CN103983981A - 基于相位测距原理的三维压缩成像方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光三维压缩成像技术，特别涉及一种基于相位测距原理的三维压缩成像方法及装置，属于激光成像及数字图像处理领域。利用压缩感知恢复算法研究了目标面每个点回波的相位差的恢复方法，从而达到三维成像的目的。基于相位测距原理的三维压缩成像装置，包括：余弦信号发生器、半导体激光器、准直扩束模块、成像光学系统、半反半透镜、数字微镜阵列、聚焦透镜、雪崩光电二极管、测相模块及中央处理模块、DMD驱动模块。本发明可以进一步提高其测距精度，并且降低了对AD转换器的速度要求。

Description

基于相位测距原理的三维压缩成像方法及装置
技术领域
本发明涉及激光三维压缩成像技术，特别涉及一种基于相位测距原理的三维压缩成像方法及装置，属于激光成像及数字图像处理领域。
背景技术
随着社会发展，非接触式三维测量对精度和速度提出了更高的要求。三维测量常采用激光测距法，相比于机器人视觉方法、结构光方法，能更好地适应野外复杂环境，得到更远的测程和更高的分辨率；同时由于激光优越的方向性和单色性，相比微波成像方法将极大地提高三维成像精度。目前激光测距机的三维成像方式分为两类：扫描式与无扫描式。为了获得二维平面的三维信息，可以采用扫描的方法对空间每个点依次测距，也可以采用无扫描方式直接成像。扫描式激光测距机通常包含机械或非机械扫描装置、激光器和单探测器，其波长选择范围宽且易于实现，但其主要问题是扫描结构体积较大、功耗大、系统的探测信噪比低。无扫描式激光测距机使用探测器阵列探测回波，解决了扫描式测距机的主要问题。其探测器阵列的实现主要含三大路线：ICCD阵列、专用CMOS图像传感器、APD阵列，其主要问题是：ICCD的量子效率、寿命和体积重量不及其他专用传感器；专用CMOS图像传感器价格昂贵、研制周期长；APD阵列灵敏度高、信噪比高，优于其他探测器，但其分辨率受限于电子技术和工艺水平，2004年麻省理工学院研制的APD的分辨率只达到了32×32。
为了提高探测信噪比，摆脱探测器阵列对二维方向分辨率的限制，近年来兴起了光学多通道编码方法结合单探测器的成像方式，能够显著提高信噪比。但标准的多通道方法需要大量编码和测量次数，导致成像速度较慢，为了提高测量速度、减少测量次数，2006年压缩感知理论的出现为单探测器实现无扫描快速激光三维成像开辟了新的道路。压缩感知理论是数字信号处理领域的一种新的信息获取理论，和传统奈奎斯特定理不同，只要信号满足一定的稀疏条件，其能以远低于奈奎斯特采样率的频率对信号采样，并且以极大概率准确恢复原始信号。
压缩感知作为先进的信号处理理论，若应用在激光测距系统中，将极大减少成像所需的数据量，从而减少数据采集的时间。这方面的应用已有先例，如北京航空航天大学提出了单光子计数压缩采样激光三维成像方法(专利号：102375144A)；美国麻省理工学院制作了压缩感知雷达原理样机，实现了150m距离下12cm的测距精度。应用了压缩感知的激光测距方法能够获得优异的探测信噪比，同时实现快速测量。其不足在于：均采用高频脉冲激光作为主动探测光源，其测距精度主要由时间间隔测量精度决定：AD转换器的速度越快、激光脉冲的宽度越窄，测距精度越高，但这对器件的要求十分苛刻，同时加剧了系统的复杂性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术精度低、对测量设备要求高的问题，提供一种基于相位测距原理的三维压缩成像方法及装置。该系统能够有效解决现有的采用高频脉冲激光进行三维成像的压缩感知型激光测距方法对器件要求过高的问题，进一步提高了测距精度。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
基于相位测距原理的三维压缩成像方法，本发明利用压缩感知恢复算法(BP或OMP)研究了目标面每个点回波的相位差的恢复方法，从而达到三维成像的目的，具体步骤如下：
步骤一、将激光器发射的余弦连续波以面激光形式照明待测目标；
步骤二、经目标反射的回波成像在数字微镜阵列上；成像二维分辨率为N×N，数字微镜阵列翻转P次，第k(1≤k≤P)次的测量矩阵用表示，即每次变换状态由编码矩阵C(P×N2)(该矩阵由0和1组成)的一行值决定：按“1”值变换的微镜所接收的部分回波将进行光电转换得到总回波xR(t)；按“0”值变换的微镜将把该部分回波反射出预定光路；
步骤三、通过步骤二所得的总回波xR(t)即可得到总回波xR(t)的振幅M和总回波相对于发射波的相移Δψ；由于步骤二中数字微镜阵列进行了P次翻转，即可得到P次测量结果；
A＝[a1，a2，...，ak...，aP]T，ak＝MkcosΔψk
B＝[b1，b2，...，bk...，bP]T，bk＝MksinΔψk
通过上述公式就能够得到测量向量A和B。
将目标每点回波对应的相位差的正弦和余弦值写成列向量：
Dc、Ds与编码矩阵C和测量向量A、B的关系为：
A＝CDc
B＝CDs
通过压缩感知恢复算法解算出Dc和Ds，即得到目标每点回波对应的相位差根据所发射余弦连续波的频率可以进一步得到目标三维图像信息D。
基于相位测距原理的三维压缩成像装置，包括：余弦信号发生器、半导体激光器、准直扩束模块、成像光学系统、半反半透镜、数字微镜阵列、聚焦透镜、雪崩光电二极管、测相模块及中央处理模块、DMD驱动模块。
测相模块负责测量总回波的相位差和振幅；
中央处理模块利用压缩感知恢复算法解算目标每点回波的相位差并计算目标三维图像信息；
DMD驱动模块按照给定的编码矩阵驱动数字微镜阵列高速翻转，完成对回波的调制；
连接关系：
余弦信号发生器发出余弦信号，驱动半导体激光器发射余弦连续波，经过准直扩束后照明待测目标；同时，DMD驱动模块按照给定的编码矩阵驱动数字微镜阵列翻转；目标反射后的回波经由成像光学系统变换为平行光，通过半反半透镜成像在数字微镜阵列上，数字微镜阵列反射部分回波至半反半透镜，并由半反半透镜反射至聚焦透镜；聚焦透镜将回波聚焦于雪崩光电二极管的光敏端，经过光电转换后相应的电信号送入测相模块和中央处理模块，计算相位和距离信息，即得到目标三维图像信息D。
有益效果
1、本发明的基于相位测距原理的三维压缩成像装置，通过在激光三维成像系统中采用基于连续波的相位法测距原理，能够在单个DMD测量模式下获得多次测量；相比于脉冲激光的一次测量，可以进一步提高其测距精度至10cm以内(厘米量级)、并且降低了对AD转换器的速度要求；DMD驱动模块能够驱动数字微镜阵列高速翻转，成为快速三维成像的基础。
2、本发明的基于相位测距原理的三维压缩成像方法，压缩感知理论的应用实现了单探测器无扫描探测，提高了探测信噪比；而压缩感知算法也实现了“压缩”和“采样”的同步，使系统最大限度减少对无用信号的采样和传输，从而实现了快速成像。
附图说明
图1为基于相位测距原理的三维压缩成像系统框图。
图中，1-余弦信号发生器、2-半导体激光器、3-准直扩束模块、4-成像光学系统、5-半反半透镜、6-数字微镜阵列、7-聚焦透镜、8-雪崩光电二极管、9-测相模块及中央处理模块、10-DMD驱动模块。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。
实施例1
基于相位测距原理的三维压缩成像方法，本发明利用压缩感知恢复算法(BP或OMP)研究了目标面每个点回波的相位差的恢复方法，从而达到三维成像的目的，具体实施流程如下：
步骤一、在发射端使用频率为10MHz的余弦信号发生器驱动半导体激光器发射余弦连续波，通过准直扩束系统以面激光形式照明10m距离处待测目标；
步骤二、设置成像二维分辨率为16×16，经目标反射的回波成像在数字微镜阵列上；数字微镜阵列翻转设置为64次，即三维压缩成像的压缩比为1:4，第k(1≤k≤64)次的测量矩阵用表示，其他微镜处在将光反射出光路的固定状态；所有测量矩阵排列为总编码矩阵C(64行×256列)，其中按“1”值变换的微镜所接收的部分回波将进行光电转换得到总回波xR(t)；按“0”值变换的微镜将把该部分回波反射出预定光路；
步骤三、通过步骤二所得的总回波xR(t)即可得到总回波xR(t)的振幅M和总回波相对于发射波的相移Δψ，回波形式如下式所示，其中w为发射波的角频率，为发射波的初相位：
    公式一
由于步骤二中数字微镜阵列进行了64次翻转，即可得到64次测量结果：
A＝[a1，a2，...，ak...，a64]T，ak＝MkcosΔψk       公式二
B＝[b1，b2，...，bk...，b64]T，bk＝MksinΔψk       公式三
通过上述公式就能够得到测量向量A和B。
将目标每点回波对应的相位差的正弦和余弦值写成列向量(N＝16)：
经过数字微镜阵列调制后的总回波可以写成：
   公式四
对比公式一和公式四可以得到：
   公式五
   公式六
则经过64次测量后，可得到Dc、Ds与编码矩阵C和测量向量A、B的关系为：
Ａ＝ＣＤc     公式七
B＝CDs     公式八
通过压缩感知恢复算法解算出Dc和Ds，即得到目标每点回波对应的相位差根据距离Dij与光速c、所发射余弦连续波的频率f和的关系：
   公式九
可以进一步得到16×16大小的目标三维图像信息D。根据仿真结果，得到的三维图像相对于原始图像的均方根误差(MSE)为0.0209，最大误差控制在5cm以内，即测距精度在5cm以内。
实施例2
步骤一、在发射端使用频率为1MHz的余弦信号发生器驱动半导体激光器发射余弦连续波，通过准直扩束系统以面激光形式照明70m距离处待测目标；
步骤二、设置成像二维分辨率为64×64，经目标反射的回波成像在数字微镜阵列上；数字微镜阵列翻转设置为512次，即三维压缩成像的压缩比为1:8，第k(1≤k≤512)次的测量矩阵用表示，其他微镜处在将光反射出光路的固定状态；所有测量矩阵排列为总编码矩阵C(512行×4096列)，其中按“1”值变换的微镜所接收的部分回波将进行光电转换得到总回波xR(t)；按“0”值变换的微镜将把该部分回波反射出预定光路；
步骤三、通过步骤二所得的总回波xR(t)即可得到总回波xR(t)的振幅M和总回波相对于发射波的相移Δψ，回波形式如下式所示，其中w为发射波的角频率，为发射波的初相位：
   公式一
由于步骤二中数字微镜阵列进行了512次翻转，即可得到512次测量结果：
A＝[a1，a2，...，ak...，a512]T，ak＝MkcosΔψk        公式二
B＝[b1，b2，...，bk...，b512]T，bk＝MksinΔψk        公式三
通过上述公式就能够得到测量向量A和B。
将目标每点回波对应的相位差的正弦和余弦值写成列向量(N＝64)：
经过数字微镜阵列调制后的总回波可以写成：
   公式四
对比公式一和公式四可以得到：
   公式五
   公式六
则经过512次测量后，可得到Dc、Ds与编码矩阵C和测量向量A、B的关系为：
A＝CDc   公式七
B＝CDs   公式八
通过压缩感知恢复算法解算出Dc和Ds，即得到目标每点回波对应的相位差根据距离Dij与光速c、所发射余弦连续波的频率f和的关系：
   公式九
可以进一步得到64×64大小的目标三维图像信息D。根据仿真结果，得到的三维图像相对于原始图像的均方根误差(MSE)为0.0312，最大误差控制在8cm以内，即测距精度在8cm以内。
基于相位测距原理的三维压缩成像装置，包括：余弦信号发生器、半导体激光器、准直扩束模块、成像光学系统、半反半透镜、数字微镜阵列、聚焦透镜、雪崩光电二极管、测相模块及中央处理模块、DMD驱动模块。
测相模块负责测量总回波的相位差和振幅；
中央处理模块利用压缩感知恢复算法解算目标每点回波的相位差并计算目标三维图像信息；
DMD驱动模块按照给定的编码矩阵驱动数字微镜阵列高速翻转，完成对回波的调制；
连接关系：
余弦信号发生器发出余弦信号，驱动半导体激光器发射余弦连续波，经过准直扩束后照明待测目标；同时，DMD驱动模块按照给定的编码矩阵驱动数字微镜阵列翻转；目标反射后的回波经由成像光学系统变换为平行光，通过半反半透镜成像在数字微镜阵列上，数字微镜阵列反射部分回波至半反半透镜，并由半反半透镜反射至聚焦透镜；聚焦透镜将回波聚焦于雪崩光电二极管的光敏端，经过光电转换后相应的电信号送入测相模块和中央处理模块，计算相位和距离信息，即得到目标三维图像信息D。
自此，实现了基于相位测距原理的三维压缩成像。本发明进一步提高了三维成像测距精度，将其控制在厘米级别；同时，相比于基于脉冲光的直接测距方法，降低了对元器件的要求、简化了电路。压缩感知理论和算法的应用实现了单探测器无扫描成像，能够获得优异的探测信噪比并实现快速测量。

Claims (5)

1.基于相位测距原理的三维压缩成像方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、将激光器发射的余弦连续波以面激光形式照明待测目标；
步骤二、经目标反射的回波成像在数字微镜阵列上；成像二维分辨率为N×N，数字微镜阵列翻转P次，第k(1≤k≤P)次的测量矩阵用表示，即每次变换状态由编码矩阵C(P×N2)的一行值决定，该矩阵由0和1组成：按“1”值变换的微镜所接收的部分回波将进行光电转换得到总回波xR(t)；按“0”值变换的微镜将把该部分回波反射出预定光路；
步骤三、通过步骤二所得的总回波xR(t)即可得到总回波xR(t)的振幅M和总回波相对于发射波的相移Δψ；由于步骤二中数字微镜阵列进行了P次翻转，即可得到P次测量结果；
A＝[a1，a2，...，ak...，aP]T，ak＝MkcosΔψk
B＝[b1，b2，...，bk...，bP]T，bk＝MksinΔψk
通过上述公式就能够得到测量向量A和B。
将目标每点回波对应的相位差的正弦和余弦值写成列向量：
Dc、Ds与编码矩阵C和测量向量A、B的关系为：
A＝CDc
B＝CDs
通过压缩感知恢复算法解算出Dc和Ds，即得到目标每点回波对应的相位差根据所发射余弦连续波的频率可以进一步得到目标三维图像信息D。
2.基于相位测距原理的三维压缩成像装置，其特征在于：包括：余弦信号发生器、半导体激光器、准直扩束模块、成像光学系统、半反半透镜、数字微镜阵列、聚焦透镜、雪崩光电二极管、测相模块及中央处理模块、DMD驱动模块；
余弦信号发生器发出余弦信号，驱动半导体激光器发射余弦连续波，经过准直扩束后照明待测目标；同时，DMD驱动模块按照给定的编码矩阵驱动数字微镜阵列翻转；目标反射后的回波经由成像光学系统变换为平行光，通过半反半透镜成像在数字微镜阵列上，数字微镜阵列反射部分回波至半反半透镜，并由半反半透镜反射至聚焦透镜；聚焦透镜将回波聚焦于雪崩光电二极管的光敏端，经过光电转换后相应的电信号送入测相模块和中央处理模块，计算相位和距离信息，即得到目标三维图像信息D。
3.如权利要求2所述的基于相位测距原理的三维压缩成像装置，其特征在于：测相模块负责测量总回波的相位差和振幅。
4.如权利要求2所述的基于相位测距原理的三维压缩成像装置，其特征在于：中央处理模块利用压缩感知恢复算法解算目标每点回波的相位差并计算目标三维图像信息。
5.如权利要求2所述的基于相位测距原理的三维压缩成像装置，其特征在于：DMD驱动模块按照给定的编码矩阵驱动数字微镜阵列高速翻转，完成对回波的调制。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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Inventor after: Wei Ping

Inventor after: Guo Bingbing

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Inventor before: Wei Ping

Inventor before: Guo Bingbing

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