CN109814128A - 时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统及方法，属于光学成像技术领域本发明的系统包括主控电路，离轴抛物反射镜、点探测器、DMD器件、MEMS反射镜、汇聚透镜、脉冲激光器。主控电路包括DMD控制模块、回波信号处理模块、MEMS反射镜驱动模块和激光器驱动模块。本发明公开的法，基于所述系统实现，包括如下步骤：在对视场高频扫描探测的基础上，对比是否出现感兴趣区域，并确定感兴趣区域位置。对感兴趣区域进行高分辨率成像，通过互相关运算得到目标的高分辨信息，至此，完成从高频扫描探测到高分辨成像的全过程。本发明结合TOF一维时域信息与关联成像优势，兼顾大视场探测与高分辨成像，实现时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像。

Description

时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统及方法

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，特别是涉及一种时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统及方法。

背景技术

相比较传统二维成像(被动方式)，三维成像因具有数据信息获取丰富，主动性强、探测距离远等优势广泛应用于遥感探测、无人驾驶、视觉导航等领域，同时，因激光雷达具有穿透遮蔽物(例如：丛林、植被、叶簇等)的能力，所以三维成像激光雷达还可用于遮蔽目标探测方面。目前，基于时间飞行方法(TOF：time-of-flight)的激光雷达三维成像为远距离探测的主流方法，按照有无扫描器件可以分为扫描或者非扫描方式，其中扫描方式虽然能够实现高分辨率成像，但传统的机械扫描方式成像速率低、体积庞大，因此无法同时兼顾高分辨率与成像速率；非扫描方式虽然成像速率快，但大面阵APD探测器阵列难以获取，因此无法实现高分辨率成像。近年来，一种基于关联成像的新型体制三维成像，因具有非局域性好，探测灵敏度高(单光子灵敏度)、高分辨、结构简单(单像素)等优势，可广泛用于诸多成像领域。其基本原理是：光路结构分为两臂，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。单探测器无法对目标成像，因为其能得到目标的光强信息，而参考臂不会直接对目标成像，当这两臂信号进行二阶互相关运算，可得到场景信息。由于该方法是对光强总和测量，且分辨率主要由参考臂的光场采样决定，一方面，该方法可以通过提高光场采样分辨率提高图像重构分辨率，而不再像传统激光雷达需要通过大面阵APD阵列才能实现；另一方面，因采用单点探测器，可获得比面阵或者阵列探测更高的探测灵敏度。为了能够同时满足高分辨获取目标以及大范围探测，传统方法均难以兼顾，例如：Sun Baoqing等人在《science》发表了题为“3D Computational Imagingwith Single-Pixel Detectors”，虽然可以获得高分辨成像，但是成像时间达到数分钟。由此，可看出如何兼顾大视场探测与高分辨成像仍是亟需解决的共性瓶颈。

发明内容

本发明公开的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统及方法要解决的技术问题是：结合TOF一维时域信息与关联成像优势，兼顾大视场探测与高分辨成像，实现时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统，包括主控电路，离轴抛物反射镜、点探测器、DMD器件(Digital mirror device)、MEMS反射镜、汇聚透镜、脉冲激光器。所述主控电路包括DMD控制模块、回波信号处理模块、MEMS反射镜驱动模块和激光器驱动模块。激光器收到主控电路中的激光驱动信号，发射脉冲光束，经过汇聚透镜、MEMS反射镜照射至探测场景，MEMS反射镜收到主控电路中的MEMS反射镜驱动模信号，使得脉冲光束对探测场景进行扫描。由探测场景反射或散射的脉冲光束经过离轴抛物反射镜、DMD器件照射至点探测器，DMD器件有待机与工作两种工作模式，即对应高频扫描探测的待机模式与高分辨成像的工作模式。DMD器件在待机模式下DMD器件等效为常规反射镜，主控电路中回波信号处理模块将不断接收到点探测器的一维回波信号。在完成对视场扫描探测的基础上，通过对比是否出现感兴趣区域，确定感兴趣区域位置。在高分辨成像的工作模式下，按照物象关系调整汇聚透镜的焦距，直至覆盖整个感兴趣区域，主控电路中DMD控制模块控制DMD器件随机调制回波，从而使脉冲激光器、汇聚透镜、MEMS反射镜、离轴抛物反射镜、DMD器件、点探测器组成的光路具备关联成像中的参考臂条件，另一方面，由于点探测器接收到由感兴趣区域的回波与经过DMD器件调制后的光强信息，通过主控电路中回波处理模块得到总光强，所述的总光强等效于关联成像中的探测臂探测到的总光强。

作为优选，是否出现感兴趣区域判断方法为：在感兴趣区域未出现时，回波波形通常以单峰值出现；当出现多峰时，则判定出现感兴趣区域。

其中DMD器件具有工作与待机两种状态，分别对应高频扫描探测与高分辨成像两种方式。

作为优选，为了便于对目标区域无重复、无遗漏地快速扫描，所述使得脉冲光束对探测场景进行扫描优选弓形扫描方式或者环形扫描方式。

本发明公开的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像方法，基于所述时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统实现，包括如下步骤：

步骤一：在完成对视场高频扫描探测的基础上，通过对比是否出现感兴趣区域，并确定感兴趣区域位置。

首先进入高频扫描探测方式，将扫描参数加载至主控电路中的MEMS驱动模块，脉冲光束照射至探测场景，按照从左到右、从上到下的顺序，使得脉冲光束对探测场景进行高频扫描。在高频扫描探测方式中，主控电路中的DMD控制模块不工作，此时，DMD器件等效为常规反射镜，因此，主控电路中回波信号处理模块将不断接收到点探测器的一维回波信号。在完成对视场高频扫描探测的基础上，通过对比判断是否出现感兴趣区域，判断方法为：在感兴趣区域未出现时，回波波形通常以单峰值出现；当感兴趣与出现多峰时，则判定出现感兴趣区域，并记录的感兴趣区域的位置。

步骤二：对步骤一得到的感兴趣区域进行高分辨率成像，通过互相关运算得到目标的高分辨信息，至此，完成从高频扫描探测到高分辨成像的全过程。

对步骤一得到的感兴趣区域进行高分辨率成像，即进入高分辨率关联成像工作模式。按照物象关系调整汇聚透镜的焦距，直至覆盖整个感兴趣区域，此时，主控电路中DMD控制模块控制DMD器件随机调制回波，从而构成计算关联成像中的参考臂条件，另一方面，由于点探测器接收到由感兴趣区域的回波与经过DMD器件调制后的光强信息，通过主控电路中回波处理模块得到总光强，从而构成关联成像结构的探测臂条件，所述的总光强等效于关联成像中的探测臂探测到的总光强。因此，通过对探测臂探测到的总光强和参考臂探测的光强进行互相关运算得到目标的高分辨信息，至此，完成从高频扫描探测到高分辨成像的全过程。

作为优选，所述的互相关运算优选二阶互相关运算。

有益效果：

1、本发明公开的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统及方法，通过对视场高频扫描探测提高探测效率，在完成对视场高频扫描探测的基础上，通过对比是否出现感兴趣区域，并确定感兴趣区域位置。对得到的感兴趣区域进行高分辨率成像，通过互相关运算得到目标的高分辨信息，至此，完成从高频扫描探测到高分辨成像的全过程，即结合TOF一维时域信息与关联成像优势，兼顾大视场探测与高分辨成像，实现时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像。

2、本发明公开的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统及方法，通过时域波形获取对目标实现探测，且通过多波形发现遮蔽目标并对其高分辨成像。

3、本发明公开的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统及方法，采用高频MEMS反射镜扫描，因此能够获得更高的扫描效率。

4、本发明公开的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统及方法，只采用点探测器，在相同激光发射功率的条件下能够获得更高灵敏度。

附图说明

图1为本发明公开的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统的原理图；

图2为本发明公开的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像方法的工作流程图；

图3高频扫描探测方式；

图4一维回波确定感兴趣区域示意图；

图5高分辨关联成像结果。

其中：1-主控电路，2-离轴抛物反射镜，3-点探测器，4-DMD器件，5-MEMS反射镜，6-探测场景，7-汇聚透镜，8-脉冲光束，9-脉冲激光器，10-扫描轨迹，11-激光光斑，12-靶标放大

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。

如图1所示，本实施例公开的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统，包括主控电路1(包含DMD控制模块、回波信号处理模块、MEMS驱动模块、激光驱动模块)，离轴抛物反射镜2，点探测器3，DMD器件4，MEMS反射镜5，汇聚透镜7，脉冲激光器9。激光器9收到主控电路1中的激光驱动信号，发射一脉冲光束8，经过汇聚透镜7、MEMS反射镜照射至探测场景6，MEMS收到主控电路1中的MEMS驱动模块信号，使得脉冲光束8可按照一定方式对探测场景6进行扫描。由探测场景6反射或散射的脉冲光束8经过离轴抛物反射镜2、DMD器件4照射至点探测器3，其中DMD器件有工作与待机两种状态，分别对应扫描探测与高分辨成像两种方式(此工作状态在后面的工作流程详细介绍)。根据不同的状态，通过主控电路1中的回波信号处理部分对回波信号进行不同分析，从而实现大视场探测或高分辨鬼成像。

所述的一种时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像方法，系统工作流程如图2所示，进一步说明不同工作方式：

方式一：高频扫描探测方式

系统开始工作后，首先进入高频扫描探测方式，将扫描参数加载至主控电路1中的MEMS驱动模块，MEMS扫描参数主要是有扫描决定，较为典型的是弓形或者环形扫描，具体加载方式可参见已公开专利“基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统，公开号：CN105158769 A”，本实施例中以弓形扫描为例，行列参数选择10行、10列，共计100个扫描点。如图3所示，脉冲光束8照射至探测场景6，按照从做到右、从上到下的顺序，依次扫描。在高频扫描探测方式中，主控电路1中的DMD控制模块不工作，此时，DMD器件等效为常规反射镜，反射镜口径即为DMD尺寸，本实例中选用10mm×10mm，因此，主控电路1中回波信号处理模块将不断接收到点探测器(本实例选用APD探测器，最低可探测功率10nW，也可以是PMT或者PIN探测器)的一维回波信号，如图4所示。在完成一次对视场扫描探测的基础上，可以通过对比是否出现感兴趣区域的一维波形，确定感兴趣区域位置。原因在于：在感兴趣区域未出现时，回波波形通常以单峰值出现，如图4(a)所示，当感兴趣与出现多峰时，则可以认为出现感兴趣区域，从而进入高分辨成像方式。若未发现感兴趣区域则一直进行扫描探测，直到发现感兴趣区域，进入方式二。

方式二：高分辨率成像方式

根据方式一所述，记录的感兴趣区域的位置，按照物象关系适当调整汇聚透镜7的焦距，直至覆盖整个感兴趣区域，此时，主控电路1中DMD控制模块控制DMD器件4随机调制回波，本实例中选用1080p分辨率，从而构成计算鬼成像中的参考臂条件，另一方面，由于点探测器接收到由感兴趣区域的回波与经过DMD器件4调制后的光强信息，可通过主控电路1中回波处理模块得到总光强，从而构成计算鬼成像结构的探测臂条件。因此，可以通过二阶互相关运算得到目标的高分辨信息，如图5所示。至此，系统完成了一次从高频扫描探测到高分辨成像的全过程。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统，其特征在于：包括主控电路(1)，离轴抛物反射镜(2)、点探测器(3)、DMD器件(Digital mirror device)(4)、MEMS反射镜(5)、汇聚透镜(6)、脉冲激光器(7)；所述主控电路(8)包括DMD控制模块(9)、回波信号处理模块(10)、MEMS反射镜驱动模块(11)和激光器驱动模块(12)；激光器(7)收到主控电路(8)中的激光驱动信号，发射脉冲光束，经过汇聚透镜(6)、MEMS反射镜(5)照射至探测场景，MEMS反射镜(5)收到主控电路中的MEMS反射镜驱动模块(11)信号，使得脉冲光束对探测场景进行扫描；由探测场景反射或散射的脉冲光束经过离轴抛物反射镜(2)、DMD器件(4)照射至点探测器(3)，DMD器件(4)有待机与工作两种工作模式，即对应高频扫描探测的待机模式与高分辨成像的工作模式；DMD器件(4)在待机模式下DMD器件等效为常规反射镜，主控电路(1)中回波信号处理模块将不断接收到点探测器(3)的一维回波信号；在完成对视场扫描探测的基础上，通过对比是否出现感兴趣区域，确定感兴趣区域位置；在高分辨成像的工作模式下，按照物象关系调整汇聚透镜(6)的焦距，直至覆盖整个感兴趣区域，主控电路中DMD控制模块(9)控制DMD器件(4)随机调制回波，从而使脉冲激光器、汇聚透镜、MEMS反射镜、离轴抛物反射镜(2)、DMD器件(4)、点探测器(3)组成的光路具备关联成像中的参考臂条件，另一方面，由于点探测器接收到由感兴趣区域的回波与经过DMD器件(4)调制后的光强信息，通过主控电路中回波处理模块得到总光强，所述的总光强等效于关联成像中的探测臂探测到的总光强。

2.如权利要求1所述的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统，其特征在于：是否出现感兴趣区域判断方法为，在感兴趣区域未出现时，回波波形通常以单峰值出现；当出现多峰时，则判定出现感兴趣区域。

3.如权利要求2所述的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统，其特征在于：其中DMD器件(4)具有工作与待机两种状态，分别对应高频扫描探测与高分辨成像两种方式。

4.如权利要求3所述的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统，其特征在于：所述使得脉冲光束对探测场景进行扫描选弓形扫描方式或者环形扫描方式。

5.时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像方法，其特征在于：基于如权利要求1、2、3或4所述的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像系统实现，包括如下步骤，

步骤一：在完成对视场高频扫描探测的基础上，通过对比是否出现感兴趣区域，并确定感兴趣区域位置；

首先进入高频扫描探测方式，将扫描参数加载至主控电路中的MEMS驱动模块(11)，脉冲光束照射至探测场景，按照从左到右、从上到下的顺序，使得脉冲光束对探测场景进行高频扫描；在高频扫描探测方式中，主控电路中的DMD控制模块(9)不工作，此时，DMD器件(4)等效为常规反射镜，因此，主控电路(1)中回波信号处理模块将不断接收到点探测器的一维回波信号；在完成对视场高频扫描探测的基础上，通过对比判断是否出现感兴趣区域，判断方法为：在感兴趣区域未出现时，回波波形通常以单峰值出现；当感兴趣与出现多峰时，则判定出现感兴趣区域，并记录的感兴趣区域的位置；

步骤二：对步骤一得到的感兴趣区域进行高分辨率成像，通过互相关运算得到目标的高分辨信息，至此，完成从高频扫描探测到高分辨成像的全过程；

对步骤一得到的感兴趣区域进行高分辨率成像，即进入高分辨率关联成像工作模式；按照物象关系调整汇聚透镜的焦距，直至覆盖整个感兴趣区域，此时，主控电路(1)中DMD控制模块(9)控制DMD器(4)件随机调制回波，从而构成计算关联成像中的参考臂条件，另一方面，由于点探测器接收到由感兴趣区域的回波与经过DMD器件(4)调制后的光强信息，通过主控电路中回波处理模块得到总光强，从而构成关联成像结构的探测臂条件，所述的总光强等效于关联成像中的探测臂探测到的总光强；因此，通过对探测臂探测到的总光强和参考臂探测的光强进行互相关运算得到目标的高分辨信息，至此，完成从高频扫描探测到高分辨成像的全过程。

6.如权利要求5所述的时间飞行与关联成像相结合的高分辨快速成像方法，其特征在于：所述的互相关运算选二阶互相关运算。