激光距離選通三維成像技術(shù)原理及其應(yīng)用

馬 瑩,侯云海,魏洪朋

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012)

激光距離選通三維成像技術(shù)原理及其應(yīng)用

馬 瑩,侯云海,魏洪朋

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012)

距離選通超分辨率三維成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水下成像、目標(biāo)探測(cè)、遠(yuǎn)距離偵查等領(lǐng)域.闡述了激光距離選通三維成像技術(shù)的原理,對(duì)延時(shí)步進(jìn)、增益調(diào)制和超分辨率這3種方法進(jìn)行了對(duì)比分析,介紹了距離選通超分辨率三維成像技術(shù)的2種算法(梯形距離能量相關(guān)算法和三角形距離能量相關(guān)算法),并進(jìn)一步介紹了基于這2種算法的指數(shù)編碼方法,綜述了以上算法的研究進(jìn)展.

距離選通;超分辨率;延時(shí)步進(jìn);增益調(diào)制

激光距離選通三維成像技術(shù)是一種主動(dòng)成像技術(shù),它是通過(guò)激光器主動(dòng)發(fā)射激光,根據(jù)目標(biāo)反射回來(lái)的光信號(hào)返回接收系統(tǒng)時(shí)間的不同,控制CCD的選通完成對(duì)目標(biāo)的切片成像,并基于目標(biāo)的強(qiáng)度像反演目標(biāo)的三維空間信息.激光距離選通三維成像技術(shù)能夠有效地抑制大氣或水的后向散射,與傳統(tǒng)成像技術(shù)相比,該技術(shù)有較高的分辨率且作用距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng),還可以獲得目標(biāo)的距離像和強(qiáng)度像,被廣泛應(yīng)用于水下成像、目標(biāo)探測(cè)、遠(yuǎn)距離偵查等領(lǐng)域.

1 原理

距離選通三維成像系統(tǒng)主要由激光器、ICCD接收器、同步控制脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn).首先激光器向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖,此時(shí)接收系統(tǒng)ICCD選通門(mén)關(guān)閉,以此來(lái)屏蔽大氣散射光及其他光的干擾,降低獲取圖像的噪聲.當(dāng)反射回來(lái)的目標(biāo)光信號(hào)到達(dá)ICCD時(shí),控制選通門(mén)打開(kāi),接收目標(biāo)反射光信號(hào),完成成像[2].目前,主要通過(guò)延時(shí)步進(jìn)、增益調(diào)制和超分辨率3種方法實(shí)現(xiàn)激光距離選通三維成像[1].

1.1 延時(shí)步進(jìn)的原理

延時(shí)步進(jìn)技術(shù)也叫"時(shí)間切片技術(shù)",這種技術(shù)是2004年提出的,首先使用激光器發(fā)射激光,經(jīng)過(guò)一段延時(shí)時(shí)間后打開(kāi)攝像機(jī)的選通門(mén)成像,通過(guò)對(duì)延遲時(shí)間的步進(jìn)增加,則可以得到N張目標(biāo)的二維切片圖像,即時(shí)間切片圖像.然后便可以通過(guò)這N張二維切線(xiàn)的強(qiáng)度像便可推算出每張圖片的距離信息,最后將這N張圖片的距離信息堆積便可得到目標(biāo)的三維信息.

1.2 增益調(diào)制的原理

在該方法中,可以通過(guò)2D增益調(diào)制門(mén)圖像和2D增益恒定門(mén)圖像來(lái)獲得3D空間信息,通過(guò)調(diào)制傳感器門(mén)的增益來(lái)產(chǎn)生增益調(diào)制的柵極圖像.目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了2種增益調(diào)制類(lèi)型,包括線(xiàn)性調(diào)制和指數(shù)調(diào)制.與線(xiàn)性增益調(diào)制相比,指數(shù)增益調(diào)制使得距離分辨率與目標(biāo)范圍無(wú)關(guān).對(duì)于增益調(diào)制方法,激光脈沖形狀是自由的,但是激光脈沖形狀必須是穩(wěn)定的或統(tǒng)計(jì)上穩(wěn)定的并且可以預(yù)先測(cè)量.此外,在其應(yīng)用中,柵極時(shí)間必須遠(yuǎn)大于激光脈沖寬度.

1.3 超分辨率的原理

實(shí)現(xiàn)超分辨率三維成像有2種算法,即梯形距離能量相關(guān)算法和三角形距離能量相關(guān)算法.在回波展寬效應(yīng)作用下,目標(biāo)距離能量向能量包絡(luò)為梯形或三角形,可通過(guò)相鄰切片的灰度比得到目標(biāo)的距離信息.由于三角形的能量態(tài)比梯形的少,其效果也比梯形的好,所以本論文介紹三角形的原理如公式(1)所示,通過(guò)使選通門(mén)寬為激光脈寬的1倍便可實(shí)現(xiàn)三角形算法[3].

式(1)中:τA為選通延遲時(shí)間;Ihead,B為二維切片圖像B的頭信號(hào)的灰度值;Itail,A為二維切片圖像A的尾信號(hào)的灰度值;tL為激光脈寬;C為光速.

步進(jìn)延時(shí)是通過(guò)上百?gòu)埦哂胁煌訒r(shí)的二維距離切片圖像堆積進(jìn)行反演實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維成像,這種方法需要獲取的圖像數(shù)量大,實(shí)時(shí)性差;增益調(diào)制與超分辨率成像都僅需幾張切片圖像即可,實(shí)時(shí)性強(qiáng),且超分辨率成像的分辨率高,配合同步控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)較高分辨率的三維成像.筆者實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行超分辨率三維成像的研究,基于三角形距離能量算法,使用3張目標(biāo)的二維圖像可得到七碼道的距離能量相關(guān)算法,經(jīng)計(jì)算可反演出三維信息.

2 技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 延時(shí)步進(jìn)的研究進(jìn)展

2013年河南城建學(xué)院基于時(shí)間切片圖像進(jìn)行了目標(biāo)的三維成像仿真[4],目標(biāo)距離設(shè)置為2 km,實(shí)驗(yàn)激光脈寬為10 ns,快門(mén)時(shí)間為5 ns,步進(jìn)延時(shí)為1 ns時(shí),部分切片成像仿真圖像序列如圖1(a)所示,三維成像結(jié)果如圖1(b)所示,仿真采用了2組數(shù)據(jù),上方是快門(mén)時(shí)間為80 ns、延時(shí)步進(jìn)5 ns的仿真結(jié)果圖,下方的是快門(mén)時(shí)間為5 ns、延時(shí)步進(jìn)1 ns的仿真結(jié)果圖.實(shí)驗(yàn)說(shuō)明快門(mén)時(shí)間、步進(jìn)延遲時(shí)間越短,距離精度越高.

圖1 部分切片圖像及其仿真結(jié)果圖

2.2 增益調(diào)制的研究進(jìn)展

2013年哈爾濱工業(yè)大學(xué)和天津津航技術(shù)物理研究所對(duì)成像方法進(jìn)行了較深入的研究[3],對(duì)于間隔為4 m的靶標(biāo),在考慮起伏誤差的條件下,誤差僅可小于3 m,如圖2所示.該方法所測(cè)精度受圖像信噪比等影響較為嚴(yán)重,目前所測(cè)距離精度較差.

圖2 室外實(shí)驗(yàn)室效果

2.3 編碼超分辨率三維成像的研究進(jìn)展

2011年浙江大學(xué)基于梯形距離能量相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)的三維成像實(shí)驗(yàn)[6],實(shí)驗(yàn)獲取了目標(biāo)距離為600~1 100 m范圍的距離圖像,其實(shí)驗(yàn)編碼原理及結(jié)果如圖3所示.

3 結(jié)束語(yǔ)

本論文介紹了激光距離選通三維成像的發(fā)展情況,闡述了實(shí)現(xiàn)三維成像的幾種方法,其中,超分辨率三維成像需要獲取的圖片數(shù)量少、實(shí)時(shí)性較好、分辨率較高;基于梯形與三角形距離能量相關(guān)算法推演出來(lái)的編碼超分辨率三維成像技術(shù)能實(shí)現(xiàn)快速高分辨率三維成像.筆者實(shí)驗(yàn)室將對(duì)此方法進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究.距離選通超分辨率三維成像技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用和廣闊的發(fā)展前景.

圖3 編碼超分辨率三維成像的原理及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

[1]何歡.距離選通ICCD及其控制電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所),2015.

[2]田東康.基于激光距離選通成像系統(tǒng)的三維圖像重構(gòu)[D].北京:北京理工大學(xué),2016.

[3]王新偉,劉曉泉,游瑞蓉,等.距離選通超分辨率三維成像及其應(yīng)用[J].紅外與激光工程,2016,45(08):122-129.

[4]閆濤,吳孝麗.距離選通條件下的三維建模仿真算法[J].紅外與激光工程,2013,42(S2):298-303.

[5]Xiuda Zhang,Huimin Yan,Yanbing Jiang.Pulse-shape-free method for long-range three-dimensional active imaging with high linear accuracy.Optics Letters,2008,33(11):1219-1221.

[6]Zhang Xiuda,Yan Huimin.Three-dimensional active imaging with maximum depth range.Applied optics,2011,50(12):1682.

〔編輯:劉曉芳〕

TN249;TN958.98

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.152

2095-6835(2017)22-0152-02