CN112965080B - 闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像方法、系统及装置 - Google Patents

闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像方法、系统及装置 Download PDF

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Abstract

闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像方法、系统及装置，属于面阵激光成像领域及计算成像领域。为了解决解决目前单狭缝条纹管激光成像的扫描问题和多狭缝条纹管成像技术景深小及距离分辨率不高的问题。本发明所述方法首先发出激光脉冲，通过DMD进行空间调制，DMD保持反射率为1，无狭缝条纹相机的斜坡电压不加载，获得目标的完整强度像；然后开启无狭缝条纹相机斜坡电压，DMD进行随机值将激光空间调制，并无狭缝条纹相机继续采集k‑1幅图像；对于目标无狭缝条纹相机图像，利用S＝LA·I·D解算出该列的位置矩阵LA；在利用位置矩阵LA解算出每列距离像，将各列距离像排列反演为完整距离像。主要用于激光面阵成像。

Description

闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像方法、系统及装置
技术领域
本发明涉及三维面阵成像方法，属于面阵激光成像领域及计算成像领域。
背景技术
随着时代的变革与科技的进步，闪光式激光成像技术已经成为许多军事民用领域中不可替代的重要组成部分。由于闪光式激光成像技术探测距离，且能同时够提供目标的精准的三维图像(二维图像+距离像/深度像)以及强度图像被广泛地应用于航天探测、地形测绘、海洋探测、汽车自动驾驶、机器视觉、医疗成像等各种工业领域。然而，作为目前工业上应用的典型代表，闪光式激光成像仍采用点云或者列扫描式的方式，造成成像帧频数较低，现已经成为闪光式激光成像技术的“瓶颈”。
闪光式激光成像技术是利用激光器发射脉冲光，经目标反射由探测器接收从而利用获得的光子飞行时间进行测距的一种ToF(Time of Flight)成像方法。闪光式激光面阵成像技术具有大视场、较高帧频，成像距离远等优势。随着激光脉宽压缩技术的发展，可以使激光器在更短的脉冲时间(ns级)内获得较高的激光瞬时功率(MW级)，因此面阵闪光式激光成像技术的作用距离可以达到几公里到十几公里级，而其距离分辨率可达厘米级。
适用于闪光式激光面阵三维远距离成像技术的条纹相机(Streak Camera，又称为条纹管、条纹变像管)是一种瞬态光学器件，由于其能够获得光子的飞行时间和光子数，被应用于远距离闪光式激光三维面阵成像领域。目前分为单狭缝条纹管激光成像体制和多狭缝条纹管激光成像体制。单狭缝条纹管激光成像技术，是将激光整形为线列光斑通过扫描装置或者搭载运动体自身运动进行推扫获得目标的完整图像。因此，其需要多帧条纹像重构出一幅完整目标图像。获得一幅完整图像时间取决于探测空域及线型激光宽度。其图像经常由于扫描系统配合或运动平台异常发生扭曲畸变。此外，对于地形测绘光束成像的重复率的要求，大大降低了成像帧频数。而多狭缝条纹管激光成像技术，可以做到单帧成像，但其是将整个光阴极分成几个小区域，相当于降低了激光成像的距离分辨率或景深。并且从接收光学系统焦平面处需要利用光锥变换或者进行光纤耦合，易造成图像的扭曲畸变，且大大降低了回波功率，影响成像距离。因此，倘若能够使条纹相机激光成像技术摆脱扫描体制，且利用少帧频的条纹像获得较大景深和较高距离分辨率的完整目标图像，将是闪光式条纹相机激光面阵成像技术的一次创新。
发明内容
本发明为了解决解决目前单狭缝条纹管激光成像的扫描问题和多狭缝条纹管成像技术景深小及距离分辨率不高的问题。
闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像方法，包括以下步骤：
s1、发出激光脉冲，然后通过DMD进行空间调制，DMD保持反射率为1，无狭缝条纹相机的斜坡电压不加载，获得目标的完整强度像；所述DMD即空间光调制器；
s2、开启无狭缝条纹相机斜坡电压，DMD进行随机值将激光空间调制，并无狭缝条纹相机继续采集k-1幅图像；
s3、对于目标无狭缝条纹相机图像，利用公式S＝LA·I·D解算出该列的位置矩阵LA；
其中，S为无狭缝条纹相机中每列的强度值矩阵；I为目标的强度像矩阵；D为DMD每次改变反射率的值矩阵；k表示测量的次数；
s4、利用位置矩阵LA解算出每列距离像；
s5、将各列距离像排列反演为完整距离像。
进一步地，利用位置矩阵LA解算出每列距离像的过程包括以下步骤：
利用位置矩阵LA，通过如下公式解算出该列距离像：
其中，表示第y0列距离像。
闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像系统，所述系统用于执行所述的闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像方法。
闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像装置，所述装置包括一台计算机，所述计算机用于存储和/或运行闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像系统。
进一步地，所述装置还包括：激光器、发射光学系统、空间光调制器、接收光学系统、无狭缝条纹相机和同步延时电路；空间光调制器即DMD；
激光器发出激光脉冲，同时触发同步信号；激光脉冲经由发射光学系统进行准直，通过DMD进行空间调制，照射到视场中的目标上；
同步信号经由同步延时电路触发无狭缝条纹相机；
激光脉冲由目标反射，并由接收光学系统接收后由无狭缝条纹相机在焦平面处进行成像；
最后的图像都传给计算机，计算机利用收到的图像和控制的DMD图形反演完整距离像。
有益效果：
本发明将立足于航天激光面阵三维成像探测需求，基于条纹相机激光成像原理，对于目标的距离像和强度像进行研究，利用计算成像方法对于激光进行空间调制，从而利用少帧频条纹像，反演重构目标真的的距离像和强度像。以解决目前单狭缝条纹管激光成像的扫描问题和多狭缝条纹管成像技术景深小及距离分辨率不高的问题；同时利用本发明可以实现远距离闪光式激光面阵成像。
附图说明
图1为闪光式无狭缝条纹管激光面阵成像示意图；
图2(A)和图2(B)为四棱锥目标的强度像和三维距离像；
图3(A)、图3(B)、图3(C)为目标的单行成像(距离像、强度像、条纹相机图像)示意图；
图4为条纹相机中四棱锥图像；
图5为场景目标的强度像、条纹图像；其中图5(A)为场景目标的强度像，图5(B)为强度像的第10列强度值；图5(C)为无狭缝条纹相机图像，图5(D)为无狭缝条纹相机图像的第10值；
图6为矩阵运算示意图；
图7为反演解算的单列距离像和整体目标三维距离像；其中图7(A)为第10列距离像，图7(B)为整体目标三维距离像；
图8为闪光式无狭缝条纹管激光面阵三维成像原理样机搭建示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：
本实施方式为一种闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像方法。
无狭缝条纹相机相当于将单狭缝条纹相机的狭缝去掉。因此，无狭缝条纹相机中所得到的图像，相当于在视场空间内全部的条纹像同一时刻叠加到荧光屏上。如图1所示，利用闪光式无狭缝条纹管激光面阵三维成像系统对于空间内一四棱锥目标进行成像。假定激光脉冲面光，且激光照射功率在视场内均匀分布。
假定目标表面符合朗伯体散射分布，则三棱锥各面的反射能量与该面的法向量与竖直夹角的余弦值成正比。四棱锥目标原始的距离像和强度像如图2(A)和图2(B)所示。在目标上任取一点Z，则目标上点Z在距离像上可以表示为(x0，y0，r0)。其中，x0表示Z点位于行数；y0表示Z点位于列数；r0表示Z点的高度值。如图3所示，Z点在其强度像上可以表示为(x0，y0，i0)，i0表示Z点的反射强度。而在无狭缝条纹相机中，所得到的图像则可以表示为(x0+r0，y0，i0)。
对于无狭缝条纹管相机中，所获得的四棱锥目标图像，应为这些所有目标点的叠加。四棱锥目标的无狭缝条纹相机图像如图4所示。由此可见，无狭缝条纹相机中所得到的图像与单狭缝相比，并不是一一对应的。其中某一点的强度值可能是由目标上几个点叠加而成。因此，如单狭缝条纹相机那样欲将条纹相机的图像一次性反演为目标的距离像和强度像是不现实的。因此，本发明采用将激光空间调制并多次测量的方法，对无狭缝条纹相机中目标的三维距离像和强度像进行解算反演。
由上述对于闪光式无狭缝激光面阵三维成像机理，获得目标的三维距离像和强度像与无狭缝条纹相机中所得图像的关系。由于无狭缝条纹相机中所得图像与目标三维距离像和强度像映射存在一对多的关系，因此本发明利用计算成像领域中激光空间调制和多次测量的方法，对目标三维距离像和强度像进行解算。
在目标三维距离像和强度像与无狭缝条纹相机图像的对应关系中，可知无狭缝条纹相机中任一列图像S(：，y0)中，其与目标的该列强度像I(：，y0)存在一定的关系，即：
其中，S(：，y0)表示无狭缝条纹相机中y0列的强度值；I(：，y0)表示目标强度像的第y0列；k×k的方矩阵表示将强度像I中y0列的强度值按照距离像的规则进行叠加的顺序，因此可以成为位置矩阵(Location Array)，简称LA矩阵。位置矩阵中元素均为0或1，且每列中只含有一个1元素，其余均为0。
在公式(1)中，我们可知目标的距离像与位置矩阵有直接关系。即：目标的强度像的叠加规则是由目标的三维距离像决定的。且我们可以得到位置矩阵与目标三维距离像的关系：
其中，R(：，y0)表示第y0列距离像；LAT为位置矩阵的转置。
可见，如果能够求解位置矩阵，将可以对目标的三维距离像进行解算。
利用计算成像领域选择空间光调制器(DMD)对于激光进行空间调制，可以得到每一脉冲目标不同的强度像。则对于任一列目标无狭缝条纹相机图像，公式(1)可改写为：
其中，d为DMD每次改变反射率的值矩阵；k表示测量的次数。
由行列式理论可以知道，欲求解位置矩阵LA，测量次数应不低于k次。并且必要条件是目标的强度像已知。
本实施方式所述的一种闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像方法，包括以下步骤：
s1、在成像过程中的第一帧图像，DMD保持反射率为1(即全反)，无狭缝条纹相机的斜坡电压不加载，则获得目标的完整强度像。
s2、开启无狭缝条纹相机斜坡电压，DMD进行随机值将激光空间调制，并无狭缝条纹相机继续采集k-1幅图像。
s3、逐列利用公式(3)，解算出该列的位置矩阵LA。
s4、利用公式(2)，利用位置矩阵LA，解算出该列距离像。
s5、将各列距离像排列反演为完整距离像。
实施例
按照上述方案，对固定场景目标进行仿真。首先不开启无狭缝条纹相机的斜坡电压，得到目标的强度像，如图5(A)所示。图5为场景目标的强度像、条纹图像；其中图5(A)为场景目标的强度像，图5(B)为强度像的第10列强度值；图5(C)为无狭缝条纹相机图像，图5(D)为无狭缝条纹相机图像的第10值；
然后，开启无狭缝条纹相机斜坡电压是无狭缝条纹相机正常工作，开启DMD将激光调制为随机矩阵且通过同步信号保持DMD与无狭缝条纹相机采集数据信号一致。采集图像帧数共计12帧。对于每帧图像的同一列(如：第10列，如图5所示)，按照公式(3)计算LA矩阵，如图6所示。再利用公式(2)以及所求得的LA矩阵，解算出该列距离像，如图7(A)所示。最终，将各列的距离像进行重构反演为目标的三维距离像，如图7(B)所示。
具体实施方式二：
本实施方式为一种闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像系统，所述系统用于执行一种闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像方法。
具体实施方式三：
本实施方式为一种闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像装置。
实现具体实施方式一或二，需要搭建一种闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像装置。在搭建实验样机的同时，对于该实验样机的成像参数进行测试，为将该装置进行远距离目标成像应用，提供技术支撑。
本实施方式所述一种闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像装置，如图8所示，具体包括：激光器、发射光学系统、空间光调制器、接收光学系统、无狭缝条纹相机和同步延时电路；空间光调制器即DMD；
激光器发出激光脉冲，同时触发同步信号；激光脉冲经由发射光学系统进行准直，通过DMD进行空间调制(其过程需要计算机控制，因此DMD每次的调制图形都是已知的)，照射到视场中的目标上；
同步信号经由同步延时电路触发无狭缝条纹相机；延时电路是为了对目标进行距离选通；
激光脉冲由目标反射，并由接收光学系统接收后由无狭缝条纹相机在焦平面处进行成像；无狭缝条纹相机的工作原理：由光阴极激发光电子，经由MCP进行放大，再由斜坡电压偏转，轰击荧光屏，由触发信号控制CCD接收。
最后的图像都传给计算机，计算机利用收到的图像和控制的DMD图形去计算和反演距离像。
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1、发出激光脉冲，然后通过DMD进行空间调制，DMD保持反射率为1，无狭缝条纹相机的斜坡电压不加载，获得目标的完整强度像；所述DMD即空间光调制器；
s2、开启无狭缝条纹相机斜坡电压，DMD进行随机值将激光空间调制，并无狭缝条纹相机继续采集k-1幅图像；
s3、对于目标无狭缝条纹相机图像，利用公式S＝LA·I·D解算出位置矩阵LA；
其中，S为无狭缝条纹相机中每列的强度值矩阵；I为目标的强度像矩阵；D为DMD每次改变反射率的值矩阵；k表示测量的次数；
位置矩阵LA定义如下：
无狭缝条纹相机中任一列图像S(：，y0)与目标的对应列强度像I(：，y0)存在如下对应关系：
其中，S(：，y0)表示无狭缝条纹相机中y0列的强度值；I(：，y0)表示目标强度像的第y0列；k×k的方矩阵表示将强度像I中y0列的强度值按照距离像的规则进行叠加的顺序，成为位置矩阵，简称LA矩阵；
s4、利用位置矩阵LA解算出每列距离像；
s5、将各列距离像排列反演为完整距离像。
2.根据权利要求1所述的闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像方法，其特征在于，利用位置矩阵LA解算出每列距离像的过程包括以下步骤：
利用位置矩阵LA，通过如下公式解算出该列距离像：
其中，表示第y0列距离像。
3.闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像系统，其特征在于，所述系统用于执行权利要求1或2所述的闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像方法。
4.闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像装置，其特征在于，所述装置包括一台计算机，所述计算机用于存储和/或运行权利要求3所述的闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像系统。
5.根据权利要求4所述的闪光式无狭缝条纹相机激光面阵成像装置，其特征在于，所述装置还包括：激光器、发射光学系统、空间光调制器、接收光学系统、无狭缝条纹相机和同步延时电路；空间光调制器即DMD；
激光器发出激光脉冲，同时触发同步信号；激光脉冲经由发射光学系统进行准直，通过DMD进行空间调制，照射到视场中的目标上；
同步信号经由同步延时电路触发无狭缝条纹相机；
激光脉冲由目标反射，并由接收光学系统接收后由无狭缝条纹相机在焦平面处进行成像；
最后的图像都传给计算机，计算机利用收到的图像和控制的DMD图形反演完整距离像。
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