[發明專利]基于時間關聯的三維成像裝置和成像方法

有效

• 申請號: 201710000722.0
• 申請日: 2017-01-03
• 公開（公告）號: CN106707295B
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: 薄遵望;龔文林;韓申生;陳明亮
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于時間關聯的三維成像裝置和成像方法，該三維成像裝置由激光器、光強調制器、激光擴束鏡、接收望遠鏡、面陣探測器和工控機組成，基于該三維成像裝置的時間關聯三維成像方法的實現途徑包括三步，第一步通過單次曝光成像獲取目標的二維圖像信息，第二步通過多次曝光探測及信號時間關聯運算獲取目標二維圖像上每個像點的高程信息，最后將二維圖像信息和對應像點的高程信息復合成目標的三維圖像。本方法可用于構建大視場、高分辨、低成本的三維激光成像雷達。

技術領域

本發明涉及激光三維成像，特別是一種基于時間關聯的三維成像裝置及成像方法。

背景技術

隨著科技的進步，三維成像正受到越來越多的重視和研究。三維圖像所攜帶的豐富信息和其所具有的幾何不變特性，使該技術如今已在城市規劃、工業檢測、自動導航和軍事目標識別等領域發揮了巨大作用。在遙感觀測領域，較為成熟的激光三維成像技術按照圖像獲取方式可以分為掃描成像和非掃描成像。

掃描成像利用激光照明和高靈敏點探測，逐點或逐行掃描獲取目標上每個點的光強反射信息和距離信息，從而實現三維成像。該成像方式得益于輻照能量的集中和單點探測器的高靈敏性，通常具有很高的探測信噪比，但其成像分辨率卻因遠距離探測時激光束受大氣擾動易于發散而導致成像分辨率較低。另外，掃描成像受掃描速率的限制，大視場掃描探測時成像速率較慢，不適合運動目標的三維信息獲取。為克服掃描成像存在的分辨率低和成像速率慢等問題，將點探測器集成為面陣探測器，對目標進行大范圍閃光照明及面探測可實現單次曝光成像。該成像方式在提取目標距離信息時通常有兩種方式，一種是面陣探測器中的每個像素獨立工作，獨立完成對返回信號的強度及到達時間的信息提取，該方式受器件集成技術的限制，一般難以實現大規模的面探測器集成，從而影響成像視場；另一種測距技術則通過準確而快速的曝光，通過距離選通實現距離信息提取，比如現有的增強電荷耦合器件(ICCD)便可實現納秒量級的曝光探測，但是該類器件成本高昂，尤其在紅外波段更是難以實現，目前世界上僅有少數國家掌握該面陣探測器技術。

發明內容

針對上述激光三維成像存在的問題，本發明提出一種基于時間關聯的三維成像裝置及成像方法。該成像裝置首先通過激光主動照明和焦平面曝光成像獲取目標的二維圖像信息；然后利用一系列光強隨機漲落的時間調制光場輻照目標，并通過接受系統中的低速面陣探測器對目標返回光進行積分探測，多次探測過程結束后利用一系列接收到的返回光場與發射出去的時間調制光場之間的時間相關性來判斷目標上每個像點的能量積分時間，將每個像點的能量積分時間映射到距離維度上獲取目標的高程信息；最后結合目標的二維圖像信息及二維圖像上每個像點對應的高程信息復合出目標的三維圖像。

本發明的技術解決方案如下：

一種基于時間關聯的三維成像裝置，其特點在于，包括發射系統、接收系統和控制系統：

所述的發射系統包括激光器、光強調制器和激光擴束鏡，所述的接收系統包括接收望遠鏡和面陣探測器，所述的控制系統為工控機，沿所述激光器的輸出光路依次是所述的光強調制器和激光擴束鏡，所述激光擴束鏡將激光束整形擴束成空間均勻分布的光束并輻照到目標上，所述的接收望遠鏡將目標成像到所述面陣探測器的感光面上；所述的激光器、光強調制器和面陣探測器分別與所述的工控機相連，并在所述工控機的控制下同步協調工作。

所述的基于時間關聯的三維成像裝置的三維成像方法，該方法包括下列步驟：

1)在所述的工控機的控制下，所述的激光器、光強調制器和面陣探測器同步工作，所述的激光器輸出的連續激光經所述的激光擴束鏡整形擴束成空間分布相對均勻的光場后發射到目標上，所述的目標反射后進入所述的接收望遠鏡并被成像到所述的面陣探測器的感光面上，所述的面陣探測器獲取目標的二維圖像信息A(x,y)，其中A(x,y)的數值為歸一化的目標反射系數，(x,y)表示二維圖像上每個像點的坐標；

2)獲取目標二維圖像上每個像點的高程信息R(x,y)；