CN108107441B - 一种可实现测距与鬼成像的一体化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可实现测距与鬼成像一体化装置及方法，属于光电成像技术领域。装置具有三种工作模式，既可以获取目标距离信息，也可以获得目标的二维、三维鬼成像，相比传统鬼成像系统，功能丰富，集成度高。本发明主要采用DMD，脉冲激光器，主控电路及高速时间探测器，其中DMD为核心器件，通过控制它来实现不同的工作模式。通过典型前沿判别法可实现测距功能；利用光强的二阶互相关函数可实现目标的二维鬼成像；结合测距功能与鬼成像功能，设置不同位置切片和切片数量，获得切片位置的目标表面二维分布信息，最后通过图像融合可获得目标的三维鬼成像及其距离信息。

Description

一种可实现测距与鬼成像的一体化装置及方法
技术领域
本发明涉及一种可实现测距与鬼成像一体化装置及方法，属于光电成像技术领域。
背景技术
近年来，三维成像技术因获取方式多样，获得信息更为丰富，越来越多地取代传统二维技术，并应用于工业测量、视觉导航、监控等工业及军用领域。比如，常用三维成像技术包括：基于双目视觉的体式成像方法、基于飞行时间测距原理的三维成像方法、聚焦层析三维成像方法、基于接触式(探针)的轮廓扫描三维成像方法等。相比较传统的基于光学系统的光电成像方法，近期提出的鬼成像技术因对光学成像器件要求低、可突破衍射分辨率极限、抗干扰能力强等优点，成为一种新型成像方法。该方法包括探测臂与参考臂，探测臂为点探测器，参考臂采用阵列探测器，而且多数采用的是(高分辨率)阵列式探测器。单点探测器仅能得到目标散射或反射的光强信息，而参考臂也仅能获取光源的二维光强分布消息，两者都无法直接对目标成像，当这两臂信号进行二阶互相关运算后，能够得到目标散射或反射信息。鬼成像方法与双目体式成像相比，探测距离远且不需要双光路；与基于飞行时间测距原理的三维成像、共聚焦扫描成像和基于接触式(探针)的轮廓扫描相比，不需要扫描器件，成像效率更高，并且为非接触成像方法，不会破坏样本。目前鬼成像主要研究领域由二维成像转为三维成像，已有相关文献验证了三维鬼成像的可能，并通过实验对其验证，比如：W.Gong,C.Zhao等人在Three-dimensional ghost imaging lidar via sparsityconstraint,Scientific Reports,6(2016)26133，通过实验完成了远距离三维成像。此外，在公开专利CN 103363924 A中，俞文凯等人提出了采用了至少4组会聚收光透镜、至少四组与会聚收光透镜对应的点探测器以及算法模块，实现了一种压缩的三维鬼成像系统及方法。然而，目前三维鬼成像系统多通过时间切片方法实现，仅能实现成像功能，无法满足现在对仪器功能多样化的需求。因此，对于简单测量要求，或者粗定位需求，不需立即对目标进行三维鬼成像，而是可以先进行测距，然后再对特定时间切片位置进行三维鬼成像，提高鬼成像系统的功能多样化和系统集成度。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术无法满足仪器功能多样化的需求的问题，提供一种可实现测距与鬼成像的一体化装置及方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种可实现测距与鬼成像的一体化装置。主要包括：主控电路、高速时间相关探测器、脉冲激光器、数字微镜设备(Digital Micromirror Device，DMD)。其中，主控电路包含脉冲激励模块、DMD驱动模块和信号接收模块。脉冲激励模块是用于控制脉冲激光器；DMD驱动模块是用于控制DMD；信号接收模块是用来采集经过目标处理后的回波信息。
本发明同样也提供例如一种可实现测距与鬼成像的方法，具体步骤如下：
步骤一、实现测距功能；光信号照射到DMD，此时DMD当做普通反光镜，将光信号反射至目标，经目标处理后的回波信号被探测器采集，利用前沿判别法即可得到目标距离信息。
步骤二、实现二维鬼成像功能；DMD在外部电路驱动下配合脉冲激光器产生照射目标的散斑光场，光场信息被目标散射或反射后被探测器接收。再将探测器采集到的总光强信息与DMD在目标产生的散斑光强进行二阶互相关运算，即可得到目标的二维信息。
步骤三、实现测距与三维鬼成像功能；通过外部电路控制分时实现步骤一与步骤二中所述功能，测距功能可辅助定位，获取目标当前位置处的二维切片信息。通过设置多个切片点，获得目标多个位置的二维切片图，再将这些二维图像融合即可得到目标的三维图像与相应距离信息。
系统包括3种工作方式：鬼成像模式、测距模式和混合工作模式。
(1)鬼成像模式；DMD在DMD驱动模块的驱动下，配合脉冲激光器产生照射目标的散斑光场，光场信息经过物体表面的反射率二维分布调制后，其散射或反射的总光强信息被高速时间相关探测器接收。根据鬼成像计算原理，将高速时间相关探测器与DMD在目标产生散斑光强进行二阶互相关运算，即可得到目标表面的反射率二维分布信息。
(2)测距模式；若选择为测距模式，则进入测距模式子流程。在该流程中，由主控电路控制脉冲激励模块产生电信号，使得脉冲激光器产生光信号，光信号经DMD反射至目标，此时DMD仅当作普通反射镜，光信号经过物体高度信息调制后，其回波信号被高速时间相关探测器接收。最后，采用典型前沿判别法即可计算得到目标的距离信息。
(3)混合模式；若选择为混合工作模式，并行完成时刻鉴别与回波波形提取。其中，时刻鉴别可获得目标距离信息，回波波形提取可通过设置不同位置切片和切片数量，实现对应各切片位置的目标表面二维分布信息，实时检测切片数量是否达到预设值。最后通过图像融合将距离信息及切片表面二维分布信息融合，可实现目标的三维成像，从而实现了测距与鬼成像功能的一体化。
有益效果
(1)本发明公开的一种可实现测距与鬼成像的一体化装置及方法，具有三种工作模式，既可以获取目标距离信息，也可以获得目标的二维、三维鬼成像，相比传统鬼成像系统，功能丰富，集成度高。
(2)本发明公开的一种可实现测距与鬼成像的一体化装置及方法，不仅可与DMD配合使用，亦可与空间光调制器或与部分相干光使用，具有较强的通用性。
附图说明
图1系统结构图；
图2工作流程图。
1-主控电路，2-脉冲激励模块，3-DMD驱动模块，4-信号接收模块，5-高速时间相关探测器，6-目标，7-脉冲激光器，8-DMD。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
所述的一种可实现测距与鬼成像的一体化装置，如图1所示，包括主主控电路1、高速时间相关探测器5、DMD8，其中，主控电路1包含脉冲激励模块2、DMD驱动模块3、信号接收模块4。由主控电路1控制脉冲激励模块2产生一个电信号9，使得脉冲激光器7产生光信号10，照射至DMD8。同时，主控电路1控制DMD驱动模块3配合脉冲激光器7产生随机散斑光场，照射至目标6；经过目标散射或反射的光信号10被高速时间相关探测器5记录，并送至信号接收模块4。通过在主控电路进行互相关运算，从而实现对目标切片反射率二维分布的复原。
所述的一种可实现测距与鬼成像的方法，具体步骤如下：
步骤一、实现测距功能；光信号照射到DMD，此时DMD当做普通反光镜，将光信号反射至目标，经目标处理后的光信号被探测器采集，利用前沿判别法即可得到目标距离信息。
步骤二、实现目标二维鬼成像功能；DMD在外部电路驱动下配合脉冲激光器产生照射目标的散斑光场，光场信息被目标调制后被探测器接收。探测器采集到的总光强信息与DMD在目标产生的散斑光强进行二阶互相关运算，即可得到目标的二维信息。
步骤三、实现测距与三维鬼成像功能；通过外部电路控制DMD,分时实现步骤一与步骤二中所述功能，测距功能可辅助定位，获取目标当前位置处的二维切片信息。通过设置多个切片点，获得目标多个位置的二维切片图，再将这些二维图像融合即可得到目标的三维图像与相应距离信息。
根据上述原理，结合系统工作流程图2，进一步详细说明系统的三种不同的工作模式。
步骤一：工作模式选择。系统包括3种工作模式:(1)鬼成像模式；(2)测距模式；(3)混合模式。
步骤二：具体工作模式。
(A)若选择鬼成像工作模式。首先，驱动DMD8完成随机光斑生成。DMD8受到DMD驱动模块3的驱动，并配合脉冲激光器7产生照射目标的散斑光场，记为
Figure BDA0001566099640000051
则有
Figure BDA0001566099640000052
其中，k0＝2π/λ为波数，λ为光束波长，
Figure BDA0001566099640000053
为光源光场，L为DMD到目标的距离，L/c为系统距目标L对应的延时，c为光束传播速度。高速时间相关探测器5接收的光场记为
Figure BDA0001566099640000054
则有
Figure BDA0001566099640000055
Figure BDA0001566099640000056
为目标反射函数，
Figure BDA0001566099640000057
为散斑光场，可通过式(1)计算。因此，由DMD8形成散斑强度分布，记为
Figure BDA0001566099640000058
则有
Figure BDA0001566099640000059
其中，E*()为E的共轭。同理，由高速时间相关探测器5接收的光强为
Figure BDA0001566099640000061
Figure BDA0001566099640000062
为DMD显示屏上的坐标位置。利用ρ(r’)服从0阶高斯分布，可将上式化简为
Figure BDA0001566099640000063
其中，A为探测器面积，
Figure BDA0001566099640000064
代表目标光强的反射透射函数，
其次，结合随机光场分布和点探测器信息，进行强度互相关运算。根据鬼成像计算原理，记G(r1)为高速时间相关探测器5与DMD8在目标6产生散斑光场的二阶互相关函数，则有
Figure BDA0001566099640000065
其中，<.>为系综平均。将式(3)、(5)带入(6)可得
Figure BDA0001566099640000066
其中，P(t)为脉冲光源7光强，a代表光强为中心光强1/e2处的光束半径，ξ为横向相干长度。其服从高斯光强分布，可表示为：
Figure BDA0001566099640000067
其中，P0为峰值功率，最大可达100W，τ为发射脉冲宽度20ns。
通过以上运算，即可获取目标5的切片二维反射率信息。
(B)若选择为测距模式。在该模式中，DMD8受到DMD驱动模块3的驱动，将脉冲激光器7产生的光脉冲反射至目标6，此时DMD8仅当作普通反射镜。高速时间相关探测器5接收到回波。随后，采用常规的前沿判别法即可获得目标的距离信息。最后，再次判断是否当前为混合工作模式，如果为测距模式，则直接输出目标距离结果。
(C)若选择为混合工作模式。首先，并行完成时刻鉴别与回波波形提取。其中时刻鉴别如(B)中所述方法，得到目标距离信息。回波波形提取方法简述如下：考虑到脉冲光源一般服从高斯光强分布，用式(8)表示，而高速时间相关探测器5得到的回波波形如式(9)表示。
Figure BDA0001566099640000071
Ta为单程大气通过率，To为光学系统效率，ρr为目标反射率，τr为脉冲宽度，Et为发射的光源光场，R为DMD距目标的距离，w0为束腰半径，w(z)为光束传播距离z处的光束半径，λ为光束波长，θ为目标与光轴垂直方向的夹角。
通过设置切片数量、采样数量，可实现对回波信号的切片化处理。其中，设置切片数量，记为n，不小于100，每个切片中的采样数量，记为M，不小于10000次，记为M＝10000。则第i(i<n)个切片的反射率二维分布信息为：
Figure BDA0001566099640000072
随后，循环判断当前切片数是否等于设置的切片数量，直到完成所有切片的反射率二维分布信息复原，跳出循环。最后，100个目标切片的反射率二维分布信息与测量距离经过融合，形成集目标6的距离与切片反射率二维分布信息于一体的多功能信息采集。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种可实现测距与鬼成像的一体化装置，其特征在于：包括：主控电路、高速时间相关探测器、脉冲激光器、数字微镜设备；其中，主控电路包含脉冲激励模块、数字微镜设备驱动模块和信号接收模块；脉冲激励模块是用于控制脉冲激光器；数字微镜设备驱动模块是用于控制数字微镜设备；信号接收模块是用来采集经过目标处理后的回波信息；
基于上述装置实现测距与鬼成像的方法，具体步骤如下：
步骤一、实现测距功能；光信号照射到数字微镜设备，此时数字微镜设备当做普通反光镜，将光信号反射至目标，经目标处理后的回波信号被探测器采集，利用前沿判别法即可得到目标距离信息；
步骤二、实现二维鬼成像功能；数字微镜设备在外部电路驱动下配合脉冲激光器产生照射目标的散斑光场，光场信息被目标散射或反射后被探测器接收；再将探测器采集到的总光强信息与数字微镜设备在目标产生的散斑光强进行二阶互相关运算，即可得到目标的二维信息；
步骤三、调控数字微镜设备，重复步骤一或者步骤二，以实现测距与三维鬼成像功能；测距功能辅助定位，获取目标当前位置处的二维切片信息；通过设置多个切片点，获得目标多个位置的二维切片图，再将这些二维图像融合即得到目标的三维图像与相应距离信息。
2.如权利要求1所述的一种可实现测距与鬼成像的一体化装置，其特征在于：
装置包括3种工作方式：鬼成像模式、测距模式和混合工作模式；
(1)鬼成像模式；数字微镜设备在数字微镜设备驱动模块的驱动下，配合脉冲激光器产生照射目标的散斑光场，光场信息经过物体表面的反射率二维分布调制后，其散射或反射的总光强信息被高速时间相关探测器接收；根据鬼成像计算原理，将高速时间相关探测器与数字微镜设备在目标产生散斑光强进行二阶互相关运算，即可得到目标表面的反射率二维分布信息；
(2)测距模式；若选择为测距模式，则进入测距模式子流程；在该流程中，由主控电路控制脉冲激励模块产生电信号，使得脉冲激光器产生光信号，光信号经数字微镜设备反射至目标，此时数字微镜设备仅当作普通反射镜，光信号经过物体高度信息调制后，其回波信号被高速时间相关探测器接收；最后，采用典型前沿判别法即可计算得到目标的距离信息；
(3)混合模式；若选择为混合工作模式，并行完成时刻鉴别与回波波形提取；其中，时刻鉴别可获得目标距离信息，回波波形提取可通过设置不同位置切片和切片数量，获得对应各切片位置处的目标表面二维分布信息，实时检测切片数量是否达到预设值；最后通过图像融合将距离信息及切片表面二维分布信息融合，可实现目标的三维成像，从而实现了测距与鬼成像功能的一体化。
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