CN105223584B - 一种基于后向散射照明的距离选通成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于后向散射照明的距离选通成像系统及方法，属于距离选通成像领域，所述系统包括：脉冲激光器和成像装置，所述成像装置设置在目标物后方的选通区域内介质的后向散射光的传播路径上，其中，所述后向散射光为所述脉冲激光器发射的激光脉冲经所述选通区域内的介质散射后射向所述目标物的散射光；所述脉冲激光器按照预设发射时间发射的激光脉冲经所述目标物后方的选通区域的介质散射后形成后向散射光，所述后向散射光射向所述成像装置，所述成像装置按照预设选通时间接收所述后向散射光后生成图像。本发明能够避免目标物为镜面反射物体或对照明激光波长强吸收时时，所述目标物反射的信号光强度过弱，导致成像的质量过差。

Description

一种基于后向散射照明的距离选通成像系统及方法

技术领域

本发明涉及距离选通成像领域，具体而言，涉及一种基于后向散射照明的距离选通成像系统及方法。

背景技术

脉冲激光从激光器窗口输出后，在不同距离反射(或散射)回来的光脉冲时刻是不同的，通过在接收端采用一个高速的快门控制只接收某个距离返回的激光脉冲，其他无关的光则被阻挡在外，该成像方法被称为距离选通成像。

由于距离选通成像只对某一距离的目标进行成像，照明光传播光路上其他不同距离的返回光无法进入接收系统成像，所以该技术有非常强的环境光抑制能力能有效突出待观测目标，在水下目标成像、激光雷达等应用方面能够发挥极大的作用。

由于传统距离选通成像接收的是物体对照明激光的散射光，所以现有技术需要被照明目标有较强的光散射能力，当目标物为镜面反射物体或对照明激光波长强吸收时(如黑色物体)，现有技术获得的信号光强度将会过弱，使得传统距离选通成像系统的成像质量非常低。

另外，当技术需要应用于一段较长距离上的选通成像时(如1m～20m)，由于光强在传输过程中指数衰减，近端(1m)的物体和远端(20m)的物体获得的照明光强相差非常大，从而常常无法同时获得有效成像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于后向散射照明的距离选通成像系统及方法，以改善上述的问题。

第一方面，本发明实施例提供的一种基于后向散射照明的距离选通成像系统，包括：脉冲激光器和成像装置，所述成像装置设置在目标物后方的选通区域的后向散射光的传播路径上，其中，所述后向散射光为所述脉冲激光器发射的激光脉冲经所述选通区域内的介质散射后射向所述目标物的散射光；

所述脉冲激光器按照预设发射时间发射的激光脉冲经所述目标物后方的选通区域的介质散射后形成后向散射光，所述后向散射光射向所述成像装置，所述成像装置按照预设选通时间接收所述后向散射光后生成图像。

结合第一方面，本发明实施例还提供了第一方面的第一种可能实施方式，其中，还包括：同步控制装置，所述同步控制装置分别与所述脉冲激光器和所述成像装置耦合；

所述同步控制装置用于按照所述预设发射时间控制所述脉冲激光器发射激光脉冲，按照所述预设选通时间控制所述成像装置接收所述后向散射光后生成图像。

结合第一方面的第一种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第二种可能实施方式，其中，所述预设选通时间的起始时间比所述预设发射时间的起始时间延迟一个预设时间。

结合第一方面的第二种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第三种可能实施方式，其中，所述预设时间根据所述激光脉冲在当前介质中的传播速度以及传播路径确定，其中，所述传播路径为所述脉冲激光器与所述选通区域之间的路径以及所述选通区域与所述成像装置之间的路径之和。

结合第一方面的第三种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第四种可能实施方式，其中，所述选通区域的宽度根据所述选通区域内的介质的散射系数而定。

结合第一方面或第一方面的第一种可能实施方式或第二种可能实施方式或第三种可能实施方式或第四种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第五种可能实施方式，其中，所述选通区域内的介质与所述激光脉冲的传播路径内的介质一致。

结合第一方面或第一方面的第一种可能实施方式或第二种可能实施方式或第三种可能实施方式或第四种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第六种可能实施方式，其中，所述选通区域内的介质为强散射物，其中，所述强散射物的散射系数大于所述激光脉冲的传播路径内的介质的散射系数。

结合第一方面的第一种可能实施方式或第二种可能实施方式或第三种可能实施方式或第四种可能实施方式，本发明实施例还提供了第一方面的第七种可能实施方式，其中，所述成像装置包括门控电路，所述门控电路用于接收所述同步控制装置输入的控制信号，以使所述成像装置按照所述预设选通时间控制所述成像装置接收所述后向散射光后生成图像。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于后向散射照明的距离选通成像方法，应用于基于后向散射照明的距离选通成像系统，所述系统包括：脉冲激光器和成像装置，所述成像装置设置在目标物后方的选通区域内介质的后向散射光的传播路径上，其中，所述后向散射光为所述脉冲激光器发射的激光脉冲经所述选通区域内的介质散射后射向所述目标物的散射光，所述方法包括：

所述脉冲激光器用于按照预设发射时间发射激光脉冲至所述目标物后方的选通区域内；

所述成像装置用于按照预设选通时间接收所述后向散射光后生成图像。

结合第二方面，本发明实施例还提供了第二方面的第一种可能实施方式，其中，所述预设选通时间的起始时间比所述预设发射时间的起始时间延迟一个预设时间。

本发明实施例所述脉冲激光器按照预设发射时间发射的激光脉冲经所述目标物后方的选通区域的介质散射后形成后向散射光，所述后向散射光射向所述成像装置，所述成像装置按照预设选通时间接收所述后向散射光后生成图像。

其中，所述目标物后方的选通区域的具体位置由所述成像装置的预设选通时间决定。

所述选通区域到所述成像装置之前的后向散射光一部分被目标物挡住另一部分射入所述成像装置中，从而在成像装置中形成目标物的阴影图像。与现有技术的距离选通成像技术相比，以所述目标物的阴影图像作为目标物的像，能够避免目标物为镜面反射物体或对照明激光波长强吸收时(如黑色物体)时，所述目标物反射的信号光强度过弱，导致成像的质量过差。

另外，本发明实施例的所述成像装置的一次曝光能够获得整个后向散射光的成像光路中所有目标物的阴影图像，并且能够确保不同距离的阴影图像强度基本一致。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1示出了本发明实施例提供的一种基于后向散射照明的距离选通成像系统的模块框图；

图2示出了本发明实施例提供的一种基于后向散射照明的距离选通成像方法的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了改善现有的距离选通成像系统中，当目标物为镜面反射物体或对照明激光波长强吸收时(如黑色物体)，现有技术获得的信号光强度将会过弱，使得传统距离选通成像系统的成像质量非常低的缺陷，本发明实施例提供了一种基于后向散射照明的距离选通成像系统及方法。

如图1所示的一种基于后向散射照明的距离选通成像系统的模块框图，参考图1，所述系统包括：脉冲激光器101和成像装置102，所述成像装置102设置在目标物后方的选通区域内介质的后向散射光的传播路径上，其中，所述后向散射光为所述脉冲激光器101发射的激光脉冲经所述目标物后方的选通区域内的介质散射后射向所述目标物的散射光。

激光在介质(如水、空气)中传输时，激光束会被介质中的杂质或微颗粒散射，根据散射光的方向，散射又分为前向散射和后向闪射，前向散射与激光传输方向一致，后向散射与传输方向相反。于本发明实施例中，所述脉冲激光器101发射的激光脉冲射向所述目标物后方的选通区域内的介质，其中，以所述脉冲激光器发射的激光的传播方向为前方，在所述目标物后方的一定距离内设置一个选通区域，射入所述选通区域的激光脉冲，由所述选通区域内的介质产生后向散射，所述后向散射光射向所述目标物，经过所述目标物后再射入所述成像装置内。

所述脉冲激光器101按照预设发射时间发射的激光脉冲经所述目标物后方的选通区域的介质散射后形成后向散射光，所述后向散射光射向所述成像装置102，所述成像装置102按照预设选通时间接收所述后向散射光后生成图像。

脉冲激光器101为单个激光脉冲宽度小于10纳秒，每间隔一定时间才工作一次的激光器，具有较大输出功率和较高的亮度，例如，可以是红宝石激光器、蓝宝石激光器、氮分子激光器、准分子激光器等，所述脉冲激光器101可以由脉冲信号来控制发射激光脉冲的周期或者时间间隔。

所述成像装置102能够在快门打开时，通过传像机构将激光脉冲透射到感光元件上，由感光元件通过光电转换将激光脉冲转换为电信号，再收集感光元件产生的电信号，经过放大器放大及滤波器处理等操作后，生成所需的图像格式。其中，在一次曝光时间结束后，就输出一次图像。

所述选通区域的位置由所述成像装置102的开启时间决定，所述选通区域的宽度根据所述选通区域内的介质对光的后向散射能力、所述脉冲激光器的参数以及所述成像装置的参数来确定，散射能力强的介质选通区域的宽度短一些，散射能力弱的介质选通区域的宽度长一些，以便获得一定强度的后向散射光，进而获得较好的照明条件。

所述预设选通时间的起始时间可以比所述预设发射时间的起始时间延迟一个预设时间。其中，所述的延迟的预设时间可以根据传播路径和当前介质内的传播速度而设定，其中，所述传播路径为所述脉冲激光器101输出的激光脉冲经过所述选通区域的后向散射后射入所述成像装置102的传播路径，例如可以是传播路径除以传播速度。

所述脉冲激光器101发射的激光脉冲射向所述目标物后，一部分被目标物吸收另一部分被目标物镜面反射或漫散射，其中，反射包括镜面反射和漫散射，因此，所述脉冲激光器101发出的一部分射入所述目标物后方的选通区域，经所述选通区域的散射后形成后向散射光，所述后向散射光经过所述目标物后被所述目标物遮挡，从而在所述成像装置形成所述目标物的阴影图像。

现有技术的距离选通成像接收经所述目标物反射的光线而形成的图像，例如，以黑白图像为例，且假设脉冲激光器101发射的激光脉冲的强度远大于杂散光的强度，则所形成的图像中，明亮部分为目标物的图像。于本发明实施例中，形成的图像中，明亮部分为背景图像，而灰暗部分为目标物的图像，因此，能够避免目标物为镜面反射物体或对照明激光波长强吸收时(如黑色物体)时，所述目标物反射的信号光强度过弱，即现有技术所成的图像中，明亮部分的亮度过低，导致成像的质量过差。

另外，当现有技术的距离选通成像系统需要对一条光路上的多个物体选通成像时，如1m～20m的光路，由于光强在传输过程中成指数损耗，近端(1m)的物体和远端(20m)的物体获得的照明光强相差非常大，即近端的物体反射回所述成像装置102的光与远端的物体反射回所述成像装置102的光相比，强度高很多，从而造成多个物体所成的图像质量相差很大，甚至无法同时获得所有物体的有效成像，本发明实施例，由于从选通区域到成像装置102之间的光路上的不同距离的各个目标物都能对后向散射光遮挡，所述本发明能够获得一条光路上的所有目标物的阴影图像，能够确保不同距离的各目标物的阴影图像强度和成像质量基本一致。

进一步，所述选通区域内的介质可以与所述激光脉冲的传播路径内的介质一致，优选地，也可以改变所述选通区域内的介质，为了增加所述选通区域内的介质散射能力，所述选通区域的介质的散射系数大于所述激光脉冲的传播路径内的介质的散射系数，例如，在所述选通区域内设置一定尺寸的较强散射能力的均匀散射介质，所述强散射介质为散射系数大于一定数值(大于光传输介质的散射系数)的散射介质，例如，白屏(可以为具有强散射能力的屏幕)。因此，能够有效增加后向散射光的强度，提高所述成像装置102的成像质量。

进一步，本发明实施例可以通过设置一个同步控制装置103为所述脉冲激光器101和成像装置102输入控制信号，即所述同步控制装置103分别与所述脉冲激光器101和所述成像装置102耦合，所述同步控制装置103用于按照所述预设发射时间控制所述脉冲激光器101发射激光脉冲，按照所述预设选通时间控制所述成像装置102接收所述后向散射光后生成图像。

所述成像装置102为设有门控电路的CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)相机，所述门控电路用于接收所述同步控制装置103输入的控制信号，从而控制所述成像装置102的开启。

例如所述CCD相机可以为ICCD(Intensified charge coupled device，增强电荷耦合器件)相机，其中，所述ICCD相机表示为设有像增强器且感光元件为CCD的相机，所述像增强器起到门控电路的作用，用于控制ns级的距离选通。

所述CCD相机在曝光开启时，通过CCD元件将接收到的每次激光脉冲转换为电信号，再收集CCD转换的所有的激光脉冲的电信号累积，将所累积的电信号输入到DSP等具有数据处理功能的集成芯片内，再由集成芯片进行放大以及滤波处理等操作后，生成图像。

当然也可以在所述成像装置102内安装一个能够起到根据所述同步控制装置103的控制信号对射入所述成像装置的散射光实现选通与截止功能的光学器件，例如，像增强器或者光开关。

如图2所示的一种基于后向散射照明的距离选通成像方法，应用于基于后向散射照明的距离选通成像系统，所述系统包括：脉冲激光器和成像装置，所述成像装置设置在目标物后方的选通区域内介质的后向散射光的传播路径上，其中，所述后向散射光为所述脉冲激光器发射的激光脉冲经所述目标物后方的选通区域内的介质散射后射向所述目标物的散射光，所述方法包括：

S21：脉冲激光器按照预设发射时间发射激光脉冲至目标物后方的选通区域内；

S22：成像装置按照预设选通时间接收后向散射光后生成图像。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程，可以参考前述系统实施例中的各装置及各模块对应过程，在此不再赘述。

另外，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于后向散射照明的距离选通成像系统，其特征在于，包括：脉冲激光器和成像装置，所述成像装置设置在目标物后方的选通区域内介质的后向散射光的传播路径上，所述目标物位于所述后向散射光至所述成像装置的传播路径上，其中，所述后向散射光为所述脉冲激光器发射的激光脉冲经所述选通区域内的介质散射后射向所述目标物的散射光；

所述脉冲激光器按照预设发射时间发射的激光脉冲经所述目标物后方的选通区域的介质散射后形成后向散射光，所述后向散射光经所述目标物后射向所述成像装置，所述成像装置按照预设选通时间接收经所述目标物遮挡之后的后向散射光后生成图像。

2.根据权利要求1所述的基于后向散射照明的距离选通成像系统，其特征在于，还包括：同步控制装置，所述同步控制装置分别与所述脉冲激光器和所述成像装置耦合；

所述同步控制装置用于按照所述预设发射时间控制所述脉冲激光器发射激光脉冲，按照所述预设选通时间控制所述成像装置接收所述后向散射光后生成图像。

3.根据权利要求2所述的基于后向散射照明的距离选通成像系统，其特征在于，所述预设选通时间的起始时间比所述预设发射时间的起始时间延迟一个预设时间。

4.根据权利要求3所述的基于后向散射照明的距离选通成像系统，其特征在于，所述预设时间根据所述激光脉冲在当前介质中的传播速度以及传播路径确定，其中，所述传播路径为所述脉冲激光器与所述选通区域之间的路径以及所述选通区域与所述成像装置之间的路径之和。

5.根据权利要求4所述的基于后向散射照明的距离选通成像系统，其特征在于，所述选通区域的宽度根据所述选通区域内的介质的散射系数而定。

6.根据权利要求1-5的任一所述的基于后向散射照明的距离选通成像系统，其特征在于，所述选通区域内的介质与所述激光脉冲的传播路径内的介质一致。

7.根据权利要求1-5的任一所述的基于后向散射照明的距离选通成像系统，其特征在于，所述选通区域内的介质为强散射物，其中，所述强散射物的散射系数大于所述激光脉冲的传播路径内的介质的散射系数。

8.根据权利要求2-5任一所述的基于后向散射照明的距离选通成像系统，其特征在于，所述成像装置包括门控电路，所述门控电路用于接收所述同步控制装置输入的控制信号，以使所述成像装置按照所述预设选通时间控制所述成像装置接收所述后向散射光后生成图像。

9.一种基于后向散射照明的距离选通成像方法，其特征在于，应用于基于后向散射照明的距离选通成像系统，所述系统包括：脉冲激光器和成像装置，所述成像装置设置在目标物后方的选通区域内介质的后向散射光的传播路径上，所述目标物位于所述后向散射光至所述成像装置的传播路径上，其中，所述后向散射光为所述脉冲激光器发射的激光脉冲经所述选通区域内的介质散射后射向所述目标物的散射光，所述方法包括：

所述脉冲激光器按照预设发射时间发射激光脉冲至所述目标物后方的选通区域内；

所述成像装置按照预设选通时间接收经所述目标物遮挡之后的后向散射光后生成图像。

10.根据权利要求9所述的基于后向散射照明的距离选通成像方法，其特征在于，所述预设选通时间的起始时间比所述预设发射时间的起始时间延迟一个预设时间。