CN102798868B - 基于飞行光谱的三维成像雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于飞行光谱的三维成像雷达系统，它包括：多波长光源、光带通滤波器、图像传感器、电子快门、数据处理器和显示终端；多波长光源依次产生由不同波长组成的光脉冲串，这些光脉冲串形成一个飞行光谱照射在物体上，物体会依次将多波长光反射回来；反射回来的多波长光经过光带通滤波器被图像传感器的不同像素感光，每个波长都在图像传感器上形成一幅图像；图像传感器在电子快门的作用下在曝光时间内成像，在曝光时间内不同位置物体的反射光其波长成分是不同的，通过数据处理器对不同波长图像的分析就能获得物体的具体位置，最后通过显示终端将结果显示出来；本发明能够实现中近距离的高速、高分辨率的三维雷达成像，而且成本低廉。

Description

基于飞行光谱的三维成像雷达系统

技术领域

本发明涉及一种成像雷达系统，尤其涉及一种基于飞行光谱的三维成像雷达系统。

背景技术

三维成像雷达技术可广泛应用于各领域，如汽车的安全防撞安全系统、高速公路照相测速系统、测距望远镜、机器视觉等。三维成像雷达是一种能具有测距能力的成像系统，系统由发射、接收和信息处理等部分组成。目前雷达测距的原理可概分为飞行时间测量、相位差测量和三角测量等三种方法。

第一种方法是飞行时间法，这种方法使用脉冲光源，借由测量发射光脉冲到接收到目标反射的光脉冲的时间差来计算目标物体的距离。这种方法可以达到很到的精度，一般在数公里的范围内达到厘米级的精度，但如要实现高分辨三维成像，必须要逐点扫描，这种方法是目前最常用的激光成像雷达，这种方法成像速度非常慢、成像分辨率非常差。另外一种方法是使用每一单元都具有脉冲探测和时间计数能力的面阵探测器件，例如在成像器件前加入具有高速调制功能的像增强器（IMCCD），目前无扫描激光三维雷达基本上都是采用这种方法，这种方法测量精度受限于光脉冲形状、成像分辨率受限于像增强器、而且造价非常昂贵，目前尚只能用于军事和国防用途。

另外一种方法是相位测量法，这种方法是通过调制光源，利用反射光与参考振荡之间的相位差来获得目标物体的距离。由于相位有2π的局限，这种方法有测量距离上的限制，测量距离只有数十米，测量精度也不高。目前也有借助像增强成像器（IMCCD）实现面阵相位测量法的雷达系统。

第三种方法是三角测距法，这种方法是借助结构光源在目标物体上光点及其成像的三角关系计算出物体离光源的距离。这种方法的虽然测距精度高，但是适用的测量距离更短，常用于精密模具制造、集成电路、SMT电路板检测等场合。目前也有用不同颜色编码在二维空间中投射出彩色结构光进行三维成像的，都属于这种方法。

上述的雷达测距方法只能得到单点的距离信息，如要对被测物体进行三维成像，必须逐点采样，或者使用面阵型的探测器件进行并行数据采集。现有的各种激光雷达传感器存在一些缺点和不足：如扫描型激光雷达虽然对器件的要求较低，工作距离远，但对扫描机构的要求较高，且帧速率较低，实时性较差；而面阵型激光雷达虽然实时性好，但高分辨率成像需要大面阵器件，器件的成本和研制难度都很高。这些激光雷达都需要纳秒级的光源或者快速响应的探测器。

近年来在Optics Letters上报道了法国科学家使用微秒激光脉冲和高速CCD相机基于强度积分实现三维成像的技术（OPTICS LETTERS，Vol.32，3146-3148，2007）。这种方法成本远低于其他面阵型技术，但其探测距离和精度受到有较大的局限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的局限和不足，提供一种基于飞行光谱的三维成像雷达系统。本发明利用相对低廉的多波长LED/激光光源和普通彩色CCD或CMOS面阵探测器实现三维雷达成像。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于飞行光谱的三维成像雷达系统，它包括：多波长光源、光带通滤波器、图像传感器、电子快门、数据处理器和显示终端；其中，所述光带通滤波器和电子快门均固定在图像传感器上，多波长光源和图像传感器均与数据处理器相连，数据处理器和显示终端相连；所述多波长光源依次产生由不同波长组成的光脉冲串，这些光脉冲串形成一个飞行光谱照射在物体上，物体会依次将多波长光反射回来；反射回来的多波长光经过光带通滤波器被图像传感器的不同像素感光，每个波长都在图像传感器上形成一幅图像；图像传感器在电子快门的作用下在曝光时间内成像，在曝光时间内不同位置物体的反射光其波长成分是不同的，通过数据处理器对不同波长图像的分析就能获得物体的具体位置，最后通过显示终端将结果显示出来。

进一步地，所述多波长光源是由能产生不同波长微秒纳秒级光脉冲的一个或多个脉冲光源组成，所述脉冲光源为LED或者激光器。

一种应用上述系统的基于飞行光谱的三维成像方法，包括以下步骤：

（1）多波长光源产生的不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时；

（2）电子快门控制的曝光时间内，不同位置物体反射回来的光波在图像传感器传感单元积分效应下会形成的不同波长叠加的效果，其光强满足积分公式：

$I\left(S\right)=\underset{{\mathrm{\λ}}_i}{\mathrm{\Σ}}{\∫}_0^T{x}_i(t-2S/C)g\left(t\right)\mathrm{dt};$

其中，S表示距离，C表示光速，t表示时间，x_i(t-2S/C)表示波长λ_i的光脉冲波形，g(t)表示电子快门的波形，i为自然数。

（3）如果光波在可见光波段，会在图像传感器3形成的图像上直接叠加表示不同距离的彩色效果。

一种应用上述系统的基于飞行光谱的三维成像方法，包括以下步骤：

（1）多波长光源产生不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时，电子快门控制的曝光时间内，在图像传感器中同时采集两个由两个脉冲分别在不同位置物体反射回来的光波，即获取前后两帧图像；

（2）波长λ_i在两帧图像中产生的光强随距离的变化分别满足：

$I_i\left(S\right)={\∫}_0^T{x}_i(t-2S/C)g\left(t\right)\mathrm{dt};$

$I_i\left(S^{\′}\right)={\∫}_0^T{x}_i(t-2S^{\′}/C)g\left(t\right)\mathrm{dt};$

其中，S表示前一帧的距离，S′表示后一帧的距离，C表示光速，t表示时间，x_i(t-2S/C)表示波长λ_i的光脉冲波形，g(t)表示电子快门的波形，i为自然数。

将两帧图像相同波长λ_i的光强相减，获得的差分图像每个点的光强大小只与ΔS＝S-S′有关，由此可以获得差分图像与距离差ΔS之间的确定关系；而距离差ΔS由延时τ和光速C给出：ΔS＝τ*C/2；

结合 $I_i\left(S\right)={\∫}_0^T{x}_i(t-2S/C)g\left(t\right)\mathrm{dt},$ $I_i\left(S^{\′}\right)={\∫}_0^T{x}_i(t-2S^{\′}/C)g\left(t\right)\mathrm{dt}$ 和ΔS＝S-S′能够得到S和S′，从而得到两帧图像中每一点的距离信息。

一种应用上述系统的基于飞行光谱的三维成像方法，包括以下步骤：

（1）多波长光源产生的不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时，先在图像传感器中采集没有脉冲反射的光波，再同时采集两个由两个脉冲分别在不同位置物体反射回来的光波，即获取前后三帧图像；第一帧图像为没有飞行光谱光脉冲照射的背景图像，第二帧与第三帧图像在电子快门的同步时间内存在一个或者几个光脉冲宽度的延时τ；

（2）第二帧图像和第三帧图像分别与第一帧图像进行差分，减除背景光的影响；

（3）然后将差分后的第三帧图像作为参考值，对差分后的第二帧图像进行归一化：

其中，

表示差分后第二帧图像(X,Y)位置波长λ_i的光强，

表示差分后第三帧图像(X,Y)位置波长λ_i的光强；归一化的结果

反应了被测物体每点的距离信息，即可得到距离信息成像图。

本发明的有益效果是，本发明利用飞行光谱的不同距离位置光波波长不同的特点，采用一次曝光获得整个景深范围内所有反射物体的位置分布，大大提高了成像速度、减少了数据处理的难度，此外通过差分图像可以获得抗干扰性更强、精度更高的三维图像。与传统三维激光雷达对于光源和探测器要求达到纳秒级速度的要求不同，本发明可以采用普通的LED光源和彩色CCD或CMOS面阵来实现三维成像雷达，不仅大大降低了系统成本，而且可以实现高速、高分辨率三维成像，有可能开创三维成像雷达在汽车、直升飞机等交通工具防撞、三维地形测绘等领域的新应用。

附图说明

图1是本发明基于飞行光谱的三维成像雷达系统原理示意图；

图2是不同波长光脉冲形成飞行光谱的示意图；

图3是利用面阵CCD或CMOS时域卷积成像信号实现单次成像距离探测的原理示意图；

图4是利用面阵CCD或CMOS时域卷积成像信号时间差分成像距离探测的原理示意图；

图中：多波长光源1、光带通滤波器2、图像传感器3、电子快门4、数据处理器5、显示终端6。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明基于飞行光谱的三维成像雷达系统包括：多波长光源1、光带通滤波器2、图像传感器3、电子快门4、数据处理器5和显示终端6；其中，光带通滤波器2和电子快门4均固定在图像传感器3上，多波长光源1和图像传感器3均与数据处理器5相连，数据处理器5和显示终端6相连。多波长光源1依次产生由不同波长组成的光脉冲串，这些光脉冲串形成一个飞行光谱照射在物体上，物体会依次将多波长光反射回来；反射回来的多波长光经过光带通滤波器2被图像传感器3的不同像素感光，每个波长都在图像传感器3上形成一幅图像；图像传感器3在电子快门4的作用下在曝光时间内成像，在曝光时间内不同位置物体的反射光其波长成分是不同的，通过数据处理器5对不同波长图像的分析就能获得物体的具体位置，最后通过显示终端6将结果显示出来。不同的飞行光谱配合电子快门4和数据处理器5的处理可以产生多种成像方法。

多波长光源1是由能产生不同波长微秒纳秒级光脉冲的一个或多个脉冲光源组成，所述脉冲光源为LED或者激光器。

光带通滤波器2是一种设置在图像传感器3上、只容许某一设定波长范围光通过的光学器件，如彩色CMOS或CCD前设置的RGB滤光片。

图像传感器3是一种由电子快门4控制曝光时间、帧频能达到60帧以上的图像传感CMOS或者CCD器件。

电子快门4是设置在图像传感器3上，能将全局曝光时间控制在20微秒以下的电子装置或部件。

数据处理器5可以由单片机、嵌入式系统或PC机来实现，数据处理器5的工作过程如下：

（1）数据处理器5发出控制多波长光源1产生光脉冲的电信号；

（2）数据处理器5在精确控制延时后，发出同步脉冲控制电子快门4，达到控制曝光时间的目的；

（3）图像传感器3将采集的图像数据传输至数据处理器5；

（4）数据处理器5对获取的图像信号进行处理，同时输出图像到显示器6；

（5）准备下一光脉冲和下一帧图像的采集。

图2给出不同波长光脉冲形成飞行光谱的示意图，在图例中，我们假定多波长光源1依次产生波长λ₁、λ₂、λ₃的光脉冲，如果光脉冲脉宽为T₀，则每个光脉冲在空间会产生一个长度为C*T₀的一个色带（其中C为光速），3个波长则产生一个长度为3C*T₀的空间光谱带。这条光谱带在空间飞行T时间后，将到达C*T的位置。在飞行过程中，各种波长的相对位置不会发生任何改变（空气导致的色散可以忽略）。

本发明基于飞行光谱的三维成像方法1（单次成像法），包括以下步骤：

1、多波长光源1产生的不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时；

2、电子快门4控制的曝光时间内，不同位置物体反射回来的光波在图像传感器

3传感单元积分效应下会形成的不同波长叠加的效果，其光强满足积分公式：

$I\left(S\right)=\underset{{\mathrm{\λ}}_i}{\mathrm{\Σ}}{\∫}_0^T{x}_i(t-2S/C)g\left(t\right)\mathrm{dt},$

其中，S表示距离，C表示光速，t表示时间，x_i(t-2S/C)表示波长λ_i的光脉冲波形，g(t)表示电子快门的波形，i为自然数。

 3、如果光波在可见光波段，会在图像传感器3形成的图像上直接叠加表示不同距离的彩色效果。

图3给出利用面阵CCD或CMOS时域卷积成像信号实现单次成像距离探测的原理示意图。图中多波长光源1依次产生波长λ₁、λ₂、λ₃的光脉冲，脉冲的脉宽为τ₁，脉冲间隔为τ₂。电子快门4的延迟时间为t_d，门宽为τ₃。图像传感器3获得的目标光强度是脉冲回波与电子快门门宽相重叠部分的积分，强度和距离存在如图所示的梯形的对应关系。选择合适的波长和τ₁、τ₂、τ₃、t_d参数，通过光带通滤波器2，图像传感器3由于混色效应可产生预设的距离和颜色的对应关系，因此可直接输出叠加了目标物体距离信息的彩色图像。图中最后一个子图给出了波长λ₁、λ₂、λ₃分别为蓝绿红三种颜色可见光时形成的彩色光带。

本发明基于飞行光谱的三维成像方法2（差分成像法），包括以下步骤：

1、多波长光源1产生的不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时，电子快门4控制的曝光时间内，在图像传感器3中同时采集两个由两个脉冲分别在不同位置物体反射回来的光波，即获取前后两帧图像；

2、波长λ_i在两帧图像中产生的光强随距离的变化分别满足：

$I_i\left(S\right)={\∫}_0^T{x}_i(t-2S/C)g\left(t\right)\mathrm{dt},$

$I_i\left(S^{\′}\right)={\∫}_0^T{x}_i(t-2S^{\′}/C)g\left(t\right)\mathrm{dt},$

其中，S表示前一帧的距离，S′表示后一帧的距离，C表示光速，t表示时间，x_i(t-2S/C)表示波长λ_i的光脉冲波形，g(t)表示电子快门的波形，i为自然数。

将两帧图像相同波长λ_i的光强相减，获得的差分图像每个点的光强大小只与ΔS＝S-S′有关，由此可以获得差分图像与距离差ΔS之间的确定关系；而距离差ΔS由延时τ和光速C给出：ΔS＝τ*C/2。

结合 $I_i\left(S\right)={\∫}_0^T{x}_i(t-2S/C)g\left(t\right)\mathrm{dt},$ $I_i\left(S^{\′}\right)={\∫}_0^T{x}_i(t-2S^{\′}/C)g\left(t\right)\mathrm{dt}$ 和ΔS＝S-S′能够得到S和S′，从而得到两帧图像中每一点的距离信息。

这种差分图像可以减除背景光和物体不同反射率引起的成像误差，提高距离测量的精度。

图4给出利用面阵CCD或CMOS时域卷积成像信号实现差分成像距离探测的原理示意图。改变电子快门4的延迟时间τ，使相邻两帧图像S和S′的选通门的延迟时间之差与光源的单波长脉宽相同，这样图中所示的距离区间ΔS在获得的两帧图像S和S′某个颜色通道中存在不同的强度和距离的对应关系。通过两帧图像各个颜色通道的差分处理可解调出目标物体的距离分布信息，并可消除背景光和物体灰度信息对测距的影响，提高距离测量的精度和速度。

本发明基于飞行光谱的三维成像方法3（归一化差分成像法），包括以下步骤：

1、多波长光源1产生的不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时，先在图像传感器3中采集没有脉冲反射的光波，再同时采集两个由两个脉冲分别在不同位置物体反射回来的光波，即获取前后三帧图像；第一帧图像为没有飞行光谱光脉冲照射的背景图像，第二帧与第三帧图像在电子快门4的同步时间内存在一个或者几个光脉冲宽度的延时τ。

2、第二和第三帧图像分别与第一帧图像进行差分，减除背景光的影响；

3、然后将差分后的第三帧图像作为参考值，对差分后的第二帧图像进行归一化：

其中，

表示差分后第二帧图像(X,Y)位置波长λ_i的光强，

表示差分后第三帧图像(X,Y)位置波长λ_i的光强。归一化的结果

反应了被测物体每点的距离信息，即可得到距离信息成像图。

这种归一化的差分光强图不仅消除了背景光的干扰，而且消除了物体对不同波长反射率差异引起的成像误差，进一步提高距离测量的精度。

Claims (3)

1.一种基于飞行光谱的三维成像方法，该方法在基于飞行光谱的三维成像雷达系统上实现，所述系统包括：多波长光源（1）、光带通滤波器（2）、图像传感器（3）、电子快门（4）、数据处理器（5）和显示终端（6）；其中，所述光带通滤波器（2）和电子快门（4）均固定在图像传感器（3）上，多波长光源（1）和图像传感器（3）均与数据处理器（5）相连，数据处理器（5）和显示终端（6）相连；所述多波长光源（1）依次产生由不同波长组成的光脉冲串，这些光脉冲串形成一个飞行光谱照射在物体上，物体会依次将多波长光反射回来；反射回来的多波长光经过光带通滤波器（2）被图像传感器（3）的不同像素感光，每个波长都在图像传感器（3）上形成一幅图像；图像传感器（3）在电子快门（4）的作用下在曝光时间内成像，在曝光时间内不同位置物体的反射光其波长成分是不同的，通过数据处理器（5）对不同波长图像的分析就能获得物体的具体位置，最后通过显示终端（6）将结果显示出来；其特征在于，包括以下步骤：

（1）多波长光源产生的不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时；

（2）电子快门控制的曝光时间内，不同位置物体反射回来的光波在图像传感器传感单元积分效应下会形成的不同波长叠加的效果，其光强满足积分公式：

$I\left(S\right)=\underset{{\mathrm{\λ}}_i}{\mathrm{\Σ}}{\∫}_0^T{x}_i(t-2S/C)g\left(t\right)\mathrm{dt};$

其中，S表示距离，C表示光速，t表示时间，x_i(t-2S/C)表示波长λ_i的光脉冲波形，g(t)表示电子快门的波形，i为自然数；

（3）如果光波在可见光波段，会在图像传感器（3）形成的图像上直接叠加表示不同距离的彩色效果。

2.一种基于飞行光谱的三维成像方法，该方法在基于飞行光谱的三维成像雷达系统上实现，所述系统包括：多波长光源（1）、光带通滤波器（2）、图像传感器（3）、电子快门（4）、数据处理器（5）和显示终端（6）；其中，所述光带通滤波器（2）和电子快门（4）均固定在图像传感器（3）上，多波长光源（1）和图像传感器（3）均与数据处理器（5）相连，数据处理器（5）和显示终端（6）相连；所述多波长光源（1）依次产生由不同波长组成的光脉冲串，这些光脉冲串形成一个飞行光谱照射在物体上，物体会依次将多波长光反射回来；反射回来的多波长光经过光带通滤波器（2）被图像传感器（3）的不同像素感光，每个波长都在图像传感器（3）上形成一幅图像；图像传感器（3）在电子快门（4）的作用下在曝光时间内成像，在曝光时间内不同位置物体的反射光其波长成分是不同的，通过数据处理器（5）对不同波长图像的分析就能获得物体的具体位置，最后通过显示终端（6）将结果显示出来；其特征在于，包括以下步骤：

（1）多波长光源产生不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时，电子快门控制的曝光时间内，在图像传感器中同时采集两个由两个脉冲分别在不同位置物体反射回来的光波，即获取前后两帧图像；

（2）波长λ_i在两帧图像中产生的光强随距离的变化分别满足：

$I_i\left(S\right)={\∫}_0^T{x}_i(t-2S/C)g\left(t\right)\mathrm{dt};$

$I_i\left(S^{\′}\right)={\∫}_0^T{x}_i(t-2S^{\′}/C)g\left(t\right)\mathrm{dt};$

其中，S表示前一帧的距离，S′表示后一帧的距离，C表示光速，t表示时间，x_i(t-2S/C)表示波长λ_i的光脉冲波形，g(t)表示电子快门的波形，i为自然数；

将两帧图像相同波长λ_i的光强相减，获得的差分图像每个点的光强大小只与ΔS=S-S′有关，由此可以获得差分图像与距离差ΔS之间的确定关系；而距离差ΔS由延时τ和光速C给出：ΔS=τ*C/2；

结合 $I_i\left(S\right)={\∫}_0^T{x}_i(t-2S/C)g\left(t\right)\mathrm{dt}$ 、 $I_i\left(S^{\′}\right)={\∫}_0^T{x}_i(t-2S^{\′}/C)g\left(t\right)\mathrm{dt}$ 和ΔS=S-S′能够得到S和S′，从而得到两帧图像中每一点的距离信息。

3.一种基于飞行光谱的三维成像方法，该方法在基于飞行光谱的三维成像雷达系统上实现，所述系统包括：多波长光源（1）、光带通滤波器（2）、图像传感器（3）、电子快门（4）、数据处理器（5）和显示终端（6）；其中，所述光带通滤波器（2）和电子快门（4）均固定在图像传感器（3）上，多波长光源（1）和图像传感器（3）均与数据处理器（5）相连，数据处理器（5）和显示终端（6）相连；所述多波长光源（1）依次产生由不同波长组成的光脉冲串，这些光脉冲串形成一个飞行光谱照射在物体上，物体会依次将多波长光反射回来；反射回来的多波长光经过光带通滤波器（2）被图像传感器（3）的不同像素感光，每个波长都在图像传感器（3）上形成一幅图像；图像传感器（3）在电子快门（4）的作用下在曝光时间内成像，在曝光时间内不同位置物体的反射光其波长成分是不同的，通过数据处理器（5）对不同波长图像的分析就能获得物体的具体位置，最后通过显示终端（6）将结果显示出来；其特征在于，包括以下步骤：

（1）多波长光源产生的不同波长光脉冲，光脉冲之间引入一个光脉冲宽度或者多个光脉冲宽度的延时，先在图像传感器中采集没有脉冲反射的光波，再同时采集两个由两个脉冲分别在不同位置物体反射回来的光波，即获取前后三帧图像；第一帧图像为没有飞行光谱光脉冲照射的背景图像，第二帧与第三帧图像在电子快门的同步时间内存在一个或者几个光脉冲宽度的延时τ；

（2）第二帧图像和第三帧图像分别与第一帧图像进行差分，减除背景光的影响；

（3）然后将差分后的第三帧图像作为参考值，对差分后的第二帧图像进行归一化：

其中，

表示差分后第二帧图像(X,Y)位置波长λ_i的光强，

表示差分后第三帧图像(X,Y)位置波长λ_i的光强；归一化的结果

反应了被测物体每点的距离信息，即可得到距离信息成像图。

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