馬 瑩,侯云海,魏洪朋

(長春工業(yè)大學 電氣與電子工程學院,吉林 長春 130012)

激光距離選通三維成像技術原理及其應用

馬 瑩,侯云海,魏洪朋

(長春工業(yè)大學 電氣與電子工程學院,吉林 長春 130012)

距離選通超分辨率三維成像技術被廣泛應用于水下成像、目標探測、遠距離偵查等領域.闡述了激光距離選通三維成像技術的原理,對延時步進、增益調(diào)制和超分辨率這3種方法進行了對比分析,介紹了距離選通超分辨率三維成像技術的2種算法(梯形距離能量相關算法和三角形距離能量相關算法),并進一步介紹了基于這2種算法的指數(shù)編碼方法,綜述了以上算法的研究進展.

距離選通;超分辨率;延時步進;增益調(diào)制

激光距離選通三維成像技術是一種主動成像技術,它是通過激光器主動發(fā)射激光,根據(jù)目標反射回來的光信號返回接收系統(tǒng)時間的不同,控制CCD的選通完成對目標的切片成像,并基于目標的強度像反演目標的三維空間信息.激光距離選通三維成像技術能夠有效地抑制大氣或水的后向散射,與傳統(tǒng)成像技術相比,該技術有較高的分辨率且作用距離遠、抗干擾能力強,還可以獲得目標的距離像和強度像,被廣泛應用于水下成像、目標探測、遠距離偵查等領域.

1 原理

距離選通三維成像系統(tǒng)主要由激光器、ICCD接收器、同步控制脈沖來實現(xiàn).首先激光器向目標發(fā)射激光脈沖,此時接收系統(tǒng)ICCD選通門關閉,以此來屏蔽大氣散射光及其他光的干擾,降低獲取圖像的噪聲.當反射回來的目標光信號到達ICCD時,控制選通門打開,接收目標反射光信號,完成成像[2].目前,主要通過延時步進、增益調(diào)制和超分辨率3種方法實現(xiàn)激光距離選通三維成像[1].

1.1 延時步進的原理

延時步進技術也叫"時間切片技術",這種技術是2004年提出的,首先使用激光器發(fā)射激光,經(jīng)過一段延時時間后打開攝像機的選通門成像,通過對延遲時間的步進增加,則可以得到N張目標的二維切片圖像,即時間切片圖像.然后便可以通過這N張二維切線的強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的三維信息.

1.2 增益調(diào)制的原理

在該方法中,可以通過2D增益調(diào)制門圖像和2D增益恒定門圖像來獲得3D空間信息,通過調(diào)制傳感器門的增益來產(chǎn)生增益調(diào)制的柵極圖像.目前已經(jīng)開發(fā)了2種增益調(diào)制類型,包括線性調(diào)制和指數(shù)調(diào)制.與線性增益調(diào)制相比,指數(shù)增益調(diào)制使得距離分辨率與目標范圍無關.對于增益調(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)計上穩(wěn)定的并且可以預先測量.此外,在其應用中,柵極時間必須遠大于激光脈沖寬度.

1.3 超分辨率的原理

實現(xiàn)超分辨率三維成像有2種算法,即梯形距離能量相關算法和三角形距離能量相關算法.在回波展寬效應作用下,目標距離能量向能量包絡為梯形或三角形,可通過相鄰切片的灰度比得到目標的距離信息.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,通過使選通門寬為激光脈寬的1倍便可實現(xiàn)三角形算法[3].

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

步進延時是通過上百張具有不同延時的二維距離切片圖像堆積進行反演實現(xiàn)目標的三維成像,這種方法需要獲取的圖像數(shù)量大,實時性差;增益調(diào)制與超分辨率成像都僅需幾張切片圖像即可,實時性強,且超分辨率成像的分辨率高,配合同步控制技術可實現(xiàn)較高分辨率的三維成像.筆者實驗室正在進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張目標的二維圖像可得到七碼道的距離能量相關算法,經(jīng)計算可反演出三維信息.

2 技術研究進展

2.1 延時步進的研究進展

2013年河南城建學院基于時間切片圖像進行了目標的三維成像仿真[4],目標距離設置為2 km,實驗激光脈寬為10 ns,快門時間為5 ns,步進延時為1 ns時,部分切片成像仿真圖像序列如圖1(a)所示,三維成像結果如圖1(b)所示,仿真采用了2組數(shù)據(jù),上方是快門時間為80 ns、延時步進5 ns的仿真結果圖,下方的是快門時間為5 ns、延時步進1 ns的仿真結果圖.實驗說明快門時間、步進延遲時間越短,距離精度越高.

圖1 部分切片圖像及其仿真結果圖

2.2 增益調(diào)制的研究進展

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

圖2 室外實驗室效果

2.3 編碼超分辨率三維成像的研究進展

2011年浙江大學基于梯形距離能量相關算法實現(xiàn)的三維成像實驗[6],實驗獲取了目標距離為600~1 100 m范圍的距離圖像,其實驗編碼原理及結果如圖3所示.

3 結束語

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、實時性較好、分辨率較高;基于梯形與三角形距離能量相關算法推演出來的編碼超分辨率三維成像技術能實現(xiàn)快速高分辨率三維成像.筆者實驗室將對此方法進行進一步的實驗研究.距離選通超分辨率三維成像技術在國防領域有廣泛的應用和廣闊的發(fā)展前景.

圖3 編碼超分辨率三維成像的原理及其實驗結果圖

[1]何歡.距離選通ICCD及其控制電路設計與實現(xiàn)[D].西安:中國科學院研究生院(西安光學精密機械研究所),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[D].北京:北京理工大學,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