CN106791497B - 一种脉冲增益调制式单像素三维成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种脉冲增益调制式单像素三维成像系统及方法，涉及三维成像技术，目的是为了满足三维成像技术的发展需求。本发明利用脉冲激光器作为照明光源，用光场调制器将发射光调制为空间随机分布的散斑光场去照明目标，用单元时间分辨探测器收集从目标上返回的所有光信号，利用探测器的调制增益对信号的时间信息进行编码，经积分器累积传给计算机进行保存，同时记录散斑光场的随机分布，多次改变随机散斑场，分别进行记录，最终可解算出目标的三维像。该方法不需要对信号进行高速采样，大大地减小了系统的硬件开销，同时提高了系统的成像速度，而且使系统的分辨率摆脱了高速采样带宽的限制。
Description
技术领域
本发明涉及三维成像技术。
背景技术
目前常用的二维光学成像手段都是基于CCD、CMOS这样的阵列探测器。而三维光学成像(三维图像也称为距离图像，三维即X、Y、X三个维度)的实现目前仍是比较困难的问题。因为CCD、CMOS这样的成熟阵列都属于积分器件，只能探测光信号的强度，而无法分辨光信号的时间信息。而具有时间分辨能力的光探测器阵列如APD阵列的技术还不够成熟，不仅价格昂贵、而且目前商用的只有32*32这样的小阵列，很难实现高分辨的三维成像。今年来出现的单像素成像相机为这一需求提供了一条有希望的解决途径。目前大多数的单像素成像技术是面向二维成像的，少数三维单像素成像技术都需要对信号进行高速采样、后续要对大量的数据进行复杂的运算，极大地增加了系统的硬件开销，同时降低了系统的成像速度，而且系统的分辨率受到高速采样带宽的限制。
发明内容
本发明的目的是为了满足三维成像技术的发展需求，提供一种脉冲增益调制式单像素三维成像系统及方法。
本发明所述的一种脉冲增益调制式单像素三维成像系统包括脉冲激光器1、单元探测器2、光场调制器3、扩束光学系统4、发射/接收光学系统5、电压调制源6、放大器7和积分器8；
脉冲激光器1用于产生脉冲激光，所述脉冲激光通过扩束光学系统4扩束后入射至光场调制器3；
所述光场调制器3用于在计算机10产生的随机矩阵的控制下产生随机光场，该光场通过发射/接收光学系统5发射出去，对目标进行照明；
发射/接收光学系统5接收目标返回的光波；
单元探测器2用于对返回的光波进行光电转换；
电压调制源6用于在计算机10的控制下产生单调变化的增益调制信号，该调制信号用于对单元探测器2输出的探测信号进行调制；
调制后的探测信号经放大器7放大后再经积分器8进行积分，积分结果发送至计算机10。
本发明所述的一种脉冲增益调制式单像素三维成像方法为：
步骤一、光源产生的脉冲激光发射至光场调制器3上；
所述光场调制器3在计算机10产生的随机矩阵的控制下产生随机图样，进而产生随机光场，该光场用于对目标进行照明；
采用单元探测器2探测目标返回的光波；
步骤二、利用电压调制源6产生单调变化的增益调制信号，并利用该调制信号对单元探测器2输出的探测信号进行调制，信号强度与时间一一对应，相当于将接收信号的时间信息转化为强度信息；
步骤三、对调制后的探测信号放大后再积分；
计算机10每改变一次随机矩阵，便得到一个积分值；
多个随机矩阵构成随机散斑序列，多个积分值构成积分值序列；
将随机散斑序列与积分值序列进行相关运算或压缩感知运算，得到的图像矩阵为调制增益编码图像矩阵；
步骤四、利用电压调制源6产生常数调制信号，并利用该调制信号对单元探测器2输出的探测信号进行调制，然后采用步骤三同样的方法，将随机散斑序列与积分值序列进行相关运算或压缩感知运算，得到图像矩阵，该图像矩阵为常数增益编码图像矩阵；
步骤五、将调制增益编码图像矩阵中的每个元素与常数增益编码图像矩阵中对应的元素相除，根据增益调制信号和常数调制信号的数学表达式对相除后得到的结果进行反向推导，得到接收信号与发射信号之间的延时，再根据时间与距离的关系计算得到每个像素的距离，所有像素的距离数据构成的矩阵为三维图像矩阵，根据所有像素的距离数据得到三维图像。
本发明利用脉冲激光器作为照明光源，用光场调制器将发射光调制为空间随机分布的散斑光场去照明目标，用单元时间分辨探测器收集从目标上返回的所有光信号，利用探测器的调制增益对信号的时间信息进行编码，经积分器累积传给计算机进行保存，同时记录散斑光场的随机分布，多次改变随机散斑场，分别进行记录，最终可解算出目标的三维像。该方法不需要对信号进行高速采样，大大地减小了系统的硬件开销，同时提高了系统的成像速度，而且使系统的分辨率摆脱了高速采样带宽的限制。
附图说明
图1为实施方式一所述的一种脉冲增益调制式单像素三维成像系统的原理框图，其中11表示发射光场，12表示接收光场；
图2为实施方式二中发射信号、接收信号、增益调制信号以及编码信号的波形图，t1和t2分别表示两个目标接收信号相对于发射信号的时间延迟；
图3为实施方式二中三维图像解算过程的原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种脉冲增益调制式单像素三维成像系统，包括脉冲激光器1、单元探测器2、光场调制器3、扩束光学系统4、发射/接收光学系统5、电压调制源6、放大器7和积分器8；
脉冲激光器1用于产生脉冲激光，所述脉冲激光通过扩束光学系统4扩束后入射至光场调制器3；
所述光场调制器3用于在计算机10产生的随机矩阵的控制下产生随机光场，该光场通过发射/接收光学系统5发射出去，对目标进行照明；
发射/接收光学系统5接收目标返回的光波；
单元探测器2用于对返回的光波进行光电转换；
电压调制源6用于在计算机10的控制下产生单调变化的增益调制信号，该调制信号用于对单元探测器2输出的探测信号进行调制；
调制后的探测信号经放大器7放大后再经积分器8进行积分，积分结果发送至计算机10。
本实施方式利用脉冲激光器1作为照明光源，脉冲激光器1可以由计算机10脉控制，脉冲宽度低于ns量级以下，单元探测器2采用具有时间分辨能力的器件如APD，光电倍增管等。光场调制器3可选用液晶空间光调制器或数字微镜阵列(DMD)等。电压调制源6可产生电压随时间单调变化的各种函数形式，如线性调制、指数调制、平方调制等。
上述三维成像系统分为发射和接收两个部分。如图1所示，发射部分由脉冲激光器1、扩束光学系统4、光场调制器3和发射/接收光学系统5组成。脉冲激光器1出射的激光束经扩束光学系统4扩束后，打在光场调制器3上。光场调制器3是发射部分的核心部件，用于实现对发射光场发射图样的控制。本方案中是通过计算机10产生随机矩阵，实时将随机矩阵传输到光场调制器3的内存中，令光场调制器3实时更新随机图样，从而使发射光场产生随机分布的散斑图样。发射光场经发射/接收光学系统5发射后对目标进行照明。系统的接收部分由单元探测器2、放大器7、积分器8、电压调制源6和发射/接收光学系统5构成。目标上的散射光被发射/接收光学系统5汇聚到单元探测器2上进行光电转换。单元探测器2可选用高增益的高速雪崩二极管APD，配有高增益的跨阻放大器7，可实现较高的探测灵敏度。单元探测器2的增益受到电压调制源6的控制，而电压调制源6在计算机10的控制下产生单调变化的电压信号，控制单元探测器2产生单调变化的增益。该增益对回波信号的时间信息进行编码，将时间信息转化为强度信息。具体时序如图2所示。
光场调制器3每改变一次随机图样，积分器8就完成一次信号积分，并将积分结构发送给计算机10。经过成百上千次的图样改变和信号积分，最终通过将图样数据(即随机矩阵)和积分数据进行数学运算，就可将目标的编码图像解算出来。对于该种调制方式，需要两幅不同的编码图像才可以将目标的三维距离像解算出来。具体的解算流程如图3所示。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种脉冲增益调制式单像素三维成像方法可以采用实施方式一所述的系统实现，所述方法为：
步骤一、光源产生的脉冲激光(即发射信号)经过扩束光学系统4扩束后，通过发射系统发射至光场调制器3上；
所述光场调制器3在计算机10产生的随机矩阵的控制下产生随机图样(即随机矩阵)，进而产生随机光场，该光场用于对目标进行照明；
接收系统接收目标返回的光波，并将该光波汇聚至单元探测器2上；
采用单元探测器2探测目标返回的光波；
步骤二、利用计算机10控制电压调制源6产生单调变化的增益调制信号，并利用该调制信号对单元探测器2输出的探测信号(即接收信号)进行调制，由于该调制信号随时间单调变化(例如图2中的锯齿波调制信号，该信号在一个周期内呈线性变化)，信号强度与时间一一对应，相当于将接收信号的时间信息转化为强度信息；
步骤三、对调制后的探测信号放大后再积分；
计算机10每改变一次随机矩阵，便得到一个积分值；
多个随机矩阵构成随机散斑序列，多个积分值构成积分值序列；
将随机散斑序列与积分值序列进行相关运算或压缩感知运算，得到的图像矩阵为调制增益编码图像矩阵，该矩阵中包含目标的距离信息；
步骤四、利用电压调制源6产生常数调制信号(即波形为直线的信号)，并利用该调制信号对单元探测器2输出的探测信号进行调制，然后采用步骤三同样的方法，将随机散斑序列与积分值序列进行相关运算或压缩感知运算，得到二维图像矩阵，该图像矩阵为常数增益编码图像矩阵；
步骤五、将调制增益编码图像矩阵中的每个元素与常数增益编码图像矩阵中对应的元素相除，根据增益调制信号和常数调制信号的数学表达式对相除后得到的结果进行反向推导，得到接收信号与发射信号之间的延时，再根据时间与距离的关系计算得到每个像素的距离，所有像素的距离数据构成三维图像。
例如增益调制信号采用图2中的锯齿波信号，其一个周期内的波形表达式为at+b的形式，a是斜率，b是截距，t是时间，常数调制信号的波形表达式为常数d，步骤五中的相除结果为e，那么e应满足e＝(at+b)/d，根据该公式计算得到t的值。最后根据距离等于时间与光速的乘积计算出距离，所有像素的距离数据构成的矩阵为三维图像矩阵。
Claims (3)
1.一种脉冲增益调制式单像素三维成像系统，其特征在于，包括脉冲激光器(1)、单元探测器(2)、光场调制器(3)、扩束光学系统(4)、发射/接收光学系统(5)、电压调制源(6)、放大器(7)和积分器(8)；
脉冲激光器(1)用于产生脉冲激光，所述脉冲激光通过扩束光学系统(4)扩束后入射至光场调制器(3)；
所述光场调制器(3)用于在计算机(10)产生的随机矩阵的控制下产生随机光场，该光场通过发射/接收光学系统(5)发射出去，对目标进行照明；
发射/接收光学系统(5)接收目标返回的光波；
单元探测器(2)用于对返回的光波进行光电转换；
电压调制源(6)用于在计算机(10)的控制下产生单调变化的增益调制信号，该调制信号用于对单元探测器(2)输出的探测信号进行调制；
调制后的探测信号经放大器(7)放大后再经积分器(8)进行积分，积分结果发送至计算机(10)。
2.一种脉冲增益调制式单像素三维成像方法，其特征在于，该方法为：
步骤一、光源产生的脉冲激光发射至光场调制器(3)上；
所述光场调制器(3)在计算机(10)产生的随机矩阵的控制下产生随机图样，进而产生随机光场，该光场用于对目标进行照明；
采用单元探测器(2)探测目标返回的光波；
步骤二、利用电压调制源(6)产生单调变化的增益调制信号，并利用该调制信号对单元探测器(2)输出的探测信号进行调制，信号强度与时间一一对应，相当于将接收信号的时间信息转化为强度信息；
步骤三、对调制后的探测信号放大后再积分；
计算机(10)每改变一次随机矩阵，便得到一个积分值；
多个随机矩阵构成随机散斑序列，多个积分值构成积分值序列；
将随机散斑序列与积分值序列进行相关运算或压缩感知运算，得到的图像矩阵为调制增益编码图像矩阵；
步骤四、利用电压调制源(6)产生常数调制信号，并利用该调制信号对单元探测器(2)输出的探测信号进行调制，然后采用步骤三同样的方法，将随机散斑序列与积分值序列进行相关运算或压缩感知运算，得到图像矩阵，该图像矩阵为常数增益编码图像矩阵；
步骤五、将调制增益编码图像矩阵中的每个元素与常数增益编码图像矩阵中对应的元素相除，根据增益调制信号和常数调制信号的数学表达式对相除后得到的结果进行反向推导，得到接收信号与发射信号之间的延时，再根据时间与距离的关系计算得到每个像素的距离，根据所有像素的距离数据得到三维图像。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述增益调制信号为锯齿波信号。
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