CN103558604B - 飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像方法与系统。激光器发出的激光经过空间光调制器，再经漫反射体表面反射到待测物体上，待测物体的反射光经漫反射体表面再反射后由数字处理器控制的探测器在不同的光子飞行时间下接收，根据图像的等高线图的椭圆分布情况，还原出被障碍物遮挡的待测物体。数字处理器与空间光调制器、激光器、探测器连接，激光器与空间光调制器连接，三维激光雷达系统与待测物体之间设有障碍物，激光器经空间光调制器调制的输出光经漫反射体照射到待测物体上，其反射光经漫反射体被探测器接收。本发明可以探测到在传统光学系统成像系统不能探测到的非直视物体，扩展三维激光雷达的成像范围。

Description

飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像方法与系统

技术领域

本发明涉及一种漫反射表面反射成像方法与系统，尤其是涉及一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像方法与系统。

背景技术

激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物，由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成，它能精确测量目标位置(距离和角度)、运动状态(速度、振动和姿态)和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。1967年，美国国际电话和电报公司研制的星载激光雷达用于航天飞行旗的交会对接，开启了激光雷达应用的先河。经过几十年的发展，激光雷达由简单到复杂、由低级到高级的发展过程，种类不断增加，功能不断完善，应用领域越来越广泛：在军事方面，主要有水雷探测激光雷达、化学试剂探测激光雷达、大气监测激光雷达、生化陆战激光雷达等；在测风方面，多普勒测风激光雷达利用光的多普勒效应，测量激光光束在大气中传输及其回波信号的多普勒频移来反演空间风速分布，具有高分辨率、高精度、大探测范围、提供晴空条件下三维风场信息的能力；除此之外，由于激光雷达测距精度高，可详细反映三维形态，实现非接触测量等优点，也广泛应用于气象、水土保持等方面。

漫反射多被用于生物组织的无损测量，利用漫反射研究生物组织的特性已经取得了长足的发展。生物组织是一种复杂的漫散射介质，当激光照射到生物组织表面时，一部分光能够到达组织内部的一定深度，其中部分被吸收，部分被散射回到组织表面，这部分光称为漫反射光。这样，漫反射光就携带有生物组织的“信息”，通过分析漫反射光谱，可以探测到生物组织的成分。

近年来，随着光电子和光信息处理技术的发展，空间光调制器得到了广泛的应用。空间光调制器(SLM)是一种能将信息加载于一个一维或二维光学数据场上，以有效地利用光的固有传播速度、互联能力和并行性的器件。此类器件可以在随时间变化的光驱动信号或者电驱动信号等的控制下，影响空间上光分布的位相、振幅、波长以及偏振态等信息，或者是改变入射光的相干性。利用它的这些性质，可将其作为实时光学信息处理和光计算等系统中的关键器件。

一般的主动成像系统，只能探测到直接被探测光照射的物体，如果目标物体被障碍物遮挡，成像系统则难以探测到目标物体的存在，因此传统的三维激 光雷达不能探测被障碍物遮挡的物体，在许多应用场合中限制了三维激光雷达的工作范围。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像方法与系统，用于探测到光学系统成像范围之外的隐藏物体，扩展三维激光雷达的成像范围。

本发明采用的技术方案包括：

一、时间原理的调制型漫反射表面反射成像方法

1)激光器发出的激光经过未加载相位的空间光调制器，再经过漫反射体表面反射到待测物体上，待测物体的反射光经过漫反射体表面再次反射后由数字处理器控制探测器接收，获得未加载相位的三维图像；

2)激光器发出的激光经过加载相位的空间光调制器调制，再经过漫反射体表面反射到待测物体上，待测物体的反射光经过漫反射体表面再次反射后由数字处理器控制探测器接收，获得加载相位的三维图像；

3)将步骤2)得到的加载相位的三维图像与步骤1)得到的未加载相位的三维图像相减，拟合出等高线图的椭圆分布情况；

4)重复步骤2)～步骤3)，使得探测器接收2～10⁶次不同光子飞行时间下的加载相位的三维图像后分别拟合等高线图的椭圆分布情况，得出各个方向光束最集中的空间光调制器相位分布；

5)根据步骤4)得到的空间光调制器相位分布用激光器依次从各个方向扫描待测物体，并用探测器记录各个方向下的最终三维图像；

6)由步骤5)得到各个方向的最终三维图像利用光飞行时间方程反演出待测物体的成像。

所述的光飞行时间方程为如下公式：

t＝2s/c

其中，s为从激光器发出的激光经空间光调制器和漫反射体到待测物体的光路距离，c为光速，t为飞行时间。

所述的步骤4)中的2～10⁶次不同光子飞行时间下的加载相位的三维图像按照顺序相位等值相加。

所述的漫反射体为墙壁、人造塑料板、沙土堆、岩石、地面、山体、云层或植被，所述的数字处理器为个人计算机、DSP或者嵌入式处理器。

二、时间原理的调制型漫反射表面反射成像系统

本发明系统包括空间光调制器、数字处理器、漫反射体和三维激光雷达系统，三维激光雷达系统包括激光器和探测器，数字处理器分别与空间光调制器、激光器、探测器连接，三维激光雷达系统中的激光器与空间光调制器连接，三维激光雷达系统与待测物体之间设有障碍物，激光器经空间光调制器调制后的输出光经漫反射体照射到待测物体上，待测物体的反射光经漫反射体被探测器接收。

所述的三维激光雷达系统中的激光器为能发出脉冲光的激光器，所述的探测器为能探测1～10³光子/像素的探测器。

所述的数字处理器为个人计算机、DSP或者嵌入式处理器。

所述空间光调制器由数字处理器控制对激光器发出的激光附加相位。

所述的障碍物为不透光物体。

所述的漫反射体为墙壁、人造塑料板、沙土堆、岩石、地面、山体、云层或植被。

本发明具有的有益效果是：

本发明可以在许多应用场合，能够有效探测到被障碍物遮挡的目标物体，可以探测到光学系统成像范围之外的物体，扩展三维激光雷达的成像范围。

附图说明

图1是本发明系统的位置结构框图。

图中：1、激光器，2、空间光调制器，3、探测器，4、数字处理器，5、障碍物，6、待测物体，7、漫反射体，8、三维激光雷达系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的方法和系统作进一步说明。

如图1所示，本发明系统包括空间光调制器2、数字处理器4、漫反射体7和三维激光雷达系统8，三维激光雷达系统8包括激光器1和探测器3，激光器1和探测器3分别是三维激光雷达系统8的光源和接收器；数字处理器4分别与空间光调制器2、激光器1、探测器3连接，三维激光雷达系统8中的激光器1与空间光调制器2连接，三维激光雷达系统8与待测物体6之间设有障碍物5，空间光调制器2的输出光经漫反射体7照射到待测物体6上，待测物体6的反射光经漫反射体7被探测器3接收。

所述的三维激光雷达系统8中的激光器1为能发出脉冲光的激光器，所述的探测器3为能探测1～10³光子/像素的探测器，探测器3能探测到微弱信号。

所述的数字处理器4为个人计算机、DSP或者嵌入式处理器。嵌入式处理器采用常用的ARMS3C6410或TMS320EM64×型号。

所述空间光调制器2由数字处理器4控制对激光器1发出的激光附加相位。

所述的障碍物5为不透光物体。

所述的漫反射体7为墙壁、人造塑料板、沙土堆、岩石、地面、山体、云层或植被。

所述的三维激光雷达系统8即为在已公开专利《无扫描器脉冲调制式三维成像方法及系统》(公开号CN1700038)所描述的无扫描器脉冲调制式三维成像系统或者《一种光放大型三维成像方法及系统》(CN 101788667A)中所描述的光放大型三维成像系统。激光器1和探测器3分别为三维激光雷达系统8的光源和接收器。

所述的激光器1采用美国Melis Griot公司的BLT-532-0501005激光器，所述的空间光调制器2采用Holoeye LC-R3000 SLM，所述的探测器3采用Princeton Instruments的PI MAX增强CCD相机。

空间光调制器2为Space Light Modulator，简称SLM，是一种对光波的空间分布进行调制的器件。SLM可以在控制信号的控制下，对光波的某些特性，如相位、振幅、频率、偏振态等特性的一维或二维分布进行空间和时间的变换和调制，从而将信号源信号所载的信息写入入射光波之中。SLM分为声光空间光调制器、磁光空间光调制器、电光空间光调制器和液晶空间光调制器。在本发明中，所用的SLM只对光波的相位进行调制的液晶空间光调制器(LCSLM)，以下对LCSLM调制光波相位的原理做详细说明。

对于单轴液晶分子，当光波经过液晶分子传播时，设沿着液晶分子长轴方向具有非寻常折射率n_e，垂直分子长轴方向具有寻常折射率n_o。假设在未加电场情况下，液晶分子(长轴方向)都平行于基板x轴方向，沿着垂直于基板的z轴方向入射的线偏振光具有n_o折射率。当在z轴方向加入外电场，靠近基板的液晶分子由于基板强锚定作用而不能偏转，而处于基板中间的液晶分子沿着电场方向偏转。这时，液晶分子的有效折射率n_eff取决于液晶分子长轴和x轴夹角θ，如下公式1所示：

$n_{\mathrm{eff}}=\frac{n_o{n}_e}{\sqrt{n_o^2{\cos }^2\mathrm{\θ}+n_e^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}}---\left(1\right)$

当波长为λ的先偏振光通过厚度为d的液晶层后，产生的相位差可以表示为如下公式2所示：

因此，当调节不同的电压，使液晶分子按照特定要求排列，就可以形成期望的等效相位面，实现对光波面的控制。

本发明具体实施过程如下：

激光器1发射激光，经空间光调制器2调制后形成附加相位的光，该相位分布存储在数字处理器4中。经过空间光调制器2调制的光照射在漫反射体7上进行漫反射，漫反射光照射在待测物体6上，被待测物体6反射回漫反射体7再进行漫反射，最后被探测器3接收。由于在漫反射体7与待测物体6之间存在多种反射路径，光子到达探测器3的时间不同。通过数字处理器4控制探测器3在不同的选通时间下成像，并用数字处理器4存储与处理获得的多幅图像，从而还原出被障碍物5遮挡的待测物体6。

本发明方法包括以下步骤：

1)激光器发出的激光经过未加载相位的空间光调制器，再经过漫反射体表面反射到待测物体上，待测物体的反射光经过漫反射体表面再次反射后由数字处理器控制探测器接收，获得未加载相位的三维图像；

2)激光器发出的激光经过加载相位的空间光调制器调制，再经过漫反射体表面反射到待测物体上，待测物体的反射光经过漫反射体表面再次反射后由数字处理器控制探测器接收，获得加载相位的三维图像；

3)将步骤2)得到的加载相位的三维图像与步骤1)得到的未加载相位的三维图像相减，拟合出等高线椭圆分布情况；

4)重复步骤2)～步骤3)使得探测器在不同的光子飞行时间下接收2～1000000幅加载相位的三维图像，得出各个方向光束最集中的空间光调制器相位分布；

5)根据步骤4)得到的空间光调制器相位分布用激光器依次从各个方向扫描待测物体，并用探测器记录各个方向下的最终三维图像；

6)由步骤5)得到各个方向的最终三维图像利用光飞行时间方程反演出待测物体的成像，光的飞行时间方程为如下公式3：

t＝2s/c       (3)

其中，s为从激光器发出的激光经空间光调制器和漫反射体到待测物体的光路距离，c为光速，t为飞行时间。

所述的步骤4)中的2～10⁶次不同光子飞行时间下的加载相位的三维图像按照顺序相位等值相加。

所述的漫反射体为墙壁、人造塑料板、沙土堆、岩石、地面、山体、云层或植被。所述的数字处理器为个人计算机、DSP或者嵌入式处理器。

本发明的具体实施例如下：

以一个三维激光雷达系统距离漫反射体15米，待测物体离漫反射体3米为成像实施环境。激光器采用美国Melis Griot公司的BLT-532-0501005激光器，空间光调制器采用Holoeye LC-R3000 SLM，探测器采用Princeton Instruments的PI MAX增强CCD相机，数字处理器采用个人计算机，障碍物是墙壁，漫反射体是墙壁。待测物体是被墙壁遮挡住的树木。

1)BLT-532-0501005激光器发出光脉冲经过未加载相位调制的空间光调制器Holoeye LC-R3000 SLM经过墙壁反射后照亮树木，并经过墙壁后被PI MAX增强CCD相机接收，获得未加载相位的三维图像0。

2)BLT-532-0501005激光器发出光脉冲经过加载相位调制类型的空间光调制器Holoeye LC-R3000 SLM经过墙壁反射后照亮树木，并经过墙壁后被PI MAX增强CCD相机接收，获得加载相位的三维图像i；

3)将加载相位的三维图像i与未加载相位的三维图像0相减，拟合出等高线图的椭圆分布情况；

4)重复2)和3)两个步骤10⁴次，分别将加载相位的三维图像i与未加载相位的三维图像0相减，拟合出等高线图的椭圆分布情况；从所有等高线图的椭圆分布情况，得出各个方向光束最集中的空间光调制器Holoeye LC-R3000SLM的相位分布；

在步骤2)至4)中，Holoeye LC-R3000 SLM加载的10⁴次相位分布按照顺序相位等值相加的方式进行。即Holoeye LC-R3000 SLM有1920×1080个像素，将1920行中连续38个像素为一组，共50组，剩余20个像素不用；将1080行连续21个像素为一组，共50组，剩余30个像素不用。这样，Holoeye LC-R3000SLM被划分为50×50的像素块，每个像素块的相位依次从0增加π/2，加到2π后再加下一个像素块，以此类推，直至加完Holoeye LC-R3000 SLM每一个像素块为止。

5)根据步骤4)得到的空间光调制器Holoeye LC-R3000 SLM的相位分布用激光器依次从各个方向扫描树木，并用PI MAX增强CCD相机记录下各个向的最终三维图像；

6)通过各个方向的最终三维图像利用光飞行时间方程(公式3)反演出树木的形态，完成成像过程。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）激光器发出的激光经过未加载相位的空间光调制器，再经过漫反射体表面反射到待测物体上，待测物体的反射光经过漫反射体表面再次反射后由数字处理器控制探测器接收，获得未加载相位的三维图像；

2）激光器发出的激光经过加载相位的空间光调制器调制，再经过漫反射体表面反射到待测物体上，待测物体的反射光经过漫反射体表面再次反射后由数字处理器控制探测器接收，获得加载相位的三维图像；

3）将步骤2）得到的加载相位的三维图像与步骤1）得到的未加载相位的三维图像相减，拟合出等高线图的椭圆分布情况；

4）重复步骤2）～步骤3），使得探测器接收2～10⁶次不同光子飞行时间下的加载相位的三维图像后分别拟合等高线图的椭圆分布情况，得出各个方向光束最集中的空间光调制器相位分布；

5）根据步骤4）得到的空间光调制器相位分布用激光器依次从各个方向扫描待测物体，并用探测器记录各个方向下的最终三维图像；

6）由步骤5）得到各个方向的最终三维图像利用光飞行时间方程反演出待测物体的成像。

2.根据权利要求1所述的一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像方法，其特征在于：所述的光飞行时间方程为如下公式：

t=2s/c

其中，s为从激光器发出的激光经空间光调制器和漫反射体到待测物体的光路距离，c为光速，t为飞行时间。

3.根据权利要求1所述的一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像方法，其特征在于：所述的步骤4）中的2～10⁶次不同光子飞行时间下的加载相位的三维图像按照顺序相位等值相加。

4.根据权利要求1所述的一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像方法，其特征在于：所述的漫反射体为墙壁、人造塑料板、沙土堆、岩石、地面、山体、云层或植被，所述的数字处理器为个人计算机、DSP或者嵌入式处理器。

5.用于实施权利要求1所述方法的一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像系统，包括空间光调制器（2）、数字处理器（4）、漫反射体（7）和三维激光雷达系统（8），其特征在于：三维激光雷达系统（8）包括激光器（1）和探测器（3），数字处理器（4）分别与空间光调制器（2）、激光器（1）、探测器（3）连接，三维激光雷达系统（8）中的激光器（1）与空间光调制器（2）连接，三维激光雷达系统（8）与待测物体（6）之间设有障碍物（5），激光器（1）经空间光调制器（2）调制后的输出光经漫反射体（7）照射到待测物体（6）上，待测物体（6）的反射光经漫反射体（7）被探测器（3）接收。

6.根据权利要求5所述的一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像系统，其特征在于：所述的三维激光雷达系统（8）中的激光器（1）为能发出脉冲光的激光器，所述的探测器（3）为能探测1~10³光子/像素的探测器。

7.根据权利要求5所述的一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像系统，其特征在于：所述的数字处理器（4）为个人计算机、DSP或者嵌入式处理器。

8.根据权利要求5所述的一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像系统，其特征在于：所述空间光调制器（2）由数字处理器（4）控制对激光器（1）发出的激光附加相位。

9.根据权利要求5所述的一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像系统，其特征在于：所述的障碍物（5）为不透光物体。

10.根据权利要求5所述的一种飞行时间原理的调制型漫反射表面反射成像系统，其特征在于：所述的漫反射体（7）为墙壁、人造塑料板、沙土堆、岩石、地面、山体、云层或植被。