CN116359944A - 一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种飞行时间测距系统和方法，具体涉及一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统及方法。解决了传统基于单光子探测器件的TOF距离测量分辨率低以及基于条纹相机的线扫描三维成像速度慢的技术问题。本发明系统包括照明单元、信号采集单元、数据处理单元和同步控制单元；照明单元用于照明待测目标成像区域产生回波信号；信号采集单元包括耦合成像装置、光纤转换装置、光纤传输模块和条纹相机；回波信号经耦合成像装置耦合成像在光纤转换装置进行面阵光纤转换为线阵光纤，再经光纤传输模块送入条纹相机输出条纹图像；条纹图像经数据处理单元处理得到三维图像。同时，本发明还提供了一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞行时间测距系统和方法，具体涉及一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统及方法。
背景技术
传统直接飞行时间测距技术使用脉冲光作为照明光源，使用单光子探测器件耦合时间相关单光子计数电路记录回波光子的到达时间，以推算目标的距离信息，尤其在激光雷达等领域发展迅速。然而，飞行时间测距技术的距离测量分辨率由探测器件的时间分辨率决定，单光子探测器件时间分辨率通常在亚纳秒量级，对应距离分辨率在厘米到百毫米量级，难以满足目标毫米级甚至亚毫米级三维形貌精细化测量需求(参见Heinrichs R.,Aull B.F.,Marino R M.,et al.Three-dimensional laser radar with SPADarrays.Laser Radar Technology and Applications VI.International Society forOptics and Photonics,2001,4377:106-118.；以及Wang F.,Zhao Y.,Zhang Y.,etal.Range accuracy limitation of pulse ranging systems based on Geiger modesingle-photon detectors.Applied Optics,2010,49(29):5561-5566.)。
条纹相机是一维超快成像设备，时间分辨率在皮秒甚至百飞秒量级，在飞行时间(TOF)测距中，可实现亚毫米的距离测量分辨率，然而，传统条纹相机飞行时间三维成像方法中，条纹相机需要线扫描对待测目标进行三维形貌的测量，存在成像速度慢的问题(参见Zhaodong C.,Rongwei F.,Guangchao Y.,Tong L.,Jiayu G.,Zhigang Z.,et al.Depthresolution improvement of streak tube imaging lidar system using three laserbeams.Chin Opt Lett.2018；16:041101.)，例如，帧频在10Hz的条纹相机，获取一张100×100像素的深度图像，需要10s，不利于高速动态目标的三维成像，限制了其进一步应用。亟需发展满足飞行时间测距技术要求的亚毫米量级高距离分辨率、高速三维成像方法。
发明内容
本发明的目的是解决传统基于单光子探测器件的TOF距离测量分辨率低以及基于条纹相机的线扫描三维成像速度慢的技术问题，而提供一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统及方法。
本发明的技术解决方案是：
一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特殊之处在于：包括照明单元、信号采集单元、数据处理单元和同步控制单元；
所述照明单元包括脉冲激光模块、光束扫描模块、扩束模块；
所述脉冲激光模块用于生成脉冲光；
所述光束扫描模块设置在脉冲光光路上，用于对脉冲光进行二维扫描并调整脉冲光的方向使其入射到待测目标；
所述扩束模块设置在光束扫描模块和待测目标之间，扩束模块将脉冲光进行扩束后照射至待测目标区域，待测目标产生回波信号；
所述信号采集单元包括位移扫描成像模块、光纤传输模块和条纹相机；
所述位移扫描成像模块包括耦合成像装置和光纤转换装置；
所述耦合成像装置和光纤转换装置沿回波信号路径依次设置，回波信号经耦合成像装置耦合成像在光纤转换装置上，光纤转换装置将所成的目标二维图像转换为一维图像；
所述光纤传输模块的入射端和出射端分别与光纤转换装置和条纹相机连接；
所述数据处理单元与条纹相机电连接，用于处理条纹相机输出的条纹图像，并根据飞行时间测距原理，获得三维图像；
所述同步控制单元分别与脉冲激光器模块、光束扫描模块和条纹相机电连接。
进一步地，所述位移扫描成像模块还包括位移扫描装置；所述耦合成像装置和光纤转换装置均设置在位移扫描装置上，位移扫描装置用于将耦合成像装置以及光纤转换装置整体位移，对准待测目标待成像区域；所述位移扫描装置与同步控制单元电连接。
进一步地，所述条纹相机的时间分辨率为皮秒至飞秒量级；
所述脉冲光的脉冲宽度为皮秒至飞秒，脉冲抖动小于100ps；
所述同步控制单元发射的触发脉冲抖动小于100ps。
进一步地，所述光纤转换装置由光纤束组成，其中，信号接收端为光纤束面阵排列，信号输出端为光纤束线阵排列，所述光纤束用于传输可见光谱段400-700nm的光信号；所述光纤转换装置将尺寸为[RN，CN]的目标二维图像转换为尺寸为[1，RN×CN]的一维图像，其中RN×CN对应于条纹相机狭缝方向的像素数，在1000-5000像素范围内，RN和CN为大于1的正整数。
进一步地，所述条纹相机的时间分辨率小于10ps，单像素扫描时间小于6ps；所述光纤转换装置由光子晶体光纤束组成。
进一步地，所述耦合成像装置为成像镜头，根据目标成像距离和分辨率的不同，成像镜头选择定焦镜头、可调焦镜头、显微镜或远心镜头。
同时，本发明还提供了一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像方法，采用上述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1)脉冲激光模块发射脉冲光照射至待测目标成像区域，产生回波信号；
步骤2)回波信号经耦合成像装置耦合成像在光纤转换装置上；光纤转换装置将尺寸为[RN，CN]的目标二维图像转换为尺寸为[1，RN×CN]的一维图像，其中RN×CN对应于条纹相机狭缝方向的像素数，在1000-5000像素范围内，RN和CN为大于1的正整数；一维图像经光纤传输模块传输后进入条纹相机；条纹相机将一维图像信号进行时间扫描成像，并输出条纹图像；
步骤3)图像数据处理单元根据飞行时间测距原理，处理条纹图像，重建出目标二维深度图像，即获得三维图像。
进一步地，还包括步骤4)：
使用位移扫描装置将耦合成像装置以及光纤转换装置进行多次整体位移，每次位移扫描待测目标成像区域，生成一张条纹图像，N次扫描生成N张条纹图像，经过图像数据处理单元处理生成N个扫描区域的三维图像，进行拼接，生成大视场三维图像。
进一步地，步骤1)具体为：脉冲激光模块发射脉冲宽度在皮秒到飞秒的脉冲光，脉冲光经光束扫描模块调整方向后，进入扩束模块，扩束模块将脉冲光扩束后照射至待测目标成像区域。
进一步地，步骤3)具体为：所述条纹图像包含两个轴，其中一个轴为空间轴，用于对一维光纤信号进行采集，另外一个轴为时间轴，记录各空间位置回波信号达到的时间t，根据回波信号达到的时间t和脉冲发出时间t0的时间差Δt＝t-t0，计算出每个空间位置的深度信息d＝cΔt/2，其中c为光速；再根据光纤转换装置中二维图像到一维图像的转换关系，即获得三维图像。
本发明的有益效果：
1、本发明一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，通过耦合成像装置、光纤转换装置与条纹相机结合，扫描面光纤阵列，可将面光纤阵列的二维图像转换为线光纤阵列的一维图像，实现更大目标的测量，极大地提升条纹相机飞行时间三维成像的速度，相比传统相机三维成像速度提升约10倍，还可以有效利用狭缝方向的有效成像面积，最大化条纹相机功能，同时保障三维图像横向空间分辨率的一致性；此外，采用皮秒到飞秒量级时间分辨率的条纹相机，可保障亚毫米到微米量级的深度测量分辨率。
2、本发明一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，可使用位移扫描成像模块将耦合成像装置以及光纤转换装置进行多次整体位移，每次位移对待测目标进行面扫描成像，以获取目标更大范围的三维成像。
3、本发明一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像方法，操作简单、成像速度块、成像质量高。
附图说明
图1为本发明具体实施例中的基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统示意图；
图2为位移扫描成像模块中光纤转换装置将面阵排列光纤转成线阵排列光纤示意图。
附图标记：1-照明单元，2-信号采集单元，3-数据处理单元，4-同步控制单元，5-脉冲激光模块，6-光束扫描模块，7-扩束模块，8-待测目标，9-位移扫描成像模块，10-光纤传输模块，11-条纹相机，12-耦合成像装置，13-光纤转换装置，14-位移扫描装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的构思和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，如图1所示，包括照明单元1、信号采集单元2、数据处理单元3和同步控制单元4。
照明单元1包括脉冲激光模块5、光束扫描模块6、扩束模块7，其中，脉冲激光模块5用于生成脉冲宽度在皮秒至飞秒的脉冲光，脉冲抖动小于100皮秒；光束扫描模块6设置在脉冲光光路上，光束扫描模块6用于将脉冲光进行二维扫描并调整脉冲光的方向使其入射到待测目标8；扩束模块7设置在光束扫描模块6和待测目标8之间，扩束模块7用于将脉冲光扩束照射待测目标8成像区域。扩束模块7将脉冲光进行扩束后照射待测目标8成像区域，待测目标8产生回波信号。
信号采集单元2包括位移扫描成像模块9、光纤传输模块10和条纹相机11。其中，位移扫描成像模块9包括耦合成像装置12、光纤转换装置13和位移扫描装置14；耦合成像装置12用于将待测目标8的回波信号耦合成像在光纤转换装置13上。耦合成像装置12和光纤转换装置13沿回波信号路径依次设置，且耦合成像装置12和光纤转换装置13分别安装在位移扫描装置14上，位移扫描装置14用于将耦合成像装置12以及光纤转换装置13整体位移，对准待测目标待8成像区域。回波信号经耦合成像装置12耦合成像在光纤转换装置13上，光纤转换装置13将所成的目标二维图像转换成一维图像，如图2所示，光纤转换装置13由光纤束组成，信号接收端为光纤束面阵排列，信号输出端为光纤束线阵排列，光纤转换装置13的面阵光纤二维排列阵列尺寸为[RN，CN]，经光纤转换装置13转换为一维图像，其线阵光纤排列尺寸为[1，RN×CN]，其中RN×CN对应于条纹相机狭缝方向的像素数，在1000-5000像素范围内，RN和CN为大于1的正整数。耦合成像装置12为成像镜头，根据目标成像距离和分辨率的不同，可选择定焦镜头、可调焦镜头、显微镜或远心镜头；光纤束可传输可见光谱段400-700nm的光信号，本实施例中，光纤转换装置13由光子晶体光纤束组成。光纤传输模块10包含RN×CN根光纤，光纤传输模块10的入射端和出射端分别与光纤转换装置13和条纹相机11连接，光纤传输模块10用于将光纤转换装置13输出的线阵光纤信号传输至条纹相机11。条纹相机11的时间分辨率在皮秒到飞秒量级，且条纹相机11的时间分辨率小于10ps，单像素扫描时间小于6ps，可保障亚毫米的距离分辨率，条纹相机11用于将线阵光纤信号进行时间扫描成像后输出条纹图像。
数据处理单元3与条纹相机11电连接，用于处理条纹相机11输出的条纹图像，并根据飞行时间测距原理，重建目标三维图像。同步控制单元4分别与脉冲激光器模块5、光束扫描模块6、条纹相机11和位移扫描装置14电连接，用于控制系统中脉冲激光器模块5、光束扫描模块6、位移扫描装置14以及条纹相机11之间的同步，同步控制单元4发射的触发脉冲抖动小于100ps。
同时，本发明还提供了一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像方法，采用本发明的基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统实现，包括以下步骤：
步骤1)脉冲激光模块5发射脉冲光照射至待测目标8成像区域，产生回波信号；
脉冲激光模块5发射脉冲宽度在皮秒到飞秒的脉冲光，脉冲光经光束扫描模块6调整方向后，进入扩束模块7，扩束模块7将脉冲光扩束后照射待测目标8成像区域。
步骤2)回波信号经耦合成像装置12耦合成像在光纤转换装置13上；光纤转换装置13将面阵光纤二维排列阵列尺寸为[RN，CN]的目标二维图像转换为线阵光纤排列尺寸为[1，RN×CN]的一维图像；一维图像经光纤传输模块10传输后进入条纹相机11；条纹相机11将一维信号进行时间扫描成像，并输出条纹图像；
步骤3)图像数据处理单元3根据飞行时间测距原理，处理条纹图像，重建出目标二维深度图像，即三维图像。具体为：条纹图像包含两个轴，其中一个轴为空间轴，用于对一维光纤信号进行采集，另外一个轴为时间轴，记录各空间位置回波信号达到的时间t，根据回波信号达到的时间t和脉冲发出时间t0的时间差Δt＝t-t0，计算出每个空间位置的深度信息d＝cΔt/2，c是光速；再根据光纤转换装置中二维图像到一维图像的转换关系，即可获得三维图像。
步骤4)可使用位移扫描成像模块14对待测目标8进行面扫描成像，以获取目标更大范围的三维成像。具体地：使用位移扫描装置14将耦合成像装置12以及光纤转换装置13进行多次整体位移，每次位移扫描待测目标8成像区域，生成一张条纹图像，N次扫描生成N张条纹图像，经过图像数据处理单元3处理生成N个扫描区域的三维图像，将N个扫描区域的三维图像进行拼接，生成大视场三维图像。
例如，如需生成100×100像素的三维图像，假设条纹相机11的帧频为10Hz，条纹图像狭缝空间轴方向有效成像像素为1000像素，如使用传统线扫描条纹相机飞行时间三维成像方法，需要扫描100次，单帧三维图像的获取时间为10s，且存在x，y方向分辨率不一致的问题，扫描方向分辨率为扫描步长，狭缝方向分辨率为条纹相机动态成像分辨率；如使用本发明提供的面扫描条纹相机飞行时间三维成像方法，假设面扫描光纤阵列的尺寸对应于100×10像素，那么转成线光纤阵列后，对应于1×1000像素，可有效利用条纹相机狭缝上的有效成像像素，还可保障x，y方向空间分辨率一致，两者均由条纹相机11的动态成像狭缝方向分辨率和光纤尺寸决定，且只需扫描10次，即可重建100×100像素的三维图像，单帧三维图像的获取时间为1s。
因此，采用本发明的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统及方法，在条纹相机的基础上，使用面光纤阵列扫描的方式取代线扫描的方式，能最大化条纹相机功能，有效提高成像靶面利用效率，既能保障亚毫米距离成像分辨率，同时又能将传统线扫描条纹相机三维成像速度提升约10倍，为高速目标的高精度高速三维成像提供有效手段。
Claims (10)
1.一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特征在于：包括照明单元(1)、信号采集单元(2)、数据处理单元(3)和同步控制单元(4)；
所述照明单元(1)包括脉冲激光模块(5)、光束扫描模块(6)、扩束模块(7)；
所述脉冲激光模块(5)用于生成脉冲光；
所述光束扫描模块(6)设置在脉冲光光路上，用于对脉冲光进行二维扫描并调整脉冲光的方向使其入射到待测目标(8)；
所述扩束模块(7)设置在光束扫描模块(6)和待测目标(8)之间，扩束模块(7)将脉冲光进行扩束后照射至待测目标(8)成像区域，待测目标(8)产生回波信号；
所述信号采集单元(2)包括位移扫描成像模块(9)、光纤传输模块(10)和条纹相机(11)；
所述位移扫描成像模块(9)包括耦合成像装置(12)和光纤转换装置(13)；
所述耦合成像装置(12)和光纤转换装置(13)沿回波信号路径依次设置，回波信号经耦合成像装置(12)耦合成像在光纤转换装置(13)上，光纤转换装置(13)将所成的目标二维图像转换为一维图像；
所述光纤传输模块(10)的入射端和出射端分别与光纤转换装置(13)和条纹相机(11)连接；
所述数据处理单元(3)与条纹相机(11)电连接，用于处理条纹相机(11)输出的条纹图像，并根据飞行时间测距原理，获得三维图像；
所述同步控制单元(4)分别与脉冲激光器模块(5)、光束扫描模块(6)和条纹相机(11)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特征在于：
所述位移扫描成像模块(9)还包括位移扫描装置(14)；
所述耦合成像装置(12)和光纤转换装置(13)均设置在位移扫描装置(14)上，位移扫描装置(14)用于将耦合成像装置(12)以及光纤转换装置(13)整体位移，对准待测目标待(8)成像区域；
所述位移扫描装置(14)与同步控制单元(4)电连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特征在于：
所述条纹相机(11)的时间分辨率为皮秒至飞秒量级；
所述脉冲光的脉冲宽度为皮秒至飞秒，脉冲抖动小于100ps；
所述同步控制单元(4)发射的触发脉冲抖动小于100ps。
4.根据权利要求3所述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特征在于：
所述光纤转换装置(13)由光纤束组成，其中，信号接收端为光纤束面阵排列，信号输出端为光纤束线阵排列，所述光纤束用于传输可见光谱段400-700nm的光信号；
所述光纤转换装置(13)将尺寸为[RN，CN]的目标二维图像转换为尺寸为[1，RN×CN]的一维图像，其中RN×CN对应于条纹相机狭缝方向的像素数，在1000-5000像素范围内，RN和CN为大于1的正整数。
5.根据权利要求4所述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特征在于：
所述条纹相机(11)的时间分辨率小于10ps，单像素扫描时间小于6ps；
所述光纤转换装置(13)由光子晶体光纤束组成。
6.根据权利要求5所述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特征在于：
所述耦合成像装置(12)为成像镜头，根据目标成像距离和分辨率的不同，成像镜头选择定焦镜头、可调焦镜头、显微镜或远心镜头。
7.一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像方法，采用权利要求1-6任一所述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)脉冲激光模块(5)发射脉冲光照射至待测目标(8)成像区域，产生回波信号；
步骤2)回波信号经耦合成像装置(12)耦合成像在光纤转换装置(13)上；光纤转换装置(13)将尺寸为[RN，CN]的目标二维图像转换为尺寸为[1，RN×CN]的一维图像，其中RN×CN对应于条纹相机狭缝方向的像素数，在1000-5000像素范围内，RN和CN为大于1的正整数；一维图像经光纤传输模块(10)传输后进入条纹相机(11)；条纹相机(11)将一维图像信号进行时间扫描成像，并输出条纹图像；
步骤3)图像数据处理单元(3)根据飞行时间测距原理，处理条纹图像，重建出目标二维深度图像，即获得三维图像。
8.根据权利要求7所述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像方法，其特征在于，还包括步骤4)：
使用位移扫描装置(14)将耦合成像装置(12)以及光纤转换装置(13)进行多次整体位移，每次位移扫描待测目标(8)成像区域，生成一张条纹图像，N次扫描生成N张条纹图像，经过图像数据处理单元(3)处理生成N个扫描区域的三维图像，进行拼接，生成大视场三维图像。
9.根据权利要求8所述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像方法，其特征在于，步骤1)具体为：脉冲激光模块(5)发射脉冲宽度在皮秒到飞秒的脉冲光，脉冲光经光束扫描模块(6)调整方向后，进入扩束模块(7)，扩束模块(7)将脉冲光扩束后照射至待测目标(8)成像区域。
10.根据权利要求9所述的一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像方法，其特征在于，步骤3)具体为：所述条纹图像包含两个轴，其中一个轴为空间轴，用于对一维光纤信号进行采集，另外一个轴为时间轴，记录各空间位置回波信号达到的时间t，根据回波信号达到的时间t和脉冲发出时间t0的时间差Δt＝t-t0，计算出每个空间位置的深度信息d＝cΔt/2，其中c为光速；再根据光纤转换装置(13)中二维图像到一维图像的转换关系，即获得三维图像。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310130229.6A CN116359944A (zh) | 2023-02-17 | 2023-02-17 | 一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统及方法 |
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| CN202310130229.6A Pending CN116359944A (zh) | 2023-02-17 | 2023-02-17 | 一种基于条纹相机的面扫描飞行时间三维成像系统及方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117075130A (zh) * | 2023-07-07 | 2023-11-17 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | 低慢小目标激光跟踪装置及其工作方法 |
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2023
- 2023-02-17 CN CN202310130229.6A patent/CN116359944A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117075130A (zh) * | 2023-07-07 | 2023-11-17 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | 低慢小目标激光跟踪装置及其工作方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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