[發明專利]一種基于沙氏成像原理的激光三維關聯成像方法及其裝置

在審

• 申請號: 202210763193.0
• 申請日: 2022-07-01
• 公開（公告）號: CN115128632A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 龔文林;常世豪;居世昌;許春淼
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

本發明涉及一種基于沙氏成像原理的激光三維關聯成像方法及其裝置。幅度調制器以預設的編碼對激光光源發出的均勻光束進行振幅調制，經發射透鏡成像于待測物體上，待測物體的反射信號經收光透鏡以滿足沙氏成像原理的方式成像于面陣探測器上，面陣探測器記錄目標反射信息；激光光源、幅度調制器和面陣探測器由一個同步信號發生器同步觸發控制同時工作；將面陣探測器每個像元所記錄的信息與事先設定的編碼進行二階關聯運算，獲取一系列層析圖像，結合沙氏成像關系與層析圖像，實現待測物體的三維圖像重建。本發明利用調制光源探測物體，采用關聯運算獲取物體圖形，采用沙氏成像的方式并行探測物體信息，可大幅度提升成像速率，實現三維實時成像。

技術領域

本發明涉及一種基于沙氏成像原理的激光三維關聯成像方法及其成像裝置，屬于光學成像技術領域。

背景技術

二維成像丟失了物體的深度信息，已經漸漸不能滿足人們的需求，如在衛星測量、自動駕駛、遙感探測、醫學影像等領域中，數據信息更為豐富的激光三維成像占有重要地位。基于飛行時間（Time of Fly）方法的三維激光雷達是發射高強度脈沖激光探測到物體之后折返，用雪崩二極管（ADP）收集回波信號，根據發射和接收信號之間的時間差確定物體距離，想要提高精度必須使用高頻率的計時時鐘，對硬件要求極大。該方法的探測方式有掃描成像和凝視成像兩種，其中，掃描式難以實現高幀頻實時成像，并且對掃描裝置有要求；凝視式受到ADP面陣尺寸的限制，難以提高成像視場和分辨率。在除了TOF方法之外的三維成像方法中，條紋管激光雷達和沙氏三維成像方法均需要掃描裝置，無法實現高幀頻實時成像，且前者裝置復雜、工作波段受限，后者的探測精度受到光束展寬的影響。上述三維成像方法的圖像信息獲取效率和成像分辨率分別受奈奎斯特采樣定理和光學成像系統衍射極限的限制，存在較大技術瓶頸。

根據熱光場關聯成像發展起來的三維激光關聯成像雷達（參見文獻：Gong W,Zhao C, Yu H, et al. Three-dimensional ghost imaging lidar via sparsityconstraint[J]. Scientific reports, 2016, 6(1): 1-6.），通過調控光場漲落和單像素探測器接收目標回波信號、采用計算重構方法獲取目標的圖像信息，是一種凝視成像模式。目前有采用窄脈沖的空間調制激光照明和回波信號強度探測模式，以及采用長脈沖的時空兩維調制激光照明和回波信號外差探測模式的激光三維關聯成像。其利用時間分辨能力的單像素探測器獲取目標場景的三維圖像信息，不但圖像信息獲取效率可以突破奈奎斯特采樣定理的限制，而且還可以突破光學系統衍射極限對空間分辨率的限制。但是重構需要多次采樣影響成像速率，且成像視場受限，無法實現大視場、高幀頻、高分辨三維成像。

發明內容

本發明針對現有三維成像技術存在的不足，提供一種基于沙氏成像原理的激光三維關聯成像方法及其成像裝置，實現成像速率和成像視場的大幅度提升。

為解決現有技術存在的不足，本發明的技術解決方案是提供一種基于沙氏成像原理的激光三維關聯成像裝置，它包括激光器、幅度調制器、發射透鏡、待測物體、收光透鏡、面陣探測器和計算機；

所述幅度調制器以事先設定的編碼對激光發出的均勻光束進行振幅調制，發射透鏡將調制光場成像于待測物體上，物體的反射光經收光透鏡后以沙氏成像的方式成像于面陣探測器上；所述的幅度調制器和面陣探測器的輸出端同時連接執行二階關聯運算和沙氏距離計算的計算機，所述的激光光源、幅度調制器和面陣探測器同時由一個同步信號發生器同步觸發控制同時工作。對面陣探測器上每個像元記錄的光強和預設編碼進行二階關聯運算，提取一系列層析面的空間信息，結合沙氏成像計算距離，經過遍歷提取待測物體的三維空間信息。

本發明提供的一種基于沙氏成像原理的激光三維關聯成像裝置，其幅度調制器的預設編碼為隨機產生的K個0/1二值分布的無重疊散斑圖像，K個隨機產生的散斑圖像的對應空間位置疊加呈均勻光分布。所述的沙氏成像的方式是指收光透鏡平面、面陣探測器平面和發射透鏡的主光軸平面彼此相交，面陣探測器的不同像元以角度分辨的方式探測到不同距離的物體。