CN104049258B - 一种空间目标立体成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间目标立体成像装置及方法，该装置，其特征是：至少包括脉冲固体激光器、光电探测器，反射镜，激光发射窗口，CCD探测器，快门，滤波片，成像镜头；工作时，脉冲固体激光器发射激光脉冲，穿过反射镜的中心洞口，通过光发射窗口处理以后，射向目标物，射向目标物的一部分光信号经反射或散射后返回，通过成像镜头进入相机，穿过滤波片、快门以后成像于CCD探测器，同时，一部分反射回来的脉冲信号会经过光发射窗口和反射镜进入光电探测器，光电探测器通过目标物到测距机的距离计算如下：S＝0.5Ct，其中C表示光在空气中的速度。本发明易于实现，既适用于近距离，也适用于中远距离目标的空间目标立体成像。

Description

一种空间目标立体成像装置及方法

技术领域

本发明涉及一种对空间目标进行成像技术，特别是一种空间目标立体成像装置及方法。

背景技术

众所周知，空间目标是呈三维分布的，其在空间的分布需要三个坐标参量进行描述。通常多采用三维直角坐标系对其进行描述。通常的照相机或摄像机对目标物成像时，只能得到其在照相底板上的平面投影，反映的是目标物在与底板平面平行的方向上的坐标变化，只包含了两个坐标参量的变化信息。无法反映目标与底板垂直方向上的坐标参量的变化，也就是说，所获得的影像丢失了目标物在一个方向上的坐标信息，这个坐标信息为目标物在相机底板上各个像素点的距离信息，通常称目标物的距离像。为了弥补传统摄影器材的这个缺点，人们发明了采用两个相机对同一对象从不同角度进行照相的立体成像技术，通过计算获得目标物的距离像，弥补了单个相机成像的缺陷。但是这种立体成像技术对于远距离的目标却很不实用。这种情况下，为了让相机取得比较好的立体成像效果，往往需要将两个相机分开很大的距离，这在很多情况下是难以实现的。所以对远距离目标物的三维像的获取，尚未得到很好解决。同时，双相机立体成像系统还有一个明显的缺点，就是在判断两个相机对应像素点的时候存在很大误差，导致了对距离计算时产生很大误差。

自从激光技术发明以来，人们已经掌握了利用激光脉冲进行空间测距的技术，特别是，目前利用脉冲激光器的测距范围已经达到10公里以上，人们由此看到了解决问题的曙光。激光脉冲进行测距的基本原理是，由激光器发射一个激光脉冲，射向目标物，激光脉冲离开发射器时开始计时。当激光脉冲到达目标，由于目标的反射和散射，一部分激光信号返回，返回信号经过一段时间的空间传播后，到达测距机的探测器，探测器收到返回信号后立刻停止计时。假定这期间计时器所记录的时间为t，则目标物到测距机的距离S可以计算如下：

S＝0.5Ct (1)

其中C表示光在空气中的速度。

这种测距技术所带来的误差，通常用脉冲的宽度来估算，假定激光脉冲的半宽度为τ，则距离误差估算如下:

σ＝Cτ (2)

目前这种测距技术所采用的探测器的接收元件通常为光电二极管或雪崩光电二极管。

这种测距技术的缺点是只能测量目标物到测距机的平均距离，不能给出目标物的图像以及图像上各个像素点的距离分布信息。

为了在激光测距中，能够对目标成像，人们提出了利用光电二极管或雪崩光电二极管构成阵列进行探测的方案。也就是将光电二极管或雪崩光电二极管排列成二维阵列或一维阵列，通过成像镜头将目标成像于该阵列，阵列中每个单管对应一个像素。分别记录激光脉冲发出以后，每个单管接收到返回信号的时间t₁,t₂,......,t_n,则利用公式便可以计算每个单管所对应的目标物上相应点的距离，见公式(3)。于是便可以得到目标的距离像。

$\left\{\begin{array}{c}{s}_1={\mathrm{Ct}}_1\\ s_2={\mathrm{Ct}}_2\\ ........\\ s_n={\mathrm{Ct}}_n\end{array}\right.---\left(3\right)$

每点距离值的误差均由公式(2)估算。

目前无论是光电二极管阵列还是雪崩光电二极管阵列，其分辨率均比较低，而且体积大结构复杂，且成本偏高。

发明内容

本发明的目的是提供一种易于实现，既适用于近距离，也适用于中远距离目标的空间目标立体成像装置及方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的，一种空间目标立体成像装置，其特征是：至少包括脉冲固体激光器、光电探测器，反射镜，激光发射窗口，CCD探测器，快门，滤波片，成像镜头；工作时，脉冲固体激光器发射激光脉冲，穿过反射镜的中心洞口，通过光发射窗口处理以后，射向目标物，射向目标物的一部分光信号经反射或散射后返回，通过成像镜头进入相机，穿过滤波片、快门以后成像于CCD探测器，同时，一部分反射回来的脉冲信号会经过光发射窗口和反射镜进入光电探测器，光电探测器通过目标物到测距机的距离计算如下：

S＝0.5Ct

其中C表示光在空气中的速度。

一种空间目标立体成像的方法，其特征是：至少包括如下步骤：

第1步，第1次成像，快门T打开后，发射第1个光脉冲，目标散射或反射回来的光脉冲A、B、C、D完全通过后，然后再关闭快门，这时底板各像素点曝光后所获得的图像用矩阵I₀表示；

第2步，第2次成像时，快门T打开后，再次发射光脉冲，当返回的光脉冲信号A、B、C、D尚未完全通过快门时，即关闭快门T，从时间域来看，这时应确保，对每个像素点，均只探测到了目标物散射或反射回来的光信号的一部分，这时底板各像素点曝光后所获得的图像用矩阵I₁表示，第2次成像，图像矩阵I₁中的每个像素点一定小于图像矩阵I₀中的每个像素点给出的曝光量数值；

第3步，依据光脉冲的时域分布函数F(t)，对第1次获取的图像矩阵I₀和第2次获取的图像矩阵I₁进行处理，获取每个成像点的相对距离量；

第4步，依据每个成像点的相对距离量给出三维立体像。

所述的第3步依据光脉冲的时域分布函数F(t)，对第一次获取的图像矩阵I₀和第二次获取的图像矩阵I₁进行处理，获取每个成像点的相对距离量包括：

第3.1步，根据光脉冲强度的时域分布函数F(t)，计算一个距离查询表；其中表中第1行数据为相对曝光量H值，按由小到大的次序排列；相对曝光量H(t)计算方法见公式(4)；

$H\left(t\right)=\frac{{\∫}_0^{t}F\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^{00}F\left(t\right)\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

其中分母项表示对整个脉冲进行积分，分子表示对脉冲的一部分积分；

表的第2行为S项，其数据为距离值，由同一列的曝光量H值计算中所取t值决定，其数值由公式(5)进行计算；

S(t)＝0.5Ct (5)

其中C是光在空气中的传播速度；该距离是一个相对数据，正方向由目标物指向摄像器材，零点取为目标中心到摄像器材的距离处；

第3.2步，通过对(4)式和(5)式的离散化计算，获得所需要的距离查询表，表项的项数多少由距离测量的范围和精度要求和决定；

第3.3步，用图像矩阵I₁中反映某个像素点曝光量的数据除以图像矩阵I₀中的对应数据，得到数值h；然后由该h值去查询距离查询表，找到表中与h最接近的表项H值H_i,它所对应的S值S_i，即为该像素点的距离坐标；对所有的像素点进行类似处理后，获取每个成像点的相对距离量。

所述的依据每个成像点的相对距离量给出三维立体像至少包括依据目标成像距离进行误差修正的步骤。

所述的修正算法包括：

设定相机镜头的焦距为f,底板上某像素点到镜头光轴的距离为d,则该像素点的距离坐标S修正为S’,S’计算如下：

$S^{\′}=\frac{\mathrm{sf}}{\sqrt{f^2+d^2}}---\left(6\right).$

所述的第2步，再次发射光脉冲，采用多个光脉冲，进行多次成像，每次选择不同的快门时间，多次成像获得多个图像矩阵I₁,......,I_N-1，对某个像素点而言，用图像矩阵I₁,......,I_N-1的灰度值除以图像矩阵I₀中的灰度值，在所获得的N-1个数据中选择明显不为1也不为0的数据，用来获取该像素点的相对距离数据。

所采用的多个光脉冲多次成像的次序有多种排列。

本发明的有益效果是，利用传统相机和脉冲激光相结合，不需要记录每个像素点激光脉冲从发射到接收的往返时间，便可以实现对空间距离像和常规影像的记录，获得目标的空间三维图像。它和传统的双相机立体成像系统比较具有更远的作用距离，且不存在查找对应像素点的误差，精度更高；就远距离成像而言，所获得的图像具有比光电二极管阵列或雪崩光电二极管阵列更好的像素分辨率，更高的相对距离测量精度，更紧凑的体积和更廉价的成本。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的原理图,也是第一个实施例的构造图。

图2是本发明第一次成像快门打开状态和返回的光脉冲间的时间关系。

图3是本发明第二次成像快门打开状态和返回的光脉冲间的时间关系。

图4向目标发射N个光脉冲快门打开状态示意图。

图中，1、脉冲固体激光器；2、光电探测器(可含滤波片)；3、反射镜；4、光发射窗口；5、CCD探测器；6、快门；7、滤波片；8、成像镜头；9、中心洞口。

具体实施方式

如图1所示，一种空间目标立体成像装置，至少包括脉冲固体激光器1、光电探测器2，反射镜3，激光发射窗口4，CCD探测器5，快门6，滤波片7，成像镜头8。工作时，脉冲固体激光器1发射激光脉冲，穿过反射镜3的中心洞口9，通过光发射窗口4处理以后，射向目标物，射向目标物的一部分光信号经反射或散射后返回，通过成像镜头8进入相机，穿过滤波片7、快门6以后成像于CCD探测器5。同时，还有一部分反射回来的脉冲信号会经过光发射窗口和反射镜进入光电探测器2，光电探测器2通过目标物到测距机的距离S可以计算如下：

S＝0.5Ct

其中C表示光在空气中的速度。在这里S给出的是平均距离。

实施例1

一种空间目标立体成像的方法，至少包括如下步骤：

第1步，第1次成像，如图2所示，快门T打开后，发射第1个激光脉冲，目标散射或反射回来的光脉冲A、B、C、D完全通过后，然后再关闭快门，这时底板各像素点曝光后所获得的图像用矩阵I₀表示(单位可以是像素的灰度值或是反映各个像素点的曝光量的其他物理量，其大小应与曝光量成正比)。

第2步，第2次成像时，如图3所示，快门T打开后，发射第二个激光脉冲，当返回的光脉冲信号A、B、C、D尚未完全通过快门时，即关闭快门T，从时间域来看，这时应确保，对每个像素点，均只探测到了目标物散射或反射回来的光信号的一部分，这时底板各像素点曝光后所获得的图像用矩阵I₁表示，显然，第2次成像，图像矩阵I₁中的每个像素点一定小于图像矩阵I₀中的每个像素点给出的曝光量数值；

第3步，依据光脉冲的时域分布函数F(t)，对第1次获取的图像矩阵I₀和第2次获取的图像矩阵I₁进行处理，获取每个成像点的相对距离量；

第4步，依据每个成像点的相对距离量给出三维立体像。

所述的第3步依据光脉冲的时域分布函数F(t)，对第一次获取的图像矩阵I₀和第二次获取的图像矩阵I₁进行处理，获取每个成像点的相对距离量包括：

第3.1步，根据光脉冲强度的时域分布函数F(t)，计算一个距离查询表；其格式见表1；表1中第1行数据为相对曝光量H值，按由小到大的次序排列；相对曝光量H(t)计算方法见公式(4)；

$H\left(t\right)=\frac{{\∫}_0^{t}F\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^{00}F\left(t\right)\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

其中分母项表示对整个脉冲进行积分，分子表示对脉冲的一部分积分；

表1中的第2行为S项，其数据为距离值，由同一列的曝光量H值计算中所取t值决定，其数值由公式(5)进行计算。

S(t)＝0.5Ct (5)

其中C是光在空气中的传播速度。该距离是一个相对数据，正方向由目标物指向摄像器材，零点可以取为目标中心到摄像器材的距离处。

第3.2步，通过对(4)式和(5)式的离散化计算，获得所需要的距离查询表，表项的项数多少由距离测量的范围和精度要求和决定。

表1距离查询表格式

H	H1	H2	H3	......	Hn
						S	S1	S2	S3	......	Sn

第3.3步，用图像矩阵I₁中反映某个像素点曝光量的数据除以图像矩阵I₀中的对应数据，得到数值h；然后由该h值去查询距离查询表，找到表中与h最接近的表项H值H_i,它所对应的S值S_i，即为该像素点的距离坐标；对所有的像素点进行类似处理后，获取每个成像点的相对距离量。

所述的依据每个成像点的相对距离量给出三维立体像至少包括依据目标成像距离进行误差修正的步骤。

修正算法包括：

设定相机镜头的焦距为f,底板上某像素点到镜头光轴的距离为d,则该像素点的距离坐标S修正为S’,S’计算如下：

$S^{\′}=\frac{\mathrm{sf}}{\sqrt{f^2+d^2}}---\left(6\right)$

本发明在两次成像中，快门的控制至关重要，快门的打开时刻采用光脉冲发射同步脉冲进行，第1次光成像快门的延续时间根据所设计相机的最远作用距离，结合光的传播速度来确定。快门持续时间Δt1按如下计算公式：

Δt1＝2S₀/C (7)

其中S₀是最远作用距离，C是光传播速度。

第2次快门持续时间Δt2，由公式(8)确定。

2S/C-τ<Δt2<2S/C+τ (8)

式中S是实际距离，τ是光脉冲持续时间。实际距离通过测距装置获取。

所用到的滤波片，用来排除杂散光的干扰，根据所选用激光器的波长选择，应对选用激光波长的光具有高透过率，而对其他波长的光只有很低的透过率。

成像镜头应根据成像的距离、范围和清晰度的要求来选择。

实施例2

第2步，再次发射光脉冲，可以采用多个光脉冲，进行多次成像，每次选择不同的快门时间，多次成像获得多个图像矩阵I₁,......,I_N-1，对某个像素点而言，用图像矩阵I₁,......,I_N-1的灰度值除以图像矩阵I₀中的灰度值，在所获得的N-1个数据中选择明显不为1也不为0的数据，用来获取该像素点的相对距离数据。

下面给出实施例2的步骤：

第1步，第1次成像，如图2所示，快门T打开后，向目标发射第1个光脉冲，待目标散射或反射回来的光脉冲A、B、C、D完全通过后，再关闭快门，这时底板各像素点曝光后所获得的图像矩阵I₀表示(单位可以是像素的灰度值或是反映各个像素点的曝光量的其他物理量，其大小应与曝光量成正比)。

第2.1步，第2次成像时，向目标再次发射光脉冲，如图4所示，快门按T1打开和关闭，当返回的光脉冲信号A、B、C、D尚未完全通过快门时，即关闭快门T1；从时间域来看，这时应确保，对每个像素点，均只探测到了目标物散射或反射回来的光信号的一部分，这时底板各像素点曝光后所获得的图像矩阵用I₁表示，显然，第2次成像，图像矩阵I₁中的每个像素点一定小于图像矩阵I₀中的每个像素点给出的曝光量数值；

第2.2第3次成像，第3次成像时，向目标发射第3个光脉冲，如图4所示，快门按T2打开和关闭，T2大于T1，当返回的光脉冲信号A、B、C、D尚未完全通过快门时，即关闭快门T2；从时间域来看，这时应确保，对每个像素点，均只探测到了目标物散射或反射回来的光信号的一部分，这时底板各像素点曝光后所获得的图像矩阵I₂表示；

第2.N步，第N次成像时，向目标发射第N个光脉冲，如图4所示，快门按Tn打开和关闭，Tn大于Tn－1，当返回的光脉冲信号A、B、C、D尚未完全通过快门时，即关闭快门Tn；同样从时间域来看，这时应确保，对每个像素点，均只探测到了目标物散射或反射回来的光信号的一部分，这时底板各像素点曝光后所获得的图像矩阵I_N-1表示；

第3步，依据光脉冲的时域分布函数F(t)，对第1次获取的图像矩阵I₀和第2、3、.......,N次获取的图像矩阵I₀,I₁,......,I_N-1进行处理，获取每个成像点的相对距离量；

第4步，依据每个成像点的相对距离量给出三维立体像；

第5步，给出最佳三维立体像。

所述的第3步依据光脉冲的时域分布函数F(t)，对第1次获取的图像矩阵I₀和第2、3,......,N-1次获取的图像矩阵I₀,I₁,......,I_N-1进行处理，获取每个成像点的相对距离量包括：

第3.1步，根据光脉冲强度的时域分布函数F(t)，计算一个距离查询表；其格式见表1；表1中第1行数据为相对曝光量H值，按由小到大的次序排列；相对曝光量H(t)计算方法见公式(4)；

$H\left(t\right)=\frac{{\&Integral;}_0^{t}F\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\&Integral;}_0^{00}F\left(t\right)\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

其中分母项表示对整个脉冲进行积分，分子表示对脉冲的一部分积分；

表1中的第2行为S项，其数据为距离值，由同一列的曝光量H值计算中所取t值决定，其数值由公式(5)进行计算。

S(t)＝0.5Ct (5)

其中C是光在空气中的传播速度。该距离是一个相对数据，正方向由目标物指向摄像器材，零点可以取为目标中心到摄像器材的距离处。

第3.2步，通过对(4)式和(5)式的离散化计算，获得所需要的距离查询表，表项的项数多少由距离测量的范围和精度要求和决定。

表1距离查询表格式

H

H1

H2

H3

......

Hn

S

S1

S2

S3

......

Sn

第3.3步，用图像矩阵I₁,......,I_N-1中像素点曝光量的数据，各自除以图像矩阵I₀中的对应数据，得到一组数值h₁,......,h_N-1；在这组数值中，选择一个既不为1也不为0的值，假定其值为h_j,用h_j值去查询距离查询表，找到表中最接近的表项H值H_j,查到它所对应的S值S_j；利用S_j采用公式(9)所给的算法，获取该像素点的相对距离

S＝S_j十0.5C(t₁十t2十…十t_j-1) (9)

其中，t₁,t₂,...,t_j-1分别表示快门时延T2和T1的差，，T3和T2的差，...,以及Tj和Tj-1的差。

对所有的像素点进行类似处理后，即可得到了目标的三维立体图像。

Claims (5)

1.一种空间目标立体成像的方法，其特征是：至少包括如下步骤：

第1步，第1次成像，快门T打开后，发射第1个光脉冲，目标散射或反射回来的光脉冲A、B、C、D完全通过后，然后再关闭快门，这时底板各像素点曝光后所获得的图像用矩阵I₀表示；

第2步，第2次成像时，快门T打开后，再次发射光脉冲，当返回的光脉冲信号A、B、C、D尚未完全通过快门时，即关闭快门T，从时间域来看，这时应确保，对每个像素点，均只探测到了目标物散射或反射回来的光信号的一部分，这时底板各像素点曝光后所获得的图像用矩阵I₁表示，第2次成像，图像矩阵I₁中的每个像素点一定小于图像矩阵I₀中的每个像素点给出的曝光量数值；

第3步，依据光脉冲的时域分布函数F(t)，对第1次获取的图像矩阵I₀和第2次获取的图像矩阵I₁进行处理，获取每个成像点的相对距离量；

第4步，依据每个成像点的相对距离量给出三维立体像；

所述的第3步依据光脉冲的时域分布函数F(t)，对第一次获取的图像矩阵I₀和第二次获取的图像矩阵I₁进行处理，获取每个成像点的相对距离量包括：

第3.1步，根据光脉冲强度的时域分布函数F(t)，计算一个距离查询表；其中表的第1行数据为相对曝光量H值，按由小到大的次序排列；相对曝光量H(t)计算方法见公式(4)；

其中分母项表示对整个脉冲进行积分，分子表示对脉冲的一部分积分；

表的第2行为S项，其数据为距离值，由同一列的曝光量H值计算中所取t值决定，其数值由公式(5)进行计算；

S(t)＝0.5Ct (5)

其中C是光在空气中的传播速度；该距离是一个相对数据，正方向由目标物指向摄像器材，零点取为目标中心到摄像器材的距离处；

第3.2步，通过对(4)式和(5)式的离散化计算，获得所需要的距离查询表，表项的项数多少由距离测量的范围和精度要求和决定；

第3.3步，用图像矩阵I₁中反映某个像素点曝光量的数据除以图像矩阵I₀中的对应数据，得到数值h；然后由该h值去查询距离查询表，找到表中与h最接近的表项H值H_i,它所对应的S值S_i，即为该像素点的距离坐标；对所有的像素点进行类似处理后，获取每个成像点的相对距离量。

2.根据权利要求1所述的一种空间目标立体成像的方法，其特征是：所述的依据每个成像点的相对距离量给出三维立体像至少包括依据目标成像距离进行误差修正的步骤。

3.根据权利要求2所述的一种空间目标立体成像的方法，其特征是：修正算法包括：

设定相机镜头的焦距为f,底板上某像素点到镜头光轴的距离为d,则该像素点的距离坐标S修正为S’,S’计算如下：

。

4.根据权利要求1所述的一种空间目标立体成像的方法，其特征是：所述的第2步，再次发射光脉冲，采用多个光脉冲，进行多次成像，每次选择不同的快门时间，多次成像获得多个图像矩阵I₁,......,I_N-1，对某个像素点而言，用图像矩阵I₁,......,I_N-1的灰度值除以图像矩阵I₀中的灰度值，在所获得的N-1个数据中选择明显不为1也不为0的数据，用来获取该像素点的相对距离数据。

5.根据权利要求4所述的一种空间目标立体成像的方法，其特征是：所采用的多个光脉冲多次成像的次序有多种排列。