一種空間目標立體成像裝置及方法
2023-06-21 10:27:56
一種空間目標立體成像裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種空間目標立體成像裝置及方法，該裝置，其特徵是：至少包括脈衝固體雷射器、光電探測器，反射鏡，雷射發射窗口，CCD探測器，快門，濾波片，成像鏡頭；工作時，脈衝固體雷射器發射雷射脈衝，穿過反射鏡的中心洞口，通過光發射窗口處理以後，射向目標物，射向目標物的一部分光信號經反射或散射後返回，通過成像鏡頭進入相機，穿過濾波片、快門以後成像於CCD探測器，同時，一部分反射回來的脈衝信號會經過光發射窗口和反射鏡進入光電探測器，光電探測器通過目標物到測距機的距離計算如下：S＝0.5Ct，其中C表示光在空氣中的速度。本發明易於實現，既適用於近距離，也適用於中遠距離目標的空間目標立體成像。
【專利說明】一種空間目標立體成像裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種對空間目標進行成像技術，特別是一種空間目標立體成像裝置及 方法。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，空間目標是呈三維分布的，其在空間的分布需要三個坐標參量進行描 述。通常多採用三維直角坐標系對其進行描述。通常的照相機或攝像機對目標物成像時，只 能得到其在照相底板上的平面投影，反映的是目標物在與底板平面平行的方向上的坐標變 化，只包含了兩個坐標參量的變化信息。無法反映目標與底板垂直方向上的坐標參量的變 化，也就是說，所獲得的影像丟失了目標物在一個方向上的坐標信息，這個坐標信息為目標 物在相機底板上各個像素點的距離信息，通常稱目標物的距離像。為了彌補傳統攝影器材 的這個缺點，人們發明了採用兩個相機對同一對象從不同角度進行照相的立體成像技術， 通過計算獲得目標物的距離像，彌補了單個相機成像的缺陷。但是這種立體成像技術對於 遠距離的目標卻很不實用。這種情況下，為了讓相機取得比較好的立體成像效果，往往需要 將兩個相機分開很大的距離，這在很多情況下是難以實現的。所以對遠距離目標物的三維 像的獲取，尚未得到很好解決。同時，雙相機立體成像系統還有一個明顯的缺點，就是在判 斷兩個相機對應像素點的時候存在很大誤差，導致了對距離計算時產生很大誤差。
[0003] 自從雷射技術發明以來，人們已經掌握了利用雷射脈衝進行空間測距的技術，特 別是，目前利用脈衝雷射器的測距範圍已經達到10公裡以上，人們由此看到了解決問題的 曙光。雷射脈衝進行測距的基本原理是，由雷射器發射一個雷射脈衝，射向目標物，雷射脈 衝離開發射器時開始計時。當雷射脈衝到達目標，由於目標的反射和散射，一部分雷射信號 返回，返回信號經過一段時間的空間傳播後，到達測距機的探測器，探測器收到返回信號後 立刻停止計時。假定這期間計時器所記錄的時間為t，則目標物到測距機的距離S可以計算 如下：
[0004] S = 0. 5Ct (1)
[0005] 其中C表不光在空氣中的速度。
[0006] 這種測距技術所帶來的誤差，通常用脈衝的寬度來估算，假定雷射脈衝的半寬度 為τ，則距離誤差估算如下：
[0007] σ = C τ ⑵
[0008] 目前這種測距技術所採用的探測器的接收元件通常為光電二極體或雪崩光電二 極管。
[0009] 這種測距技術的缺點是只能測量目標物到測距機的平均距離，不能給出目標物的 圖像以及圖像上各個像素點的距離分布信息。
[0010] 為了在雷射測距中，能夠對目標成像，人們提出了利用光電二極體或雪崩光電二 極管構成陣列進行探測的方案。也就是將光電二極體或雪崩光電二極體排列成二維陣列或 一維陣列，通過成像鏡頭將目標成像於該陣列，陣列中每個單管對應一個像素。分別記錄激 光脈衝發出以後，每個單管接收到返回信號的時間ti，t2,......，tn，則利用公式便可以計 算每個單管所對應的目標物上相應點的距離，見公式（3)。於是便可以得到目標的距離像。
【權利要求】
1. 一種空間目標立體成像裝置，其特徵是：至少包括脈衝固體雷射器、光電探測器，反 射鏡，雷射發射窗口，CCD探測器，快門，濾波片，成像鏡頭；工作時，脈衝固體雷射器發射 雷射脈衝，穿過反射鏡的中心洞口，通過光發射窗口處理以後，射向目標物，射向目標物的 一部分光信號經反射或散射後返回，通過成像鏡頭進入相機，穿過濾波片、快門以後成像於 CCD探測器，同時，一部分反射回來的脈衝信號會經過光發射窗口和反射鏡進入光電探測 器，光電探測器通過目標物到測距機的距離計算如下： S = 0. 5Ct 其中C表示光在空氣中的速度。
2. -種空間目標立體成像的方法，其特徵是：至少包括如下步驟： 第1步，第1次成像，快門T打開後，發射第1個光脈衝，目標散射或反射回來的光脈衝 A、B、C、D完全通過後，然後再關閉快門，這時底板各像素點曝光後所獲得的圖像用矩陣I。表 示； 第2步，第2次成像時，快門T打開後，再次發射光脈衝，當返回的光脈衝信號A、B、C、D 尚未完全通過快門時，即關閉快門T，從時間域來看，這時應確保，對每個像素點，均只探測 到了目標物散射或反射回來的光信號的一部分，這時底板各像素點曝光後所獲得的圖像用 矩陣Ii表示，第2次成像，圖像矩陣L中的每個像素點一定小於圖像矩陣L中的每個像素 點給出的曝光量數值； 第3步，依據光脈衝的時域分布函數F(t)，對第1次獲取的圖像矩陣L和第2次獲取 的圖像矩陣L進行處理，獲取每個成像點的相對距離量； 第4步，依據每個成像點的相對距離量給出三維立體像。
3. 根據權利要求2所述的一種空間目標立體成像的方法，其特徵是：所述的第3步依 據光脈衝的時域分布函數F(t)，對第一次獲取的圖像矩陣L和第二次獲取的圖像矩陣^進 行處理，獲取每個成像點的相對距離量包括： 第3. 1步，根據光脈衝強度的時域分布函數F(t)，計算一個距離查詢表；其中表的第1 行數據為相對曝光量Η值，按由小到大的次序排列；相對曝光量H(t)計算方法見公式（4);
(4) 其中分母項表示對整個脈衝進行積分，分子表示對脈衝的一部分積分； 表的第2行為S項，其數據為距離值，由同一列的曝光量Η值計算中所取t值決定，其 數值由公式（5)進行計算； S (t) = 0. 5ct (5) 其中C是光在空氣中的傳播速度；該距離是一個相對數據，正方向由目標物指向攝像 器材，零點取為目標中心到攝像器材的距離處； 第3. 2步，通過對（4)式和（5)式的離散化計算，獲得所需要的距離查詢表，表項的項 數多少由距離測量的範圍和精度要求和決定； 第3. 3步，用圖像矩陣L中反映某個像素點曝光量的數據除以圖像矩陣L中的對應數 據，得到數值h ;然後由該h值去查詢距離查詢表，找到表中與h最接近的表項Η值氏，它所 對應的S值Sp即為該像素點的距離坐標；對所有的像素點進行類似處理後，獲取每個成像 點的相對距離量。
4. 根據權利要求2所述的一種空間目標立體成像的方法，其特徵是：所述的依據每個 成像點的相對距離量給出三維立體像至少包括依據目標成像距離進行誤差修正的步驟。
5. 根據權利要求4所述的一種空間目標立體成像的方法，其特徵是：所述的修正算法 包括： 設定相機鏡頭的焦距為f，底板上某像素點到鏡頭光軸的距離為d，則該像素點的距離 坐標S修正為S'，S'計算如下：
(6) 〇
6. 根據權利要求2所述的一種空間目標立體成像的方法，其特徵是：所述的第2步，再 次發射光脈衝，採用多個光脈衝，進行多次成像，每次選擇不同的快門時間，多次成像獲得 多個圖像矩陣Ip......，Ih，對某個像素點而言，用圖像矩陣L......，Ih的灰度值除以 圖像矩陣中的灰度值，在所獲得的N-1個數據中選擇明顯不為1也不為0的數據，用來 獲取該像素點的相對距離數據。
7. 根據權利要求6所述的一種空間目標立體成像的方法，其特徵是：所採用的多個光 脈衝多次成像的次序有多種排列。
【文檔編號】G01S17/89GK104049258SQ201410244341
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月4日 優先權日:2014年6月4日
【發明者】王一諾 申請人:王一諾