CN105988123B - 一种线扫描成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线扫描成像装置，由线激光源及强度调制模块(1)生成强度随机分布的一维探测激光，由光束空间整形模块(2)对探测激光进行空间整形，然后通过线扫描与发射模块(3)以狭长条形的探测激光对目标区域进行照明，并实现线扫描，目标返回的信号由回波收集模块(4)进行收集，并利用光强点探测模块(5)进行接收，接收到的点探测信号与目标处光强分布由线扫图像重构模块(6)进行关联计算实现重构，并由图像拼接模块(7)将所有条状成像结果进行拼接，得到目标区域的成像。本发明将线阵扫描式照明与点探测相结合，可获得更远的探测距离；基于一维图像重构减少关联计算时间，可用于运动目标成像或快速运动中对目标的扫描成像。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，更具体涉及一种基于线探测光源与点接收探测器的可针对远距离、运动目标成像的扫描式成像装置。
背景技术
传统的激光扫描成像方式包括点扫描与线扫描。点扫描方式分辨率低，速度慢；线扫描方式需要用CCD或其它阵列探测器作为接收端，而阵列探测器噪声、响应速度、灵敏度等性能有限，限制了成像距离的增加和成像速度的提高。
一般而言，点探测相对线阵探测具有更高的噪声控制性能、响应速度及更高的灵敏度，但常规点探测一般对目标采用逐个像素点探测及重构成像，因而对激光重频提出了更高的要求，但激光重频增加同时带来单脉冲能量的降低，这一矛盾又限制了点探测的远距离应用。此外，点探测的视场范围极小，很容易漏掉对运动目标的探测。
随着探测技术的发展，点探测成像除了逐个像素探测及重构之外，还可通过关联成像实现。即利用对照明光场的时空调制，引入时域及空域的强度涨落，通过光场的强度涨落信息对目标进行编码；在接收端仅利用一个无空间分辨能力的点探测器接收目标反射的回波信号，通过关联计算，得到目标的图像。采用大视场照明，相对于传统点探测及重构成像可以实现更大范围的照明区域，但当前光强调制主要基于旋转的毛玻璃或其他空间光调制器如数字微镜阵列(DMD),液晶附硅(LCOS)等二维空间光调制器件实现，对目标进行二维强度编码，与此相伴随的是更多的重建时间。对于复杂目标，仿真计算中一般要求104～106次甚至更多次计算，采样次数越大，重建图像时处理端的压力越大，速度越慢。
采样期间，目标与系统之间的相对运动会引起图像退化等问题，难以实现针对运动目标的快速点探测成像。现有的运动补偿方法是通过对参考臂探测器记录的光场强度分布进行平移补偿，装置和方法复杂，且不实用。一般而言，当前研究的点探测成像方法仅适用于对静态目标或者极低速目标成像，针对运动目标成像的点探测成像还属于当前成像研究的热点与难点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何增加成像距离，并提高扫描成像速度，实现运动目标成像或快速运动中对目标的扫描成像。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种线扫描成像装置，所述装置包括线激光源及强度调制模块、光束空间整形模块、线扫描与发射模块、回波收集模块、光强点探测模块、线扫图像重构模块以及图像拼接模块；
所述线激光源及强度调制模块生成强度随机分布的一维探测激光，所述光束空间整形模块用于将所述一维探测激光进行空间整形，然后通过所述线扫描与发射模块以狭长条形的探测激光对目标区域进行照明，并通过所述线扫描与发射模块的线扫描器件实现视场范围内的线扫描，由目标返回的信号由所述回波收集模块进行收集，并利用所述光强点探测模块进行接收，所述光强点探测模块接收到的信号与目标处所述一维探测激光的激光强度分布通过所述线扫图像重构模块进行关联计算实现重构，形成对应于狭长条形探测激光的条状成像结果，并由所述图像拼接模块将所有的所述条状成像结果进行拼接，得到目标区域的成像。
优选地，目标处所述一维探测激光的所述激光强度分布由所述线激光源及强度调制模块上预设的调制信息计算得到。
优选地，所述装置还包括激光分束模块以及一维光强探测模块；
所述激光分束模块置于所述光束空间整形模块、线扫描与发射模块之间，用于对所述光束空间整形模块整形后的激光进行分束，分束得到第一探测激光和第二探测激光，所述第一探测激光通过所述线扫描与发射模块，对目标区域照明，所述第二探测激光被所述一维光强探测模块接收，得到所述第二探测激光的一维激光强度分布信息，并传递给所述线扫图像重构模块；所述线扫图像重构模块根据所述第二探测激光的一维激光强度分布信息计算得到目标物体处对应狭长条形探测激光的强度分布。
优选地，所述线激光源及强度调制模块的线激光源为线阵激光二极管、一维光纤阵列或二维光源经过单方向光斑尺寸压缩得到的一维光源；
所述线激光源的强度调制可通过电源直接调制，或通过声光调制器、电光调制器、数字微镜阵列DMD或液晶附硅LCOS等方式实现。
优选地，所述光强点探测模块为点探测器；所述点探测器是光电二极管、雪崩光电二极管APD或光电倍增管PMT中的一种，用于将光信号转换为电信号；所述一维光强探测模块为线阵电荷耦合元件CCD或线阵互补金属氧化物半导体CMOS探测器。
优选地，所述线扫描与发射模块中的线扫描元件为电控扫描元件，所述的电控扫描元件为扫描振镜或电光偏转器件或声光偏转器件，用于控制光的出射方向；所述线扫描与发射模块中的发射元件包括透镜组或反射镜组或透镜与反射镜的组合，其中透镜组为柱面镜、球面镜、非球面镜或柱面镜、球面镜、非球面镜的任意组合；所述反射镜组为柱面镜、球面镜、非球面镜或柱面镜、球面镜、非球面镜的任意组合。
优选地，所述线激光源及强度调制模块发射连续激光或脉冲激光；
对于所述脉冲激光，所述光强点探测模块探测到的特定时间的反射激光回波与所述目标处的所述一维探测激光的激光强度分布进行关联处理，实现距离选通。
优选地，所述线扫描与发射模块的扫描方式是等间隔扫描或非等间隔抽样扫描；
所述非等间隔抽样扫描通过快速抽样扫描目标的部分特征区域，可以快速识别目标。
优选地，所述线激光源及强度调制模块、光束空间整形模块、线扫描与发射模块、回波收集模块、光强点探测模块、线扫图像重构模块以及图像拼接模块均设置于运动平台上，通过所述运动平台的运动实现对目标区域的扫描。
(三)有益效果
本发明提供了一种线扫描成像装置，本发明采用点探测方式，有效增加成像距离；
发射一维的调制激光照射目标物体，可以实现用更少的采样次数、更短的重建时间获得高质量的目标图像，同时本发明可以降低对强度调制模块、扫描与发射模块以及图像重构模块的要求，降低了系统复杂性，增强了机动性；
对于每次扫描，强度调制模块上预设的调制信息可以重复利用，从而避免因生成更多的调制信息降低调制速度，同时也可减少调制信息需要的存储空间；
采用脉冲激光器发射激光，结合距离选通，可以达到更高的信噪比；
对于特定目标，通过调节线扫描与发射模块的预定规则，只抽样扫描目标的部分特征区域，即可识别目标，可以有效提高目标识别速度。总之，本发明将线阵扫描式照明与点探测相结合，降低了成像系统对回波强度的要求，因此可获得更远的探测距离。同时，基于一维图像重构算法，大幅减少图像重构时间，同时简化调制信息的难度，可用于运动物体成像或快速运动中对目标的扫描成像。
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，下面将对实施例或现有技术描述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。
图1为本发明的一个较佳实施例一的一种线扫描成像装置的结构示意图；
图2为本发明的一个较佳实施例二的一种线扫描成像装置的结构示意图；
图3为本发明的一个较佳实施例三的一种线扫描成像装置的结构示意图；
图4A、4B为非等间隔抽样扫描示意图；
图5为本发明的线扫描成像装置与普通关联成像装置的成像质量对比图；
图6A、6B、6C为相同采样次数时本发明的线扫描成像装置与普通关联成像装置的成像质量对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
本发明公开了一种线扫描成像装置，所述装置包括线激光源及强度调制模块1、光束空间整形模块2、线扫描与发射模块3、回波收集模块4、光强点探测模块5、线扫图像重构模块6以及图像拼接模块7；
所述线激光源及强度调制模块1生成强度随机分布的一维探测激光，所述光束空间整形模块2用于将所述一维探测激光进行空间整形，然后通过所述线扫描与发射模块3以狭长条形的探测激光对目标区域进行照明，并通过所述线扫描与发射模块3的线扫描器件实现视场范围内的线扫描，由目标返回的信号由所述回波收集模块4进行收集，并利用所述光强点探测模块5进行接收，所述光强点探测模块5接收到的信号与目标处所述一维探测激光的激光强度分布通过所述线扫图像重构模块6进行关联计算实现重构，形成对应于狭长条形探测激光的条状成像结果，并由所述图像拼接模块7将所有的所述条状成像结果进行拼接，得到目标区域的成像。
目标处所述一维探测激光的所述激光强度分布由所述线激光源及强度调制模块1上预设的调制信息计算得到。
光强点探测模块5接收到的回波光强信号用Ib表示，目标处光强分布用Ia(x)表示，x表示一维狭长条形光斑内的不同位置，则对应狭长条形探测激光的一维成像结果G(x)通过下式的关联计算得到
G(x)＝〈Ib·Ia(x)〉-〈Ib〉〈Ia(x)〉
其中，〈〉表示多次采样求平均值。沿扫描方向的各个一维成像G(x)拼接得到整个目标的成像结果G(x,y)。
所述线激光源及强度调制模块的线激光源为线阵激光二极管、一维光纤阵列或二维光源经过单方向光斑尺寸压缩得到的一维光源；所述线激光源的强度调制可通过电源直接调制，或通过声光调制器、电光调制器、旋转的毛玻璃、数字微镜阵列DMD或液晶附硅LCOS等方式实现。
所述装置还包括激光分束模块8以及一维光强探测模块9；所述激光分束模块8置于所述光束空间整形模块2、线扫描与发射模块3之间，用于对所述光束空间整形模块2整形后的激光进行分束，分束得到第一探测激光和第二探测激光，所述第一探测激光(分束得到的大部分激光)通过所述线扫描与发射模块3，对目标区域照明，所述第二探测激光被所述一维光强探测模块9接收，得到所述第二探测激光(分束得到的小部分激光)的一维激光强度分布信息，并传递给所述线扫图像重构模块6；所述线扫图像重构模块6根据所述第二探测激光的一维激光强度分布信息计算得到目标物体处对应狭长条形的探测激光的强度分布。
所述光强点探测模块5为点探测器；所述点探测器是光电二极管、雪崩光电二极管APD或光电倍增管PMT中的一种，用于将光信号转换为电信号；所述一维光强探测模块9为线阵电荷耦合元件CCD或线阵互补金属氧化物半导体CMOS探测器。
所述线扫描与发射模块3中的线扫描元件为电控扫描元件，所述的电控扫描元件为扫描振镜或电光偏转器件或声光偏转器件，用于控制光的出射方向；所述线扫描与发射模块3中的发射元件包括透镜组或反射镜组或透镜与反射镜的组合，其中透镜组为柱面镜、球面镜、非球面镜或柱面镜、球面镜、非球面镜的任意组合；所述反射镜组为柱面镜、球面镜、非球面镜或柱面镜、球面镜、非球面镜的任意组合。
所述线激光源及强度调制模块1发射连续激光或脉冲激光；对于所述脉冲激光，所述光强点探测模块5探测到的特定时间的反射激光回波与所述目标处的所述一维探测激光的激光强度分布进行关联处理，实现距离选通。
所述线激光源及强度调制模块1、光束空间整形模块2、线扫描与发射模块3、回波收集模块4、光强点探测模块5、线扫图像重构模块6以及图像拼接模块7均可设置于运动平台10上，通过所述运动平台10的运动实现对目标区域的扫描。所述线扫描与发射模块3可不包括电控扫描元件。
实施例一
图1为本发明的一个较佳实施例一的一种线扫描成像装置的结构示意图，其包括线激光源及强度调制模块1、光束空间整形模块2、线扫描与发射模块3、回波收集模块4、光强点探测模块5、线扫图像重构模块6以及图像拼接模块7。
线激光源及强度调制模块1生成强度随机分布的一维探测激光，光束空间整形模块2用于将一维探测激光进行空间整形，然后通过线扫描与发射模块3以狭长条形的探测激光对目标区域进行照明，并通过其中的线扫描器件实现视场范围内的线扫描，由目标返回的信号由回波收集模块4进行收集，并利用光强点探测模块5进行接收，接收到的点探测信号与目标处光强分布通过线扫图像重构模块6进行关联计算实现重构，并由图像拼接模块7将所有条状成像结果进行拼接，得到目标区域的成像。
光强点探测模块5接收到的回波光强信号用Ib表示，目标处光强分布用Ia(x)表示，x表示一维狭长条形光斑内的不同位置，则对应狭长条形探测激光的一维成像结果G(x)通过下式的关联计算得到
G(x)＝〈Ib·Ia(x)〉-〈Ib〉〈Ia(x)〉
其中，〈〉表示多次采样求平均值。沿扫描方向的各个一维成像G(x)拼接得到整个目标的成像结果G(x,y)。
线激光源及强度调制模块1由线阵激光二极管LD构成，通过电源直接控制各个LD的发光强度，生成强度随机分布的一维探测激光。光强点探测模块5由雪崩光电二极管APD及其配套电路构成，用于将光信号转换为电信号。扫描与发射模块3中的线扫描元件为声光偏转器，用于控制光的出射方向，发射元件由发射透镜组构成。
线激光源及强度调制模块1发射脉冲激光，光强点探测模块5探测到的特定时间的反射激光回波与所述目标物体处的探测激光的激光强度分布进行关联处理，实现距离选通。目标物体处的探测激光的激光强度分布由线激光源及强度调制模块1上预设的调制信息计算得到，该强度分布与光强点探测模块5探测到的特定时间的反射激光回波进行关联计算，得到对应狭长条形区域的目标成像结果。对于每次扫描，线激光源及强度调制模块1上预设的调制信息可以重复利用，从而加快调制速度，并减少调制信息需要的存储空间。
实施例二
图2为本发明的一个较佳实施例二的一种线扫描成像装置的结构示意图。与实施例1的区别在于，增加激光分束模块8以及一维光强探测模块9。激光分束模块8用于对探测激光进行分束，大部分激光用于对目标区域照明，小部分激光被一维光强探测模块9接收，得到光强调制的一维分布信息，并传递给所述线扫图像重构模块6；线扫图像重构模块6由该光强一维分布信息计算得到目标物体处对应狭长条形区域的探测激光的激光强度分布。
线激光源及强度调制模块1由激光光源和数字微镜阵列DMD构成，通过单方向光斑尺寸压缩得到强度随机分布的一维探测激光。光强点探测模块5由光电倍增管PMT及其配套电路构成，用于将光信号转换为电信号。扫描与发射模块3中的线扫描元件为电光偏转器，用于控制光的出射方向，发射元件由发射透镜和反射镜构成。
实施例三
图3为本发明的一个较佳实施例三的一种线扫描成像装置的结构示意图。线激光源及强度调制模块1、光束空间整形模块2、发射模块3、回波收集模块4、光强点探测模块5、线扫图像重构模块6以及图像拼接模块7安装在运动平台10上，随运动平台一同运动。发射模块3不包含扫描元件。通过运动平台10的运动实现发射激光光束的扫描，条形光束扫描覆盖整个成像区域，各个狭长条形区域成像结果拼接得到最终成像结果。对于每次扫描，线激光源及强度调制模块1上预设的调制信息可以重复利用，从而加快调制速度，并减少调制信息需要的存储空间。
图4A、4B为非等间隔抽样扫描示意图；图4A为目标原图像，图4B为非等间隔抽样扫描效果示意图。可见，采用非等间隔抽样扫描，只扫描整个目标的部分区域，也可以识别目标。这种方法的优势在于，可以减少目标识别需要的扫描次数，从而提高成像速度。
图5为本发明的线扫描成像装置与普通关联成像装置的成像质量对比图；图5横轴为总的采样次数，纵轴为成像质量，圆圈标示的曲线为本发明的线扫描成像装置对应的采样次数-成像质量曲线，方块标示的曲线为普通关联成像装置对应的采样次数-成像质量曲线。其中，成像质量用成像结果与目标图像的相关系数表示，相关系数位于0～1之间，越接近1，表示成像结果与目标图像越接近，则成像效果越好。相关系数R为：
其中f(x,y)、g(x,y)分别为两幅图像中坐标为(x,y)的像素的灰度值，分别为两幅图像的灰度均值，m、n分别为图像在长度和宽度方向的像素个数。根据图5可见，相同的采样次数，本发明的线扫描成像装置可以获得比普通关联成像装置好得多的成像质量；相同的成像质量，本发明的线扫描成像装置需要的采样次数比普通关联成像装置少得多。关联计算的时间一般与总的采样次数成正比，本发明的线扫描成像装置可以用较少的采样次数获得高质量的成像结果，意味着关联计算时间可以大大缩减。以图5中的数据为例，对于同样的成像质量R＝0.7，本发明的线扫描成像装置需要采样700次，普通计算机计算时间约0.267秒；普通关联成像装置需要采样次数160000次，同一计算机计算时间约31.213秒。可见，本发明的线扫描成像装置的成像速度可以达到普通关联成像方法的百倍以上。
图6A、6B、6C为相同采样次数时本发明的线扫描成像装置与普通关联成像装置的成像质量对比图。图6A为目标原图像，图6B为总采样次数8000次时本发明的线扫描成像装置成像结果，其与目标原图像的相关系数为R＝0.91，目测成像效果与目标原图像已十分接近；图6C为总采样次数8000次时普通关联成像的成像结果，其与目标原图像的相关系数为R＝0.20，目测成像效果非常模糊。根据相关系数与目测效果，相同的采样次数下，本发明的线扫描成像装置可以获得比普通关联装置好得多的成像效果。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种线扫描成像装置，其特征在于，所述装置包括线激光源及强度调制模块(1)、光束空间整形模块(2)、线扫描与发射模块(3)、回波收集模块(4)、光强点探测模块(5)、线扫图像重构模块(6)、图像拼接模块(7)、激光分束模块(8)以及一维光强探测模块(9)；
所述线激光源及强度调制模块(1)生成强度随机分布的一维探测激光，所述光束空间整形模块(2)用于将所述一维探测激光进行空间整形，然后通过所述线扫描与发射模块(3)以狭长条形的探测激光对目标区域进行照明，并通过所述线扫描与发射模块(3)的线扫描器件实现视场范围内的线扫描，由目标返回的信号由所述回波收集模块(4)进行收集，并利用所述光强点探测模块(5)进行接收，所述光强点探测模块(5)接收到的信号与目标处所述一维探测激光的激光强度分布通过所述线扫图像重构模块(6)进行关联计算实现重构，形成对应于狭长条形探测激光的条状成像结果，并由所述图像拼接模块(7)将所有的所述条状成像结果进行拼接，得到目标区域的成像；
所述激光分束模块(8)置于所述光束空间整形模块(2)、线扫描与发射模块(3)之间，用于对所述光束空间整形模块(2)整形后的激光进行分束，分束得到第一探测激光和第二探测激光，所述第一探测激光通过所述线扫描与发射模块(3)，对目标区域照明，所述第二探测激光被所述一维光强探测模块(9)接收，得到所述第二探测激光的一维激光强度分布信息，并传递给所述线扫图像重构模块(6)；所述线扫图像重构模块(6)根据所述第二探测激光的一维激光强度分布信息计算得到目标物体处对应狭长条形探测激光的强度分布。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，目标处所述一维探测激光的所述激光强度分布由所述线激光源及强度调制模块(1)上预设的调制信息计算得到。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光强点探测模块(5)为点探测器；
所述点探测器是光电二极管、雪崩光电二极管APD或光电倍增管PMT中的一种，用于将光信号转换为电信号；
所述一维光强探测模块(9)为线阵电荷耦合元件CCD或线阵互补金属氧化物半导体CMOS探测器。
4.根据权利要求1至2任一项所述的装置，其特征在于，所述线激光源及强度调制模块(1)的线激光源为线阵激光二极管、一维光纤阵列或二维光源经过单方向光斑尺寸压缩得到的一维光源；
所述线激光源的强度调制可通过电源直接调制，或通过声光调制器、电光调制器、数字微镜阵列DMD或液晶附硅LCOS进行调制。
5.根据权利要求1至2任一项所述的装置，其特征在于，所述线扫描与发射模块(3)中的线扫描元件为电控扫描元件，所述电控扫描元件为扫描振镜或电光偏转器件或声光偏转器件，用于控制光的出射方向；
所述线扫描与发射模块(3)中的发射元件包括透镜组或反射镜组或透镜与反射镜的组合，其中透镜组为柱面镜、球面镜、非球面镜或柱面镜、球面镜、非球面镜的任意组合；
所述反射镜组为柱面镜、球面镜、非球面镜或柱面镜、球面镜、非球面镜的任意组合。
6.根据权利要求1至2任一项所述的装置，其特征在于，所述线激光源及强度调制模块(1)发射连续激光或脉冲激光；
对于所述脉冲激光，所述光强点探测模块(5)探测到的特定时间的反射激光回波与所述目标处的所述一维探测激光的激光强度分布进行关联处理，实现距离选通。
7.根据权利要求1至2任一项所述的装置，其特征在于，所述线扫描与发射模块(3)的扫描方式是等间隔扫描或非等间隔抽样扫描；
所述非等间隔抽样扫描通过快速抽样扫描目标的部分特征区域，可以快速识别目标。
8.根据权利要求1至2任一项所述的装置，其特征在于，所述线激光源及强度调制模块(1)、光束空间整形模块(2)、线扫描与发射模块(3)、回波收集模块(4)、光强点探测模块(5)、线扫图像重构模块(6)以及图像拼接模块(7)均设置于运动平台(10)上，通过所述运动平台的运动实现对目标区域的扫描。
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2015
- 2015-02-13 CN CN201510080990.9A patent/CN105988123B/zh active Active
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