基于增強型CCD探測器的距離選通三維成像不均勻性補償方法

孫磊, 金東東, 紀春恒, 裴崇雷, 安鴻波, 段恩悅

(山東航天電子技術研究所, 山東 煙臺 264670)

0 引言

激光距離選通三維成像屬于一種非掃描型主動三維成像技術[1-2],利用距離選通原理,可有效屏蔽探測器和目標之間無效的背向散射信號,具有信噪比高、探測距離遠、分辨率高等優點,被廣泛應用于遠距離測繪、水下三維成像、復雜介質中的目標識別等領域[3-5]。距離選通三維成像采用納秒脈沖激光,配合納秒快門探測器,單次可以實現某一固定距離切片處的成像。通過多個距離切片圖像累加反演,得到整個場景的三維圖像。

Busck等[6]提出了距離選通步進延時掃描三維成像方法。Laurenzis等[7]提出一種基于梯形能量包絡反演的距離選通三維成像方法。Wang等[8-9]提出了基于三角形包絡反演的三維成像方法。Petter等[10]提出以一種相鄰延時圖像相減獲得距離選通三維圖像的方法。

由于距離選通成像是面陣快門成像方式[11-14],以上方法均假設探測器像素是全局統一曝光和關閉。然而,實際情況并非如此理想。受制于生產工藝和材料特性等因素的影響,距離選通成像采用的超快門增強型CCD(ICCD)探測器,經常會存在像素開關時間不均勻的現象。如果不同像素的開關門時刻不同步,會導致不同像素的距離測量存在較大誤差或者三維成像畸變。

ICCD探測器的開關時間特性由前端的像增強器光電陰極靶面決定。文獻[15-17]對像增強器光電陰極靶面進行了深入研究,發現光電陰極的中心和邊緣存在開關不同步現象,時間誤差可達10 ns左右。國內外的像增強器生產廠商,如英國Photek公司、法國Photonics公司、國內的北方夜視技術股份有限公司(以下簡稱“北方夜視”)等[18-22],標注的光電陰極靶面快門時間特性各有差異。

針對以上問題,本文將通過理論分析和實驗驗證,研究探測器開門不均勻對距離選通三維成像影響。基于探測器開/關門時間特性,獲得探測器像素時間補償矩陣,結合距離選通三維成像方法,提出一種三維成像不均勻補償方法,可以有效提高距離選通三維成像的測量精度,具有較好的工程應用價值。

1 距離選通三維成像不均勻性分析

1.1 三維成像理論

距離選通成像是通過精準控制激光脈沖和探測器快門脈沖之間的時間間隔,獲得特定距離切片內的二維強度圖像,如圖1所示。探測器只在激光脈沖到達時才開啟,成像距離與選通延時的對應關系為

圖1 距離選通成像原理

(1)

式中:Z為選通成像距離;τ為選通延時;c為光在介質中的傳播速度;n為折射率。

激光脈沖和探測器快門脈沖近似為方波,其對應的函數模型分別可表示為

(2)

(3)

式中:L(t)為激光脈沖波形;τL為激光脈沖寬度;G(t)為探測器快門脈沖波形;to為快門開啟時刻;τg為快門脈沖寬度[7]。

將式(2)和式(3)進行卷積,可獲得切片圖像的能量強度與目標距離的對應關系[7]:

(4)

圖2為切片圖像能量強度包絡對應關系[8],圖中重疊陰影部分即為空間中的成像區域。當二者脈寬相等時,將成像區域的累積能量映射到距離軸上,呈現出三角形空間能量包絡。圖2中Z0為選通延時對應的選通成像距離,Zf和Zb為成像景深范圍的前后距離,計算公式如下:

圖2 二維圖像強度及時空對應關系

(5)

以三角形反演算法為例,需要連續兩幀以上的距離切片圖像,根據相鄰切片空間交疊區域的能量強度關系,解算出各個像素的距離信息,實現三維成像,如圖3和式(6)所示:

圖3 三角形三維成像方法

(6)

式中:Zr為三維反演得到的測量距離;τ1和Z1為前一切片圖像的選通延時和對應的選通成像距離;Z2為后一切片圖像的選通成像距離;I1和I2為兩切片圖像的灰度值[8]。圖3中,Imax為最大灰度值。

1.2 探測器像素開門時間誤差模型

由于光子飛行速度很快,為了實現距離選通和三維成像,探測器需要具備納秒級時間快門。探測器一般采用ICCD探測器,其主要模塊包括像增強器和后端的感光圖像芯片,如圖4所示。像增強器由光電陰極、微通道板和熒光屏組成[16]。光電陰極在納秒高壓脈沖驅動下,可以實現納秒級時間快門。微通道板在高壓下,將電子進行增益放大。熒光屏進一步將電子轉換成可見光。熒光屏發出的光通過光纖或組合透鏡,投射到后端的CCD/CMOS芯片上進行成像。

圖4 ICCD探測器基本構成

光電陰極采用電開關驅動的快門模式,開/關門時間特性與器件的材料、工藝等有很大關系。光電陰極一般為S20或者S25堿性材料,由堿金屬鈉(Na)、鉀(K)、銫(Cs)與金屬銻(Sb)化合而成,面電阻高達106Ω以上,限制了面電流從邊沿向中心的傳輸時間[15]。根據文獻[15]中的描述,面電流傳遞速度由器件內部的阻容特性決定,一般為定值。

由此可以得出探測器光電陰極靶面內任一點的開門延時誤差。光電陰極為圓形,以靶面邊緣的開門時刻為基準,靶面中心為坐標原點,每個像素點的開門時間誤差模型為

(7)

式中:x、y為靶面內的任一像素點的坐標;v為電流傳遞速度;r為靶面圓形半徑;k為像素點與靶面尺寸換算系數。

由于不同像素點之間存在開門時間差異,其對應的選通成像距離也存在差異。結合式(1)可得出不同像素點的選通成像距離誤差模型(見圖5):

圖5 距離誤差模型

(8)

結合理想狀態下的三角形三維成像方法,在探測器開門時間差異帶來的選通成像距離誤差不能忽略的情況下,式(6)應進一步修正為

Z*(x,y)=Zr(x,y)+D*(x,y)

(9)

式中:Z*(x,y)為探測器每個像素點疊加過距離誤差后的距離值;Zr(x,y)為探測器三維反演得到的測量距離矩陣。

1.3 成像不均勻性仿真

根據上述三角形三維成像算法和距離誤差模型的推理分析,只需得到探測器每個像素點準確的距離誤差,就能夠對其進行補償。因此,對距離誤差模型進行仿真分析,探測器成像分辨率為1 920×1 080,像增強器圓形靶面直徑為18 mm,對應1 080行像素點,即有效成像范圍在以圖像中心像素點為圓心的圓形區域內。設定電流在光電陰極靶面的傳遞速度為0.06c[15]。由式(8)得到如圖6所示的仿真結果。

圖6 距離誤差仿真結果

仿真結果顯示,全局曝光下,對于同一距離處的目標,探測器邊緣和中心區域開門時間相差5 ns,三維成像距離誤差達到75 cm,說明三維成像存在嚴重的不均勻性,這樣的誤差結果對于超分辨率三維成像是不可接受的。

2 距離選通三維成像不均勻性補償

從以上理論分析可以看出,雖然不同像素的開門時間存在不均勻性,但這是器件內部的固有物理特性。而且每個像素的開門時間是獨立的,不受其他像素干擾。因此,只需實際測出每個像素的開關門時間延遲,得到對應的距離誤差矩陣,補償三維深度圖像即可,具體步驟如下:

1) 在固定距離d處放置平面靶板,通過距離選通成像,利用式(6)的方法得到原始的三維深度圖像I(x,y)。

3) 根據三維成像景深和I′(x,y)灰度值的對應關系:

(10)

計算得出原始距離矩陣。

4) 根據鏡頭視場角計算得到靶板到每個像素的理論選通距離Zp(x,y),如圖7所示。具體計算公式如下:

圖7 理論距離矩陣計算

(11)

式中:w為圓形視場范圍的像素寬度;θr為探測器視場角。

5) 根據步驟3、步驟4中的Z(x,y)和Zp(x,y)計算得到距離誤差矩陣D(x,y)=Z(x,y)-Zp(x,y)。

在實際應用中,利用上述距離誤差矩陣對每次成像得到的實際距離矩陣進行補償即可,公式如下:

Z′(x,y)=Z(x,y)-D′(x,y)

(12)

3 實驗驗證及結果分析

本文選用山東航天電子技術研究所研制的便攜式激光距離選通成像系統(見圖8),實際測量了 ICCD開門時間特性對不同像素測距精度的影響。該系統的ICCD探測器內部集成了北方夜視公司生產的第2代像增強器(18WHS-S),最窄開門寬度 5 ns,分辨率達到50 lp/mm;激光器采用532 nm脈沖激光器,激光脈沖全寬為5 ns,重復頻率10 kHz。內部時序控制及門控電路可實現高精度選通控制,最小選通延時單位為625 ps。

圖8 便攜式激光成像系統

3.1 不同像素的選通距離誤差測試

目標采用具有朗伯反射率特性的平面靶板。設置系統選通延時為25 ns,激光脈寬時間和探測快門曝光時間均為5 ns,對固定距離處進行選通成像。

根據式(1)和式(5),上述參數下的選通距離為3.75 m,景深范圍為3.0～4.5 m。在選通距離前后移動靶板,得到一系列距離選通圖像,如圖9所示。從圖9(a)中可以看出:當靶板從3 m位置向后移動時,圖像首先從邊緣區域開始變亮,而后逐漸向中心擴展;當靶板位于3.7 m位置時,圖像中心區域變亮,表示在此位置探測器完全開門。同理在圖9(b)中:當靶板位于4.5 m時,圖像首先從邊緣區域開始變暗,而后逐漸向中心擴展;當目標位于5.2 m時,圖像中心區域變暗,表示在此位置探測器完全關門。

圖9 靶板在不同距離處的選通圖像

根據上述測試結果,結合文獻[22-23]中的描述,可得出如下結論:探測器采用全局曝光模式,加載在探測器光電陰極的電驅動脈沖信號是同步的(實測驅動信號抖動約為百皮秒)。理論上各個像素得到的選通成像距離應一致,但是實測表明圖像邊緣和中心區域的最大距離誤差達到0.7 m左右,即探測器各個像素開關門時間誤差為4.7 ns左右,存在嚴重不均勻性。

3.2 三維成像不均勻性測試與補償

為驗證探測器開門時間不均勻對三維成像的影響和第2節中的補償方法,進行了三維成像實驗。首先,分別將靶板放置在2 m、4 m、6 m、…、16 m處,保證靶板平面與探測器垂直,每個距離拍攝10張三維深度圖像并取平均值作為計算距離誤差矩陣的原始圖像;而后按照補償方法的實施步驟,得到該成像系統的距離誤差補償矩陣;最后,在成像系統內加載距離誤差矩陣,改變平面靶板的位置至1 m、3 m、5 m、…、15 m處,分別拍攝補償前后的三維深度圖像進行對比,如圖10所示。為方便觀察和對比,將深度圖轉換為RGB偽彩圖像顯示。

圖10 靶板位于5 m處的深度圖像對比

圖10中可以看出,未經補償的原始三維深度圖像灰度值從邊緣到中心逐漸變大,灰度值不同表示對應的距離值不同。實際目標為平面靶板,所有像素的測量距離值應基本一致,但是由于不同像素的開門時間特性不同,實際測量的距離值存在較大誤差。經過補償后,從灰度圖和偽彩圖中都能明顯看出,所有像素的距離測量值趨于一致。

為進一步量化實驗結論,圖11(a)展示了未經補償的三維成像距離測量誤差矩陣,與1.3中的仿真結果和3.1節中的測量結果一致。邊緣像素的測量誤差很小,但是越靠近中心區域,測量誤差越大,最大值可以達到0.6 m。圖11(b)中展示了經過補償后的三維成像距離測量誤差矩陣,可以看出,經過修正補償后,三維成像距離測量誤差得到了顯著減小。最大誤差減小到0.05 m左右。

圖11 5 m處的距離誤差對比

表1對比了不同目標距離處,目標實際距離和三維成像測量距離的誤差均值和標準差。經過補償后的每個距離測量誤差均值在0.015 m以內,標準差均小于0.02 m。與未經補償前對比,效果提升明顯。同時,對比文獻[8-10]中的研究成果,補償后的三維成像距離分辨率與采用性能更好的進口器件相當。

表1 1～15 m距離誤差對比

圖12展示了補償后的三維成像效果。將幾個不同大小的矩形箱體放在不同距離處(4～5 m)。從圖12中可以看出,經過補償后的圖像目標邊界較為清晰,同一距離處目標顏色相近且均勻,三維成像均勻性較好。

圖12 多目標三維成像效果對比

4 結論

本文首先詳細分析了ICCD探測器開門時間不均勻特性對距離選通三維成像的影響;通過推理和仿真確定造成三維成像不均勻的原因。其次提出一種針對三維成像不均勻性的補償方法,測量ICCD探測器的距離誤差矩陣對實際三維成像的距離矩陣進行補償。最后對該補償方法進行了實驗驗證。得出以下主要結論:

1) 通過不均勻性補償修正,可以大幅降低由于器件開門時間特性導致的三維成像不均勻性,提高三維測量精度和距離分辨率。

2) 由于像增強器開門時間不均勻屬于器件固有特性,因此該補償方法只需對探測器進行一次標定,將補償矩陣加載到三維成像算法中即可,可以有效克服探測器工藝方面的不足,對距離選通三維成像具備良好的工程應用價值。