CN103645481B - 利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法及装置，涉及激光成像技术领域，解决了现在无法实现全隐藏目标的3D成像，而且获得的3D图像分辨率仍然受场景复杂度的限制的问题，本发明采用激光器发射激光通过一个小孔，利用光的直线传播和多次散射原理通过光探测器获得隐蔽点的信息，方法简单，且对观测面上的点进行逐一观测后即可推测出隐蔽的目标的三维图像。本发明适用于对全隐藏目标进行3D成像。

Description

利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法及装置
技术领域
本发明涉及激光成像技术领域。
背景技术
随着激光技术的发展，激光成像广泛地应用到如飞行器导航、地形勘测、直升机壁障、目标识别等民用和军事领域。近年来利用激光成像技术探测隐藏目标受到越来越多的关注。这类研究主要集中在用激光探测手段重建隐藏于伪装物、植被、等遮蔽物后的半隐藏目标3D像，无法实现全隐藏目标的3D成像。而且现有方法获得的3D图像分辨率仍然受场景复杂度的限制。
发明内容
本发明为了解决现在无法实现全隐藏目标的3D成像，而且获得的3D图像分辨率仍然受场景复杂度的限制的问题，提出了利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图的方法及装置。
本发明所述利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用激光器和光探测器检测遮蔽物上的小孔位置，采用测时电路根据激光器发射光束的时间和光探测器接收到光束的时间，获得激光器所在点L与遮蔽物表面的小孔所在点H的距离RLH，以及激光器所在点L与第一个散射点S之间的距离RLS；
步骤二、根据待测目标区域和小孔位置，在待测目标外侧选取观测平面；
步骤三、以探测器的探测头所在点C为圆心建立三维坐标系，探测器的视场中轴线和Z轴夹角为俯仰角探测器的视场中轴线在XY上的投影与X正半轴的夹角为水平角θ；
步骤四、保持激光器位置不变，改变探测器的位置和方向来选定观测平面上的某一个观测点，探测激光器发射的激光经过三次散射后的激光信号，采用测时电路获得光束从激光器发射到光探测器经过的总光程Rtotal；
步骤五、改变激光器的发射激光的方向到观测平面的观测点上，测量测器的探测头所在点C与观测面上反射点W之间的距离RWC；
步骤六、计算获得遮蔽物的小孔所在点H的坐标H(xH,yH,zH)、遮蔽物内部第一个散射点S的坐标S(xS,yS,zS)和观测面上反射点W的坐标W(xW,yW,zW)；
步骤七、根据遮蔽物的小孔所在点H的坐标H(xH,yH,zH)和观测面上反射点W的坐标W(xW,yW,zW)，获得两点之间的距离RHW；
步骤八、利用总光程Rtotal、距离RWC、距离RLS、距离RHW和距离定义式及小孔和观测面反射点确定的直线方程计算获得第二个散射点O的坐标O(xO,yO,zO)；
步骤九、重复步骤四到步骤八，逐一对观测面上的点进行观测，反推出待测装置内所有点的三维信息，获得遮蔽物内部隐藏目标的三维图像。
实现上述利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法的装置，该装置包括：激光器、视场扫描装置、聚焦镜、单点探测器、测时电路、信息处理单元和观测面；
激光器向遮蔽物上的小孔发射激光信号，该激光信号穿过小孔后经两次散射再次经过小孔发射至观测面，经观测面散射后的光束入射至视场扫描装置，视场扫描装置扫描到的回波光束经聚焦镜聚焦后发射至单点探测器的探测头上，激光器的激光发射时间信号输出端连接测时电路的激光发射时的时间信号输入端，单点探测器探测的信号输出端连接测时电路的回波信号输入端，测时电路的时间信号输出端连接信息处理单元的时间信号输入端，视场扫描装置的成像点角度信号输出端连接信息处理单元的成像点角度信号输入端；视场扫描装置用于扫描成像点反射回的信号，观测面7用于反射由小孔发射出的光束。
另一种实现上述利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法的装置，该装置包括一号聚焦镜、阵列探测器、阵列测时电路、一号信息处理单元、一号激光器和一号观测面；
一号激光器向待测装置上的小孔发射激光信号，通过小孔后激光信号经两次散射后再次经过小孔发射至一号观测面，经一号观测面散射后的光束经一号聚焦镜聚焦后发射至阵列探测器的探测头上，阵列探测器探测的多点光束信号输出端连接阵列测时电路的回波信号输入端，阵列测时电路的时间信号输出端连接一号信息处理单元的时间信号输入端，一号激光器的激光发射时间信号输出端连接阵列测时电路的激光发射时间信号输入端。
本发明采用激光器发射激光通过一个小孔，利用光的直线传播和多次散射原理通过光探测器获得隐蔽点的信息，方法简单，且对观测面上的点进行逐一观测后即可推测出隐蔽的目标的三维图像，解决了现有方法无法实现全隐藏目标3D成像的问题，同时突破分辨率受限于场景复杂度的问题，相同场景复杂度下，与现有方法相比分辨率提高了一个量级。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图；
图2为具体实施方式六所述装置的结构示意图；
图3为具体实施方式七所述装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用激光器和光探测器检测遮蔽物上的小孔位置，采用测时电路根据激光器发射光束的时间和光探测器接收到光束的时间，获得激光器所在点L与遮蔽物表面的小孔所在点H的距离RLH，以及激光器所在点L与第一个散射点S之间的距离RLS；
步骤二、根据待测目标区域和小孔位置，在待测目标外侧选取观测平面；
步骤三、以探测器的探测头所在点C为圆心建立三维坐标系，探测器的视场中轴线和Z轴夹角为俯仰角探测器的视场中轴线在XY上的投影与X正半轴的夹角为水平角θ；
步骤四、保持激光器位置不变，改变探测器的位置和方向来选定观测平面上的某一个观测点，探测激光器发射的激光经过三次散射后的激光信号，采用测时电路获得光束从激光器发射到光探测器经过的总光程Rtotal；
步骤五、改变激光器的发射激光的方向到观测平面的观测点上，测量测器的探测头所在点C与观测面上反射点W之间的距离RWC；
步骤六、计算获得遮蔽物的小孔所在点H的坐标H(xH,yH,zH)、遮蔽物内部第一个散射点S的坐标S(xS,yS,zS)和观测面上反射点W的坐标W(xW,yW,zW)；
步骤七、根据遮蔽物的小孔所在点H的坐标H(xH,yH,zH)和观测面上反射点W的坐标W(xW,yW,zW)，获得两点之间的距离RHW；
步骤八、利用总光程Rtotal、距离RWC、距离RLS、距离RHW和距离定义式及小孔和观测面反射点确定的直线方程计算获得第二个散射点O的坐标O(xO,yO,zO)；
步骤九、重复步骤四到步骤八，逐一对观测面上的点进行观测，反推出待测装置内所有点的三维信息，获得遮蔽物内部隐藏目标的三维图像。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法的进一步说明，步骤四所述的从激光器发射到光探测器经过的总光程Rtotal：
Rtotal=RLH+RHS+RSO+ROH+RHW+RWC   (1)
式中，RSO为遮蔽物内部第一个散射点S到第二个散射点O之间的距离；ROH为遮蔽物内部第二个散射点O到遮蔽物的小孔所在点H之间的距离，RHW为遮蔽物的小孔所在点H到观测面上反射点W之间的距离，RHS为遮蔽物的小孔所在点H到第一个散射点S之间的距离。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法的进一步说明，步骤六中所述计算获得遮蔽物的小孔所在点H的坐标H(xH,yH,zH)、遮蔽物内部第一个散射点S的坐标S(xS,yS,zS)和观测面上反射点W的坐标W(xW,yW,zW)的方法为：
采用飞行时间法直接测量激光器所在点L与遮蔽物的小孔所在点H的距离RLH以及俯仰角θL和水平角测量激光器的坐标L(xL,yL,zL)；
采用公式：
获得遮蔽物表的小孔所在点H的坐标；
通过公式：
获得遮蔽物内部第一个散射点S的坐标；
通过公式：
获得观测面上反射点W的坐标。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法的进一步说明，步骤七中所述根据遮蔽物的小孔所在点H的坐标H(xH,yH,zH)和观测面上反射点W的坐标W(xW,yW,zW)，获得两点之间的距离RHW以及两点确定的直线方法：
利用遮蔽物的小孔所在点H的坐标和观测面上反射点W的坐标解析出空间直线HW的函数形式：
x - x H x W - x H = y - y H y W - y H = z - z H z W - z H - - - ( 5 )
其次，根据遮蔽物的小孔所在点H的坐标和观测面上反射点W的坐标求得：
R HW = ( x H - x W ) 2 + ( y H - y W ) 2 + ( z H - z W ) 2 . - - - ( 6 )
具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法的进一步说明，步骤八所述利用距离定义式计算获得遮蔽物内部第二个散射点O的坐标O(xO,yO,zO)的方法为：
根据公式(1)、公式(2)和公式(4)变换获得：
R SO + R OH = R total - R LH - R HS - R WC - ( x H - x W ) 2 + ( y H - y W ) 2 + ( z H - z W ) 2 = R total - R LS - R WC - ( x H - x W ) 2 + ( y H - y W ) 2 + ( z H - z W ) 2 - - - ( 7 )
RSO为遮蔽物内部第一个散射点S到第二个散射点O之间的距离；ROH为遮蔽物内部第二个散射点O到遮蔽物的小孔所在点H之间的距离，RHW遮蔽物的小孔所在点H到观测面上反射点W之间的距离；
根据距离定义式
R SO + R OH = ( x S - x O ) 2 + ( y S - y O ) 2 + ( z S - z O ) 2 + ( x H - x O ) 2 + ( y H - y O ) 2 + ( z H - z O ) 2 - - - ( 8 )
根据公式(7)和公式(8)获得
( x S - x O ) 2 + ( y S - y O ) 2 + ( z S - z O ) 2 + ( x H - x O ) 2 + ( y H - y O ) 2 + ( z H - z O ) 2 = R total - R LS - R WC - ( x H - x W ) 2 + ( y H - y W ) 2 + ( z H - z W ) 2 - - - ( 9 )
根据公式(5)和公式(9)计算出待测三维坐标O(xO,yO,zO)。
本发明的目的是从封闭遮蔽体的外边获取到封闭体内部被遮蔽物的三维信息，前提是在封闭体上必须有一个小的缝隙或小孔。
具体的原理如下，使用脉冲激光器将一束极细的激光穿过小孔入射到待测隐匿目标所在区域。在这个区域，激光被某一散射体散射照亮近乎整个目标区域，目标表面的散射波经小孔照射到封闭遮蔽体外边的墙体上，再次散射，最终入射到探测器上。从激光器到探测器的光路可以被分为六段直线部分，而且整个过程中发生了三次激光散射和两次穿孔而过。第一段是激光束经准直后从激光器所在点L(xL,yL,zL)传播到待测装置表面的小孔所在点H(xH,yH,zH)处，第二段是光束穿过小孔打到待测区域内第一个待测点S(xS,yS,zS)作上，在第三段上，以第一个待测点的激光散射点坐标S(xS,yS,zS)作为一个点光源，从这个散射点传播到被隐藏的目标某一点的坐标O(xO,yO,zO)上，第四段涉及到光在待测的隐藏目标上的散射，从第二个待测点目标点散射的光要重新到达小孔H(xH,yH,zH)，而第五段中，从小孔中穿过的光打在外边观测面上的观察点坐标W(xW,yW,zW)，第六段光从观测面上传输到测时相机位置坐标C(xC,yC,zC)上，并且探测器聚焦在观测面上。六段直线分别为RLH，RHS，RSO，ROH，RHW，RWC。以探测器所在点为坐标原点建立坐标系，计算获得待测点的坐标。
具体实施方式六、结合图2说明本实施方式，本实施方式所述实现具体实施方式一所述的利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法的装置，该装置包括：激光器1、视场扫描装置2、聚焦镜3、单点探测器4、测时电路5、信息处理单元6和观测面7；
激光器1向遮蔽物上的小孔发射激光信号，该激光信号穿过小孔后经两次散射再次经过小孔发射至观测面7，经观测面7散射后的光束入射至视场扫描装置2，视场扫描装置2扫描到的回波光束经聚焦镜3聚焦后发射至单点探测器4的探测头上，激光器1的激光发射时间信号输出端连接测时电路5的激光发射时的时间信号输入端，单点探测器4探测的信号输出端连接测时电路5的回波信号输入端，测时电路5的时间信号输出端连接信息处理单元6的时间信号输入端，视场扫描装置2的成像点角度信号输出端连接信息处理单元6的成像点角度信号输入端；视场扫描装置2用于扫描成像点反射回的信号，观测面7用于反射由小孔发射出的光束。
本实施方式所述的装置用于对隐蔽的目标空间内的点的坐标进行检测，通过激光器发射激光，采用单点探测器对单个反射点反射的光信号进行探测，最终利用信息处理单元6计算获得待测点的坐标信息。
具体实施方式七、结合图3说明本实施方式，本实施方式所述实现具体实施方式一所述的利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法的装置，该装置包括一号聚焦镜8、阵列探测器9、阵列测时电路10、一号信息处理单元11、一号激光器12和一号观测面13；
一号激光器12向待测装置上的小孔发射激光信号，通过小孔后激光信号经两次散射后再次经过小孔发射至一号观测面13，经一号观测面13散射后的光束经一号聚焦镜8聚焦后发射至阵列探测器9的探测头上，阵列探测器9探测的多点光束信号输出端连接阵列测时电路10的回波信号输入端，阵列测时电路10的时间信号输出端连接一号信息处理单元11的时间信号输入端，一号激光器12的激光发射时间信号输出端连接阵列测时电路10的激光发射时间信号输入端。

Claims (7)

1.利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一、采用激光器和光探测器检测遮蔽物上的小孔位置，采用测时电路根据激光器发射光束的时间和光探测器接收到光束的时间，获得激光器所在点L与遮蔽物表面的小孔所在点H的距离RLH，以及激光器所在点L与第一个散射点S之间的距离RLS；
步骤二、根据待测目标区域和小孔位置，在待测目标外侧选取观测平面；
步骤三、以探测器的探测头所在点C为圆心建立三维坐标系，探测器的视场中轴线和Z轴夹角为俯仰角，探测器的视场中轴线在XY上的投影与X正半轴的夹角为水平角θ；
步骤四、保持激光器位置不变，改变探测器的位置和方向来选定观测平面上的某一个观测点，探测激光器发射的激光经过三次散射后的激光信号，采用测时电路获得光束从激光器发射到光探测器经过的总光程Rtotal；
步骤五、改变激光器的发射激光的方向到观测平面的观测点上，测量测器的探测头所在点C与观测面上反射点W之间的距离RWC；
步骤六、计算获得遮蔽物的小孔所在点H的坐标H(xH,yH,zH)、遮蔽物内部第一个散射点S的坐标S(xS,yS,zS)和观测面上反射点W的坐标W(xW,yW,zW)；
步骤七、根据遮蔽物的小孔所在点H的坐标H(xH,yH,zH)和观测面上反射点W的坐标W(xW,yW,zW)，获得两点之间的距离RHW；
步骤八、利用总光程Rtotal、距离RWC、距离RLS、距离RHW和距离定义式及小孔和观测面反射点确定的直线方程计算获得第二个散射点O的坐标O(xO,yO,zO)；
步骤九、重复步骤四到步骤八，逐一对观测面上的点进行观测，反推出待测装置内所有点的三维信息，获得遮蔽物内部隐藏目标的三维图像。
2.根据权利要求1所述的利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法，其特征在于，步骤四所述的从激光器发射到光探测器经过的总光程Rtotal：
Rtotal＝RLH+RHS+RSO+ROH+RHW+RWC  (1)
式中，RSO为遮蔽物内部第一个散射点S到第二个散射点O之间的距离；ROH为遮蔽物内部第二个散射点O到遮蔽物的小孔所在点H之间的距离，RHW为遮蔽物的小孔所在点H到观测面上反射点W之间的距离，RHS为遮蔽物的小孔所在点H到第一个散射点S之间的距离。
3.根据权利要求2所述的利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法，其特征在于，步骤六中所述计算获得遮蔽物的小孔所在点H的坐标H(xH,yH,zH)、遮蔽物内部第一个散射点S的坐标S(xS,yS,zS)和观测面上反射点W的坐标W(xW,yW,zW)的方法为：
采用飞行时间法直接测量激光器所在点L与遮蔽物的小孔所在点H的距离RLH以及俯仰角θL和水平角测量激光器的坐标L(xL,yL,zL)；
采用公式：
获得遮蔽物表的小孔所在点H的坐标；
通过公式：
获得遮蔽物内部第一个散射点S的坐标；
通过公式：
获得观测面上反射点W的坐标。
4.根据权利要求3所述的利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法，其特征在于，步骤七中所述根据遮蔽物的小孔所在点H的坐标H(xH,yH,zH)和观测面上反射点W的坐标W(xW,yW,zW)，获得两点之间的距离RHW以及两点确定的直线方法：
利用遮蔽物的小孔所在点H的坐标和观测面上反射点W的坐标解析出空间直线HW的函数形式：
x - x H x W - x H = y - y H y W - y H = z - z H z W - z H - - - ( 5 )
其次，根据遮蔽物的小孔所在点H的坐标和观测面上反射点W的坐标求得：
R HW = ( x H - x W ) 2 + ( y H - y W ) 2 + ( z H - z W ) 2 . - - - ( 6 )
5.根据权利要求4所述的利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法，其特征在于，步骤八所述利用距离定义式计算获得遮蔽物内部第二个散射点O的坐标O(xO,yO,zO)的方法为：
根据公式(1)、公式(2)和公式(4)变换获得：
R SO + R OH = R total - R LH - R HS - R WC - ( x H - x W ) 2 + ( y H - y W ) 2 + ( z H - z W ) 2 = R total - R LS - R WC - ( x H - x W ) 2 + ( y H - y W ) 2 + ( z H - z W ) 2 - - - ( 7 )
RSO为遮蔽物内部第一个散射点S到第二个散射点O之间的距离；ROH为遮蔽物内部第二个散射点O到遮蔽物的小孔所在点H之间的距离，RHW遮蔽物的小孔所在点H到观测面上反射点W之间的距离；
根据距离定义式
R SO + R OH = ( x S - x O ) 2 + ( y S - y O ) 2 + ( z S - z O ) 2 + ( x H - x O ) 2 + ( y H - y O ) 2 + ( z H - z O ) 2 - - - ( 8 )
根据公式(7)和公式(8)获得
( x S - x O ) 2 + ( y S - y O ) 2 + ( z S - z O ) 2 + ( x H - x O ) 2 + ( y H - y O ) 2 + ( z H - z O ) 2 = R total - R LS - R WC - ( x H - x W ) 2 + ( y H - y W ) 2 + ( z H - z W ) 2 - - - ( 9 )
根据公式(5)和公式(9)计算出待测三维坐标O(xO,yO,zO)。
6.实现权利要求1所述的利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法的装置，其特征在于，该装置包括：激光器(1)、视场扫描装置(2)、聚焦镜(3)、单点探测器(4)、测时电路(5)、信息处理单元(6)和观测面(7)；
激光器(1)向遮蔽物上的小孔发射激光信号，该激光信号穿过小孔后经两次散射再次经过小孔发射至观测面(7)，经观测面(7)散射后的光束入射至视场扫描装置(2)，视场扫描装置(2)扫描到的回波光束经聚焦镜(3)聚焦后发射至单点探测器(4)的探测头上，激光器(1)的激光发射时间信号输出端连接测时电路(5)的激光发射时的时间信号输入端，单点探测器(4)探测的信号输出端连接测时电路(5)的回波信号输入端，测时电路(5)的时间信号输出端连接信息处理单元(6)的时间信号输入端，视场扫描装置(2)的成像点角度信号输出端连接信息处理单元(6)的成像点角度信号输入端；视场扫描装置(2)用于扫描成像点反射回的信号，观测面(7)用于反射由小孔发射出的光束。
7.根据权利要求1所述的利用激光穿孔透视获得隐藏目标三维图像的方法的装置，其特征在于，该装置包括：一号聚焦镜(8)、阵列探测器(9)、阵列测时电路(10)、一号信息处理单元(11)、一号激光器(12)和一号观测面(13)；
一号激光器(12)向待测装置上的小孔发射激光信号，通过小孔后激光信号经两次散射后再次经过小孔发射至一号观测面(13)，经一号观测面(13)散射后的光束经一号聚焦镜(8)聚焦后发射至阵列探测器(9)的探测头上，阵列探测器(9)探测的多点光束信号输出端连接阵列测时电路(10)的回波信号输入端，阵列测时电路(10)的时间信号输出端连接一号信息处理单元(11)的时间信号输入端，一号激光器(12)的激光发射时间信号输出端连接阵列测时电路(10)的激光发射时间信号输入端。
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