CN103561208A

CN103561208A - 一种基于同步触发led和相机的主动成像方法与系统

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Publication number: CN103561208A
Application number: CN201310474458.6A
Authority: CN
Inventors: 严惠民; 张秀达; 吴雨霖; 尹煜; 崔永胜
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-10-12
Filing date: 2013-10-12
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明公开了一种基于同步触发LED和相机的主动成像方法与系统。数字处理器发出第一路控制信号控制发光二极管发出光脉冲，光脉冲经目标物体反射后再经过成像镜头被外触发相机接收，重复上述步骤2次到1亿次后将目标物体的图像输出。数字处理器第一路输出与发光二极管相连，数字处理器第二路输出与外触发相机相连，发光二极管的光脉冲信号经目标物体反射后再经成像镜头后被外触发相机接收。本发明采用了成本低廉的发光二极管和外触发相机，总体成本低廉；而且采用选通方式能有效消除后向散射光和杂散光的影响，降低雾、霾、雨、雪、烟和杂散光等各种恶劣天气和工作环境对主动成像的干扰；总之本发明具有成本低廉、适应性强的优点。

Description

一种基于同步触发LED和相机的主动成像方法与系统

技术领域

本发明涉及一种主动成像方法与系统，尤其是涉及一种基于同步触发LED和相机的主动成像方法与系统。

背景技术

目前的相机监控技术已经广泛应用于金融、交通和安全等领域。但是在雾、霾、雨、雪等天气条件下，或者在有烟、火等恶劣环境的干扰条件下，目前的普通相机监控不能有效进行监控。雾、霾、雨、雪、烟对主动成像的干扰主要是后向散射形式，火或车灯对探测照成的干扰形式为杂散光形式。主动门选通成像技术可以有效克服后向散射和杂散光对探测造成的干扰。主动门选通技术的特点是采用脉冲光的瞬间大功率抑制杂散光，利用探测器和光源的延迟同步曝光来抑制后向散射光。传统的主动成像系统需要增强CCD(Intensified CCD)相机和脉冲激光器及同步脉冲源，由于增强CCD和激光器的价格都非常昂贵，因此目前缺乏廉价而可靠的监控方式。

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基于同步触发LED和相机的主动成像方法与系统，能够达到廉价可靠的主动监控目的。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种基于同步触发LED和相机的主动成像方法：

1）数字处理器发出第一路控制信号控制发光二极管发出光脉冲；

2）光脉冲经目标物体反射后再经过成像镜头被外触发相机接收；

3）重复上述步骤1）～2）使得外触发相机接收光脉冲2次到1亿次后，将目标物体的图像输出。

所述的步骤2）中的外触发相机接收光脉冲的过程由数字处理器发出第二路控制信号进行控制。

二、一种基于同步触发LED和相机的主动成像系统：

包括数字处理器、发光二极管、成像镜头和外触发相机，其特征在于：数字处理器第一路输出与发光二极管相连，数字处理器第二路输出与外触发相机相连，发光二极管的光脉冲信号经目标物体反射后再经成像镜头后被外触发相机接收。

所述的数字处理器为FPGA芯片、DSP或者嵌入式处理器。

所述的发光二极管发出光脉冲的光波长范围为300nm～1100nm，发出光脉冲的宽度范围为10皮秒～10微秒。

所述的成像镜头为透射式镜头、反射式镜头或折反式镜头。

所述的外触发相机为CCD相机或CMOS相机，具有外部触发快门且最快响应时间在20皮秒～20微秒之间。

本发明具有的有益效果是：

本发明由于采用了成本低廉的发光二级管和外触发相机，因此总体成本低廉。而且采用选通方式而有效消除后向散射光和杂散光的影响，能够有效降低雾、霾、雨、雪、烟和杂散光等各种恶劣天气和工作环境对主动成像的干扰；本发明具有成本低廉、适应性强的优点。

附图说明

图1是本发明的原理结构框图。

图2是本发明的探测时序原理图。

图中：1、数字处理器，2、发光二极管，3、成像镜头，4、外触发相机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明系统包括数字处理器1、发光二极管2、成像镜头3和外触发相机4；数字处理器1第一路输出与发光二极管2相连，数字处理器1第二路输出与外触发相机4相连，发光二极管2的光脉冲信号经目标物体反射后再经成像镜头3后被外触发相机4接收。

所述的数字处理器1为FPGA芯片、DSP或者嵌入式处理器。

所述的发光二极管2发出光脉冲的光波长范围为300nm～1100nm，发出光脉冲的宽度范围为10皮秒～10微秒。

所述的成像镜头3为透射式镜头、反射式镜头或折反式镜头。

所述的外触发相机4为CCD相机或CMOS相机，具有外部触发快门且最快响应时间在20皮秒～20微秒之间。

所述的数字处理器1为FPGA（Field-programmable gate array 可现场编程阵列）芯片、DSP(Digital Signal Processor 数字信号处理器)或者嵌入式处理器。

嵌入式处理器采用ARMS3C6410、TMS320EM64×等型号的常用嵌入式处理器。

数字处理器1采用Altera公司的Cyclone系列FPGA，利用FPGA内部的计数器实现同步脉冲信号的发出，控制外触发相机和发光二极管驱动器工作。发光二极管2采用鼎公司的TK0H40IRP系列大功率LED及其驱动器，LED驱动器可以是TORLABS公司的DC2100LED驱动器。外触发相机4采用Imaging Source公司的DMK系列相机。成像镜头3采用AFTvision公司的VS系列光学变焦镜头。

本发明的工作原理如下：

由于光的具有一定的传播速度，光由发光二极管发出后经过目标物体反射后回到相机的时间t_S如公式1所示：

(1)

其中S为目标物体到外触发相机的距离，C为光速。

数字处理器发出两路控制信号，其中一路控制信号控制发光二极管发出光脉冲，光脉冲被目标物体反射后经过成像镜头，由外触发相机接收，该外触发相机被数字处理器输出的另外一路控制信号所控制在规定的时间内响应光脉冲，外触发相机在接收了多次光脉冲后将图像信号输出。

外触发相机仅对在发光二极管发光后t_S附近时刻的光进行响应。由于后向散射光发生的区域在系统和目标物体之间，后向散射光到达外触发相机的时刻小于t_S，因此可以有效降低后向散射光的影响。由于外触发相机仅对在发光二极管发光后t_S附近时刻的光进行响应，杂散光一般是均匀分布在任意时刻或则随机出现在某些时刻，因此不易被外触发相机所响应，从而达到有效降低杂散光的效果。

下面结合图2探测时序原理图对本发明具体工作过程做进一步阐述：

（1）数字处理器发出第一路控制信号控制LED发出窄的光脉冲，此时数字处理器不发出第二路控制信号控制外触发相机，即外触发相机不工作。

（2）光脉冲处于往返途中时，在雾、霾、雨、雪、烟等恶劣天气状态下，会受到吸收、散射、后向散射和和背景辐射等影响，尤其是强烈的后向散射光往往将有用的信号淹没，使接收器饱和而无法接收有用的光信号，这时外触发相机是不响应光脉冲的，这样就挡住了大气中悬浮微粒引起的后向散射光。

（3）当目标反射的光脉冲到达外触发相机时，数字处理器发出控制信号控制外触发相机工作，让从目标反射回来的光脉冲信号进入外触发相机。外触发相机开启时间根据实际天气情况确定，在晴朗条件下开启时间大于脉冲时间，在雾霾雨雪恶劣天气下则应该等于或小于光脉冲宽度。

（4）接收到从目标反射回来的LED脉冲信号后，数字处理器停止发出第二路控制信号，即外触发相机不工作，使背景辐射等其他的干扰光不能进入接收器。

（5）重复（1）至（4）的发射、接收过程n次，外触发相机接受到n次图像后输出一幅图像。

本发明方法包括如下步骤：

3）重复上述步骤1）～2）使得外触发相机接收光脉冲2次到1亿次后，在外触发相机上将目标物体的图像输出。

数字处理器采用Altera公司的Cyclone系列FPGA，利用FPGA内部的计数器实现同步脉冲信号的发出，控制外触发相机和发光二极管驱动器工作。发光二极管采用鼎公司的TK0H40IRP系列大功率LED及其驱动器，LED驱动器可以是TORLABS公司的DC2100LED驱动器。外触发相机采用Imaging Source公司的DMK系列相机。成像镜头采用AFTvision公司的VS系列光学变焦镜头。

下面举例该同步相机探测在45米至150米的树木的具体工作过程：

1)FPGA发出1个TTL触发信号给发光二极管，发光二极管发出一个100ns宽，能量为100uJ的光脉冲照明树木；FPGA在次触发信号发出后经过200ns后发出一个宽度为500ns的TTL触发信号给DMK系列相机的CCD感光积分信号输入端。

2）光经过树木反射后被VS系列光学变焦镜头收集到DMK系列相机的感光面上，由于相机收到FPGA发出感光积分信号控制，仅能够对45米到150米树木返回的光信号响应，其他距离树木返回的光信号不被相机响应。

3)由于一次积分返回的能量不足，FPGA重复以上过程1000次，此时CCD收集到足够的光信号。然后FPGA发出一个宽度为10μs的TTL信号给DMK系列相机的读出信号输入端，这样CCD就将图像信号输出。

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

1.一种基于同步触发LED和相机的主动成像方法，其特征包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于同步触发LED和相机的主动成像方法，其特征在于：所述的步骤2）中的外触发相机接收光脉冲的过程由数字处理器发出第二路控制信号进行控制。

3.用于实施权利要求1所述方法的一种基于同步触发LED和相机的主动成像系统，包括数字处理器（1）、发光二极管（2）、成像镜头（3）和外触发相机（4），其特征在于：数字处理器（1）第一路输出与发光二极管（2）相连，数字处理器（1）第二路输出与外触发相机（4）相连，发光二极管（2）的光脉冲信号经目标物体反射后再经成像镜头（3）后被外触发相机（4）接收。

4.根据权利要求3所述的一种基于同步触发LED和相机的主动成像系统，其特征在于：所述的数字处理器（1）为FPGA芯片、DSP或者嵌入式处理器。

5.根据权利要求3所述的一种基于同步触发LED和相机的主动成像系统，其特征在于：所述的发光二极管（2）发出光脉冲的光波长范围为300nm～1100nm，发出光脉冲的宽度范围为10皮秒～10微秒。

6.根据权利要求3所述的一种基于同步触发LED和相机的主动成像系统，其特征在于：所述的成像镜头（3）为透射式镜头、反射式镜头或折反式镜头。

7.根据权利要求3所述的一种基于同步触发LED和相机的主动成像系统，其特征在于：所述的外触发相机（4）为CCD相机或CMOS相机，具有外部触发快门且最快响应时间在20皮秒～20微秒之间。