次连接形成成像单元；图像信息处理模块、图像信息显示模块、时序控制模块、数控变焦模块和系统控制面板一起形成图像处理显示和系统控制单元。

上述方案中，所述脉冲激光器是该图像寻的激光成像测距装置的照明光源，在所述时序控制模块输出的TTL信号触发下产生激光脉冲，并通过所述光学发射子系统发射，对视场内的目标进行照明。

上述方案中，所述光学发射子系统用于发射所述脉冲激光器输出的脉冲激光，在所述数控变焦模块控制下对激光的发散角进行调节，实现照明视场的控制。

上述方案中，所述面阵成像器件是该图像寻的激光成像测距装置的信号探测器件，在所述时序控制模块输出的TTL信号触发下开始工作，将通过所述光学接收子系统和所述选通门的目标回波信号转换为电信号，实现图像的采集，该面阵成像器件为像元列阵器件，能够直接输出图像至所述图像信息处理模块。

上述方案中，所述选通门是该图像寻的激光成像测距装置的快门，在所述时序控制模块输出的TTL信号触发下开启该选通门，形成一个选通脉冲，只有在该开启时间内目标回波信号才可通过该选通门被所述面阵成像器件接收，该选通门关闭时目标回波信号被屏蔽不被所述面阵成像器件接收。

上述方案中，所述窄带滤光片安装在所述选通门和所述光学接收子系统之间，用于过滤所述光学接收子系统收集到的目标回波信号之外的背景光，减少环境背景光对回波信号的影响，提高信噪比。

上述方案中，所述光学接收子系统用于收集目标回波信号，在所述数控变焦模块控制下能够调节成像视场。

上述方案中，所述系统控制面板用于设置该图像寻的激光成像测距装置的工作参数，主要是通过键盘和鼠标来实现设置，具体为：所述系统控制面板与所述图像信息显示模块连接，通过鼠标功能供用户在全景帧图像中选取目标；所述系统控制面板与所述图像信息处理模块连接，通过键盘功能向所述图像信息处理模块发送系统的工作参数设置命令。

上述方案中，所述图像信息显示模块用于显示所述图像信息处理模块输出的全景帧图像，并所述显示图像信息处理模块的计算结果，该图像信息显示模块具有触摸屏功能，能够供用户在全景帧图像中选取目标，同时，除用触摸屏功能选取目标外，该图像信息显示模块与所述系统控制面板相连，支持通过所述系统控制面板的鼠标功能来选取目标。

上述方案中，所述图像信息处理模块的功能有两个：一是将所述系统控制面板输入的工作参数设置命令分别发送给与该图像信息处理模块相连接的所述时序控制模块和所述数控变焦模块；二是存储所述面阵成像器件输出的全景帧图像和切片帧数据，并对这些数据进行处理，计算反演出目标的距离信息，将计算结果传给所述图像信息显示模块。

上述方案中，所述时序控制模块是该图像寻的激光成像测距装置的时序发生器，接收来自所述图像信息处理模块发送的设置命令，产生该图像寻的激光成像测距装置工作所需的测距时序，输出三路TTL信号分别触发所述脉冲激光器、所述选通门和所述面阵成像器件工作，实现所需成像功能。

上述方案中，所述数控变焦模块用于接收来自所述图像信息处理模块发送的设置命令，通过所述数控变焦分别控制所述光学发射子系统的照明视场和所述光学接收子系统的成像视场。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于在夜间等低照度环境下采用主动成像的工作方式，所以，本发明在夜间等低照度环境下仍可有效工作。

2、利用本发明，由于在测距过程中采用距离选通成像技术对前视视场切片成像，所以，本发明可很好的抑制大气等的后向散射，在雾雨雪等恶劣天气环境下仍可有效工作，对目标进行测距。

3、利用本发明，由于采用图像寻的的方式来寻找目标，且用户可根据需要通过数控变焦模块灵活控制成像视场实现有效寻的，所以，本发明具有寻的直观、操作方便的特点，易于使用者通过图像寻找目标。

4、利用本发明，由于激光照明视场与面阵成像器件的成像视场一致，对于成像视场覆盖的目标均可有效测距，所以，与传统非成像的点测距方式相比，可一次实现多个目标的测距，实现可见即可测，测距效率高。

附图说明

图1是图像寻的激光成像测距原理的示意图，(a)非选通成像，(b)全景帧，(c)距离选通成像，(d)切片帧，(e)主窗口区及目标距离反演；

图2是图像寻的激光成像测距装置的示意图；

图3是测距时序模式的示意图；

图4是相邻切片帧间信号交叠空间关系的示意图：图4(a)三角形距离能量包络的空间切片，图4(b)空间切片间交叠关系；

图5是目标选取工具的示意图：图5(a)十字线，图5(b)矩形，图5(c)圆形，图5(d)任意多边形；

图6是图像寻的激光成像测距方法的流程图；

图7是图像寻的激光成像测距实例的示意图；

图中主要元件符号说明：

1图像寻的激光成像测距装置，2主窗口区，3脉冲激光器，4面阵成像器件，5选通门，6时序控制模块，7图像信息处理模块，8图像信息显示模块，9系统控制面板，10数控变焦模块，11光学发射子系统，12光学接收子系统，13窄带滤光片，14激光脉冲，15目标回波信号，16面阵成像器件曝光脉冲，17选通脉冲

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，对本发明进一步详细说明。

在此公开本发明结构实施例和方法的描述。可以了解的是并不意图将本发明限制在特定公开的实施例中，而是本发明可以通过使用其它特征，元件方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。

图1是图像寻的激光成像测距原理的示意图，其中图1(a)非选通成像，图1(b)全景帧，图1(c)距离选通成像，图1(d)切片帧，图1(e)主窗口区及目标距离反演。图像寻的激光成像测距方法首先采用非选通成像的方式对目标所处环境成像并输出数字全景图，如图1(a)所示，实现图像寻的，发现目标后，系统开启测距功能，输出含目标的全景帧，如图1(b)所示，用户可通过系统控制面板9或图像信息显示模块8中的触摸屏在全景帧中选取感兴趣目标，完成目标选取后开启测距功能，在测距时序模式下，首先获得一背景帧，然后利用距离选通成像构造三角形距离能量包络的空间切片对前视视场进行切片式扫描，如图1(c)所示，输出切片帧，如图1(d)所示，且相邻切片帧间存在信号交叠，如图1(e)所示，反演目标距离时，首先所有切片帧与背景帧差分获得消除背景影响的新切片帧，然后系统自动基于距离选通回波展宽效应建立的相邻新切片帧间主窗口区2图像灰度比与距离能量比间的映射关系计算获得目标的距离信息，从而完成目标测距。

基于上述方法的图像寻的激光成像测距装置如图2所示，该装置包括脉冲激光器3、光学发射子系统11、面阵成像器件4、选通门5、窄带滤光片13、光学接收子系统12、系统控制面板9、图像信息显示模块8、图像信息处理模块7、时序控制模块6、数控变焦模块10，如图2所示。整个装置中，脉冲激光器3和发射光学子系统连接形成照明单元；面阵成像器件4、选通门5、窄带滤光片13和光学接收子系统12依次连接形成成像单元；图像信息处理模块7、图像信息显示模块8、时序控制模块6、数控变焦模块10和系统控制面板9一起形成图像处理显示和系统控制单元。

其中，脉冲激光器3是本装置的照明光源，在时序控制模块6输出的TTL信号触发下产生激光脉冲，并通过光学发射子系统11发射，对视场内的目标进行照明。

光学发射子系统11用于发射脉冲激光器3输出的脉冲激光，在数控变焦模块10控制下可对激光的发散角进行调节，实现照明视场的控制。

面阵成像器件4是本装置的信号探测器件，在时序控制模块6输出的TTL信号触发下开始工作，将通过光学接收子系统12和选通门5的目标回波信号转换为电信号，实现图像的采集，该面阵成像器件4为像元列阵器件，可直接输出图像至图像信息处理模块7；

选通门5是本装置的快门，在时序控制模块6输出的TTL信号触发下开启选通门5，形成一个选通脉冲，只有在该开启时间内目标回波信号才可通过选通门5被面阵成像器件4接收，选通门5关闭时目标回波信号被屏蔽不被面阵成像器件4接收；

窄带滤光片13安装在选通门5和光学接收子系统12之间，用于过滤光学接收子系统12收集到的目标回波信号之外的背景光，减少环境背景光对回波信号的影响，提高信噪比；

光学接收子系统12用于收集目标回波信号，在数控变焦模块10控制下可调节成像视场；

系统控制面板9用于设置本装置的工作参数，主要通过键盘和鼠标实现设置的，具体为：与图像信息显示模块8连接，通过鼠标功能供用户在全景帧图像中选取目标；与图像信息处理模块7连接，通过键盘功能向图像信息处理模块7发送系统的工作参数设置命令；

图像信息显示模块8主要是显示图像信息处理模块7输出的全景帧图像，并显示图像信息处理模块7的计算结果，该模块具有触摸屏功能，可供用户在全景帧图像中选取目标，同时，除用触摸屏功能选取目标外，该模块与系统空面板相连，支持通过系统控制面板9的鼠标功能来选取目标。

图像信息处理模块7的功能有两个：一是将系统控制面板9输入的工作参数设置命令分别发送给与该模块相连接的时序控制模块6和数控变焦模块10；二是存储面阵成像器件4输出的全景帧图像和切片帧数据，并对这些数据进行处理，计算反演出目标的距离信息，将计算结果传给图像信息显示模块8。

时序控制模块6是本装置的时序发生器，接收来自图像信息处理模块7发送的设置命令，产生本装置工作所需的测距时序，输出三路TTL信号分别触发脉冲激光器3、选通门5和面阵成像器件4工作，实现所需成像功能。

数控变焦模块10主要是接收来自图像信息处理模块7发送的设置命令，通过数控变焦分别控制光学发射子系统11的照明视场和光学接收子系统12的成像视场。

非选通成像分为夜间成像模式和白天成像模式。对于夜间成像模式，非选通成像采用主动成像的方式工作，采用脉冲激光器3作为照明光源，经过光学发射子系统11对环境进行照明，当激光传播至目标时被目标散射形成向后传播的回波信号，该信号被光学接收子系统12接收，并经窄带滤光片13滤除环境背景光，然后被选通门5放大，并被面阵成像器件4采集，经图像信息处理模块7、输出数字图像至图像信息显示模块8；对于白天成像模式，由于环境照度大，无需激光器辅助照明，因此，非选通成像采用被动成像的方式工作，脉冲激光器3处于关闭状态，其它设置与夜间成像模式相同。在非选通成像过程中，选通门5处于完全开启状态，接收来自前视视场的全部信号，因此，输出的图像为全景图，包含前视视场内所有的目标和背景图像信息，如图1(a)和图1(b)所示。该全景图可通过数控变焦模块10控制系统焦距实现视场的放大或缩小，且输出的图像支持数字放大。用户可通过系统控制面板9或图像信息显示模块8中的触摸屏选取全景帧中需要测量的目标，即感兴趣目标。其中，目标选取工具包括十字线、矩形、圆形和自由多边形，如图5所示。其中，十字线主要是用于全景帧图像中的点测量，即单像素测量；矩形、圆形和自由多边形则主要是用于全景帧图像中的区域测量，用户可根据目标几何形状特点通过矩形、圆形或者自由多边形来勾选目标。测量中，用户可根据测量需求，一次选取全景帧中多个目标同时进行测距。这种图像寻的的工作方式利于用户直观地发现目标。

当通过全景帧选取目标后，开启测距功能，测距时序如图3所示。首先，系统获取背景帧，之后，利用距离选通成像构造三角形距离能量包络的空间切片对前视视场进行切片式扫描，并输出切片帧，如图1(c)和图1(d)所示。

对于距离选通成像技术，该技术采用脉冲激光器3作为照明光源，采用辅以选通门5的面阵成像器件4作为探测器，通过控制选通脉冲17和激光脉冲14间的延时实现对不同距离处空间切片的成像。工作时，当脉冲激光传至目标时形成向后传播的脉冲回波信号，与非选通主动成像不同，选通门5仅在激光脉冲14发射一段延时τ后开启并接收回波信号，选通门5开启持续时间为t_g，从而对距离区间为[(τ-t_L)c/2n，(τ+t_g)c/2n]的空间切片进行成像(见图1(c))。其中，t_L为激光脉冲14的脉宽，c为真空环境下的光速，n为大气折射率。在距离选通回波展宽效应作用下，当选通脉冲17和激光脉冲14均为方波脉形且选通门宽t_g与激光脉宽t_L相等时，选通脉冲17和激光脉冲14卷积作用后的距离向上的能量包络为三角形，如图4(a)所示，相应地，空间切片距离向上的能量分布呈三角形，存在一上升沿和一下降沿，分别称为空间切片的头信号区和尾信号区，从而获得了三角形距离能量包络的空间切片。

在测距时序模式下空间切片对应的切片帧间存在信号交叠，其空间交叠关系如图4(b)所示。这里的测距时序模式是指在面阵成像器件4一帧的曝光时间里，面阵成像器件4前的选通门5(gate)开启m次进行m次子曝光，在获取背景帧时每个子曝光中仅含有一个选通脉冲17，无激光脉冲14，在获取切片帧时，每个子曝光是由一个选通脉冲17对应一个激光脉冲14完成的，这样在成像器件一帧的曝光时间里可通过m次子曝光实现能量的积累，增加系统的作用距离。该时序由时序控制模块6产生。其中，m值大小由以下公式确定

$m=\⟨\frac{t_{\mathrm{CCD}}}{\mathrm{\τ}+(N-1)\mathrm{\Δt}+t_g}\⟩-1$ 公式(1)

公式(1)中，t_CCD为面阵成像器件4一帧内的有效曝光时间，即面阵成像器件曝光脉冲16的脉宽，τ为激光脉冲14和选通脉冲17间的初始延时，N为切片帧的最大帧数，Δt为延时步进步长，

为 $\frac{t_{\mathrm{CCD}}}{\mathrm{\τ}+(N+1)\mathrm{\Δt}+t_g}$ 的整数部分。

空间切片对应的切片帧是在初始延时为τ并以延时步进步长Δt步进扫描时输出的空间切片图像。相应地，延时步进步长Δt与选通门宽t_g、激光脉宽t_L的大小相等，满足

Δt＝t_g＝t_L                   公式(2)

在测距时序模式下，初始延时τ对应的切片帧记为第1帧，随着延时步进，切片帧数依次递增，则切片帧i对应的延时τ_i为

τ_i＝τ+(i-1)Δt＝τ+(i-1)t_g    i∈[1，N]      公式(3)

公式(3)中，N为切片帧的最大帧数。相应地，系统的最大测量距离为(τ+(N-1)t_g)c/2n。当N张切片帧扫描完毕后，该切片帧数据存储于图像信息处理模块7。

相应地，切片帧i对应的切片距离R_i为

$R_i=\frac{{\mathrm{\τ}}_{i}c}{2n}$ 公式(4)

当某切片距离下的空间切片内无目标时，该切片距离下对应的切片帧为空白帧，如图1(d)中切片帧h所示，切片帧中无任何目标信息。

当延时步进步长、选通门宽和激光脉宽满足公式(2)时，在距离选通回波展宽效应作用下，相邻切片帧间的头信号区和尾信号区出现交叠，即第i帧切片的尾信号区和第i+1帧切片的头信号区重叠，如图1(e)所示，且满足关系

$D_{\mathrm{tail},i}=\frac{t_{g}c}{2n}=D_{\mathrm{head},i+1}=\frac{t_{L}c}{2n}$ 公式(5)

公式中D_tail，i为第i帧切片的尾信号区景深，D_head，i+1为第i+1帧切片的头信号区景深。

在背景帧和切片帧的获取后，切片帧与背景帧进行图像差分处理获得新切片。新切片帧消除了环境背景噪声的影响，但对系统接收的目标回波信号15无影响，因此，不影响空间切片的三角形距离能量包络。新切片帧与未处理的原切片帧的目标回波信号15能量方程相同，所对应的空间切片信息一致，因此上述切片帧相关的公式(4)和公式(5)均适用于新切片帧。

对于选取感兴趣目标，图像信息处理模块7可通过相邻新切片间的主窗口区图像灰度比与距离能量比间的映射关系获取目标的距离信息。在距离选通回波展宽效应作用下，相邻切片帧间的头信号区和尾信号区存在交叠，即切片帧i的尾信号区和切片帧i+1的头信号区重叠区。相邻新切片帧间主窗口区便是指相邻新切片帧间的信号交叠区。由于切片帧与背景帧差分处理并不影响空间切片的信息，因此，未处理的相邻切片帧间的主窗口区与处理后的相邻新切片帧间的主窗口区是相同的。由于系统采用空间切片步进扫描的方式切片成像，因此，若感兴趣目标出现在两幅切片帧图像中，则这两切片帧必然相邻，如图1(d)中的切片帧i和切片帧i+1，且感兴趣目标必然出现在这两幅切片帧图像的主窗口区2，即前一帧的尾信号区和后一帧的头信号区，如图1(e)所示，同时，由于图像灰度与目标的回波信号能量成正比，因此，可建立如下关系

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{I_i}{I_{i+1}}=\frac{E_{\mathrm{tail},i}\left(r\right)}{E_{\mathrm{head},i+1}\left(r\right)}$ 公式(6)

公式中，ε为选取目标在相邻新切片帧中的图像灰度比，I_i和I_i+1分别是所选目标在新切片帧i和新切片帧i+1中平均灰度，E_tail，i(r)和E_head，i+1(r)分别是切片帧i的尾信号区和切片帧i+1的头信号区的回波信号能量方程(不包含背景噪声)，其能量比为

$\frac{E_{\mathrm{tail},i}\left(r\right)}{E_{\mathrm{head},i+1}\left(r\right)}=\frac{t_L-2\frac{n(r-R_i)}{c}}{t_L-2\frac{n(R_{i+1}-r)}{c}}$ 公式(7)

公式(7)中，公式中R_i和R_i+1分别是切片帧i和切片帧i+1对应的切片距离，r为待测目标距离，n为大气折射率。由公式(6)和公式(7)可得目标距离为

$r=\frac{{\mathrm{\τ}}_{i}c}{2}+\frac{t_{L}c}{2n({\mathrm{\ϵ}}_i+1)}$ 公式(8)

公式(8)便给出了主窗口区图像灰度比与距离间的关系，图像信息处理模块7便可基于此公式计算出目标距离信息。在获取切片帧过程中，窄带滤光片13主要是让脉冲激光产生的回波信号通过，而过滤回波信号之外的环境背景光，减少环境背景光对回波信号的影响，提高信噪比。

本实施例的工作流程如图6所示，具体步骤如下：

步骤1：系统开机。

步骤2：设置系统参数：根据测量需求设置成像视场。系统开始工作并成像。

步骤3：通过系统输出的全景图进行寻的，发现目标后，系统输出含目标的全景帧，并利用目标选取工具选取目标。

步骤4：开启测距功能，在测距时序下，首先输出背景帧，然后以具有三角形距离能量包络的空间切片在距离向上扫描，获取切片帧，系统对切片帧和背景帧进行图像差分处理，并基于新切片帧反演出目标距离，并输出计算结果。

步骤5：如测距有效，即输出测距结果，则完成测距，如测距无效，即未输出测距结果，则重新选取目标，重新测距，直至输出测距结果。

步骤6：完成测距后，如还继续测距，则重复步骤2至步骤5；在重复步骤2时，用户可根据测量需要重新调整成像视场。

步骤7：测距完毕，可关机。

对于图像寻的激光成像测距仪，本发明搭建了系统原理样机，进行了初步的实验。实验结果如图7所示。实验中，分别采用十字线和矩形的目标选取工具选取了两个测量目标，树枝和墙。其中，树枝距离系统的距离为91m，墙距离系统的距离为122m。由实验结果可发现，本发明的图像寻的激光成像测距方法及装置可有效实现树枝等细小目标的测量，且图像寻的降低了负责背景下目标搜寻的难度。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述具体实施例，但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，本发明并不限于所描述的具体实施方式。因此，在本发明所公开的内容的真正实质和基本原则范围内的任何/所有修改、变化或等效变换，都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (25)

1.一种图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，该方法包括：

首先采用非选通成像的方式对目标所处环境成像并输出数字全景图，实现图像寻的；

发现目标后，开启测距功能，输出含目标的全景帧，用户通过系统控制面板或图像信息显示模块中的触摸屏在全景帧中选取感兴趣目标，完成目标选取后开启测距功能；

在测距时序模式下，首先获得一背景帧，然后利用距离选通成像构造具有三角形距离能量包络的空间切片，对前视视场进行切片式扫描，输出切片帧，且相邻切片帧间存在信号交叠；

反演目标距离时，首先所有切片帧与背景帧差分获得消除背景影响的新切片帧，然后系统自动基于距离选通回波展宽效应建立的相邻新切片帧间主窗口区图像灰度比与距离能量比间的映射关系计算获得目标的距离信息，从而完成目标测距。

2.根据权利要求1所述的图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，所述非选通成像分为夜间成像模式和白天成像模式，具体为：

对于夜间成像模式，非选通成像采用主动成像的方式工作，采用脉冲激光器作为照明光源，经过光学发射子系统对环境进行照明，当激光传播至目标时被目标散射形成向后传播的回波信号，该信号被光学接收子系统接收，并经窄带滤光片滤除环境背景光，然后被选通门放大，并被面阵成像器件采集，经图像信息处理模块、输出数字图像至图像信息显示模块；

对于白天成像模式，由于环境照度大，无需激光器辅助照明，因此，非选通成像采用被动成像的方式工作，脉冲激光器处于关闭状态，其它设置与夜间成像模式相同；

在非选通成像过程中，选通门处于完全开启状态，接收来自前视视场的全部信号，因此，输出的图像为全景图，包含前视视场内所有的目标和背景图像信息。

3.根据权利要求1所述的图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，所述图像寻的是用户通过系统输出的全景图来寻找目标，该全景图能够通过数控变焦模块控制系统焦距实现视场的放大或缩小，且输出的图像支持数字放大；这种图像寻的的工作方式利于用户通过视觉直观地发现目标，且由于采用主动成像的方式，对于低照度环境下的目标仍可有效成像，实现目标寻的。

4.根据权利要求1所述的图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，所述全景帧是用户通过图像寻的发现目标后系统输出的全景图；获取全景图时，选通门一直处于开启状态。

5.根据权利要求1所述的图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，所述感兴趣目标是用户通过系统控制面板或图像信息显示模块中的触摸屏选取全景帧中需要测量的目标；该测距装置中的目标选取工具包括十字线、矩形、圆形和自由多边形，其中，十字线主要是用于全景帧图像中的点测量，即单像素测量；矩形、圆形和自由多边形则主要是用于全景帧图像中的区域测量，用户能够根据目标几何形状特点通过矩形、圆形或者自由多边形来勾选目标；测量中，用户能够根据测量需求，一次选取全景帧中多个目标同时进行测距。

6.根据权利要求1所述的图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，所述距离选通成像是采用脉冲激光器作为照明光源，采用含选通门的面阵成像器件作为探测器，通过控制选通脉冲和激光脉冲间的延时实现对不同距离处空间切片的成像；

工作时，当脉冲激光传至目标时形成向后传播的脉冲回波信号，与非选通主动成像不同，选通门仅在激光脉冲发射一段延时τ后，开启并接收回波信号，选通门开启持续时间为t_g，从而对距离区间为[(τ-t_L）c/2n，(τ+t_g)c/2n]的空间切片进行成像；其中，t_L为激光脉冲的脉宽，c为真空环境下的光速，n为大气折射率。

7.根据权利要求1所述的图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，所述三角形距离能量包络的空间切片，是在距离选通回波展宽效应下，当选通脉冲和激光脉冲均为方波脉形且选通门宽t_g与激光脉宽t_L相等时，选通脉冲和激光脉冲卷积作用后的距离向上的能量包络为三角形，即空间切片距离向上的能量分布呈三角形，存在一上升沿和一下降沿，分别称为空间切片的头信号区和尾信号区。

8.根据权利要求1所述的图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，所述测距时序模式是在面阵成像器件一帧的曝光时间里，面阵成像器件前的选通门(gate)开启m次进行m次子曝光，在获取背景帧时每个子曝光中仅含有一个选通脉冲，无激光脉冲，在获取切片帧时，每个子曝光是由一个选通脉冲对应一个激光脉冲完成的，这样在成像器件一帧的曝光时间里可通过m次子曝光实现能量的积累，增加系统的作用距离；该时序由时序控制模块产生，其中m值大小由以下公式确定

$m=\⟨\frac{t_{\mathrm{CCD}}}{\mathrm{\τ}+(N-1\mathrm{\Δt}+t_g)}\⟩-1$ 公式1

公式1中，t_CCD为面阵成像器件一帧内的有效曝光时间，即面阵成像器件曝光脉冲的脉宽，τ为激光脉冲和选通脉冲间的初始延时，N为切片帧的最大帧数，Δt为延时步进步长，为的整数部分。

9.根据权利要求1所述的图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，所述切片帧是具有三角形距离能量包络的空间切片在初始延时为τ、延时步进步长为Δt时步进扫描输出的空间切片图像；延时步进步长Δt与选通门宽t_g、激光脉宽t_L的大小相等，即满足

Δt＝t_g＝t_L                          公式2

在测距时序模式下，初始延时τ对应的切片帧记为第1帧，随着延时步进，切片帧数依次递增，则切片帧i对应的延时τ_i为

τ_i＝τ+(i-1)Δt＝τ+(i-1)t_g       i∈[1，N]        公式3

公式3中，N为切片帧的最大帧数；相应地，系统的最大测量距离为(τ+(N-1)t_g)c/2n；当N张切片帧扫描完毕后，该切片帧数据存储于图像信息处理模块；

相应地，切片帧i对应的切片距离R_i为

$R_i=\frac{{\mathrm{\τ}}_{i}c}{2n}$ 公式4

当某切片距离下的空间切片内无目标时，该切片距离下对应的切片帧为空白帧，切片帧中无任何目标信息。

10.根据权利要求1所述的图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，所述相邻切片帧间存在信号交叠，是在延时步进步长Δt、选通门宽t_g和激光脉宽t_L相等时，在距离选通回波展宽效应作用下，相邻切片帧间的头信号区和尾信号区出现交叠，即切片帧i的尾信号区和切片帧i+1的头信号区重叠，且满足关系

$D_{\mathrm{tail},i}=\frac{t_{g}c}{2n}=D_{\mathrm{head},i+1}=\frac{t_{L}c}{2n}$ 公式5

公式5中D_tail，i为切片帧i的尾信号区景深，D_head，i+1为切片帧i+1的头信号区景深。

11.根据权利要求1所述的图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，所述新切片帧是系统输出的切片帧与背景帧图像差分处理后获得切片，与背景帧差分后的新切片帧消除了环境背景噪声的影响，但对系统接收的目标回波信号无影响，因此，不影响空间切片的三角形距离能量包络，即新切片帧与未处理的原切片帧的目标回波信号能量方程相同，所对应的空间切片信息一致，因此上述切片帧相关的公式4和公式5均适用于新切片帧。

12.根据权利要求1所述的图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，所述相邻新切片帧间主窗口区是指相邻新切片帧间的信号交叠区，即新切片帧i的尾信号区和新切片帧i+1的头信号区重叠区；由于切片帧与背景帧间的差分处理并不影响空间切片的信息，因此，未处理的相邻切片帧间的主窗口区与处理后的相邻新切片帧间的主窗口区是相同的。

13.根据权利要求1所述的图像寻的激光成像测距方法，其特征在于，所述相邻新切片帧间主窗口区图像灰度比与距离能量比间的映射关系，是在距离选通回波展宽效应作用下，相邻切片帧间的头信号区和尾信号区存在交叠，且由于系统采用空间切片步进扫描的方式切片成像，因此，若感兴趣目标出现在两幅切片帧图像中，则这两切片帧必然相邻，且感兴趣目标必然出现在这两幅切片帧图像的主窗口区，即前一帧的尾信号区和后一帧的头信号区，同时，由于图像灰度与目标的回波信号能量成正比，因此，可建立如下关系

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{I_i}{I_{i+1}}=\frac{E_{\mathrm{tail},i}\left(r\right)}{E_{\mathrm{head},i+1}\left(r\right)}$ 公式6

公式6中假定目标出现在切片帧i和切片帧i+1中，其中，ε为选取目标在相邻切片帧中的图像灰度比，I_i和I_i+1分别是所选目标在新切片帧i和新切片帧i+1中平均灰度，E_tail，i(r)和E_head，i+1(r)分别是切片帧i的尾信号区和切片帧i+1的头信号区的回波信号能量方程(不包含背景噪声)，其能量比为

$\frac{E_{\mathrm{tail}.i}\left(r\right)}{E_{\mathrm{head},i+1}\left(r\right)}=\frac{t_L-2\frac{m-(r-R_i)}{c}}{t_L-2\frac{n(R_{i+1}-r)}{c}}$ 公式7

公式7中，公式中R_i和R_i+1分别是切片帧i和切片帧i+1对应的切片距离，r为待测目标距离，n为大气折射率；

由公式6和公式7可得目标距离为

$r=\frac{{\mathrm{\τ}}_{i}c}{2}+\frac{t_{L}c}{2n({\mathrm{\ϵ}}_i+1)}$ 公式8。

14.一种基于权利要求1所述方法的图像寻的激光成像测距装置，其特征在于，该装置包括脉冲激光器、光学发射子系统、面阵成像器件、选通门、窄带滤光片、光学接收子系统、系统控制面板、图像信息显示模块、图像信息处理模块、时序控制模块和数控变焦模块，其中，脉冲激光器和发射光学子系统连接形成照明单元；面阵成像器件、选通门、窄带滤光片和光学接收子系统依次连接形成成像单元；图像信息处理模块、图像信息显示模块、时序控制模块、数控变焦模块和系统控制面板一起形成图像处理显示和系统控制单元。

15.根据权利要求14所述的图像寻的激光成像测距装置，其特征在于，所述脉冲激光器是该图像寻的激光成像测距装置的照明光源，在所述时序控制模块输出的TTL信号触发下产生激光脉冲，并通过所述光学发射子系统发射，对视场内的目标进行照明。

16.根据权利要求14所述的图像寻的激光成像测距装置，其特征在于，所述光学发射子系统用于发射所述脉冲激光器输出的脉冲激光，在所述数控变焦模块控制下对激光的发散角进行调节，实现照明视场的控制。

17.根据权利要求14所述的图像寻的激光成像测距装置，其特征在于，所述面阵成像器件是该图像寻的激光成像测距装置的信号探测器件，在所述时序控制模块输出的TTL信号触发下开始工作，将通过所述光学接收子系统和所述选通门的目标回波信号转换为电信号，实现图像的采集，该面阵成像器件为像元列阵器件，能够直接输出图像至所述图像信息处理模块。

18.根据权利要求14所述的图像寻的激光成像测距装置，其特征在于，所述选通门是该图像寻的激光成像测距装置的快门，在所述时序控制模块输出的TTL信号触发下开启该选通门，形成一个选通脉冲，只有在该开启时间内目标回波信号才可通过该选通门被所述面阵成像器件接收，该选通门关闭时目标回波信号被屏蔽不被所述面阵成像器件接收。

19.根据权利要求14所述的图像寻的激光成像测距装置，其特征在于，所述窄带滤光片安装在所述选通门和所述光学接收子系统之间，用于过滤所述光学接收子系统收集到的目标回波信号之外的背景光，减少环境背景光对回波信号的影响，提高信噪比。

20.根据权利要求14所述的图像寻的激光成像测距装置，其特征在于，所述光学接收子系统用于收集目标回波信号，在所述数控变焦模块控制下能够调节成像视场。

21.根据权利要求14所述的图像寻的激光成像测距装置，其特征在于，所述系统控制面板用于设置该图像寻的激光成像测距装置的工作参数，主要是通过键盘和鼠标来实现设置，具体为：所述系统控制面板与所述图像信息显示模块连接，通过鼠标功能供用户在全景帧图像中选取目标；所述系统控制面板与所述图像信息处理模块连接，通过键盘功能向所述图像信息处理模块发送系统的工作参数设置命令。

22.根据权利要求14所述的图像寻的激光成像测距装置，其特征在于，所述图像信息显示模块用于显示所述图像信息处理模块输出的全景帧图像，并所述显示图像信息处理模块的计算结果，该图像信息显示模块具有触摸屏功能，能够供用户在全景帧图像中选取目标，同时，除用触摸屏功能选取目标外，该图像信息显示模块与所述系统控制面板相连，支持通过所述系统控制面板的鼠标功能来选取目标。

23.根据权利要求14所述的图像寻的激光成像测距装置，其特征在于，所述图像信息处理模块的功能有两个：一是将所述系统控制面板输入的工作参数设置命令分别发送给与该图像信息处理模块相连接的所述时序控制模块和所述数控变焦模块；二是存储所述面阵成像器件输出的全景帧图像和切片帧数据，并对这些数据进行处理，计算反演出目标的距离信息，将计算结果传给所述图像信息显示模块。

24.根据权利要求14所述的图像寻的激光成像测距装置，其特征在于，所述时序控制模块是该图像寻的激光成像测距装置的时序发生器，接收来自所述图像信息处理模块发送的设置命令，产生该图像寻的激光成像测距装置工作所需的测距时序，输出三路TTL信号分别触发所述脉冲激光器、所述选通门和所述面阵成像器件工作，实现所需成像功能。

25.根据权利要求14所述的图像寻的激光成像测距装置，其特征在于，所述数控变焦模块用于接收来自所述图像信息处理模块发送的设置命令，通过所述数控变焦分别控制所述光学发射子系统的照明视场和所述光学接收子系统的成像视场。

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