激光距离选通三维成像技术原理及其应用

马 莹,侯云海,魏洪朋

(长春工业大学 电气与电子工程学院,吉林 长春 130012)

激光距离选通三维成像技术原理及其应用

马 莹,侯云海,魏洪朋

(长春工业大学 电气与电子工程学院,吉林 长春 130012)

距离选通超分辨率三维成像技术被广泛应用于水下成像、目标探测、远距离侦查等领域.阐述了激光距离选通三维成像技术的原理,对延时步进、增益调制和超分辨率这3种方法进行了对比分析,介绍了距离选通超分辨率三维成像技术的2种算法(梯形距离能量相关算法和三角形距离能量相关算法),并进一步介绍了基于这2种算法的指数编码方法,综述了以上算法的研究进展.

距离选通;超分辨率;延时步进;增益调制

激光距离选通三维成像技术是一种主动成像技术,它是通过激光器主动发射激光,根据目标反射回来的光信号返回接收系统时间的不同,控制CCD的选通完成对目标的切片成像,并基于目标的强度像反演目标的三维空间信息.激光距离选通三维成像技术能够有效地抑制大气或水的后向散射,与传统成像技术相比,该技术有较高的分辨率且作用距离远、抗干扰能力强,还可以获得目标的距离像和强度像,被广泛应用于水下成像、目标探测、远距离侦查等领域.

1 原理

距离选通三维成像系统主要由激光器、ICCD接收器、同步控制脉冲来实现.首先激光器向目标发射激光脉冲,此时接收系统ICCD选通门关闭,以此来屏蔽大气散射光及其他光的干扰,降低获取图像的噪声.当反射回来的目标光信号到达ICCD时,控制选通门打开,接收目标反射光信号,完成成像[2].目前,主要通过延时步进、增益调制和超分辨率3种方法实现激光距离选通三维成像[1].

1.1 延时步进的原理

延时步进技术也叫"时间切片技术",这种技术是2004年提出的,首先使用激光器发射激光,经过一段延时时间后打开摄像机的选通门成像,通过对延迟时间的步进增加,则可以得到N张目标的二维切片图像,即时间切片图像.然后便可以通过这N张二维切线的强度像便可推算出每张图片的距离信息,最后将这N张图片的距离信息堆积便可得到目标的三维信息.

1.2 增益调制的原理

在该方法中,可以通过2D增益调制门图像和2D增益恒定门图像来获得3D空间信息,通过调制传感器门的增益来产生增益调制的栅极图像.目前已经开发了2种增益调制类型,包括线性调制和指数调制.与线性增益调制相比,指数增益调制使得距离分辨率与目标范围无关.对于增益调制方法,激光脉冲形状是自由的,但是激光脉冲形状必须是稳定的或统计上稳定的并且可以预先测量.此外,在其应用中,栅极时间必须远大于激光脉冲宽度.

1.3 超分辨率的原理

实现超分辨率三维成像有2种算法,即梯形距离能量相关算法和三角形距离能量相关算法.在回波展宽效应作用下,目标距离能量向能量包络为梯形或三角形,可通过相邻切片的灰度比得到目标的距离信息.由于三角形的能量态比梯形的少,其效果也比梯形的好,所以本论文介绍三角形的原理如公式(1)所示,通过使选通门宽为激光脉宽的1倍便可实现三角形算法[3].

式(1)中:τA为选通延迟时间;Ihead,B为二维切片图像B的头信号的灰度值;Itail,A为二维切片图像A的尾信号的灰度值;tL为激光脉宽;C为光速.

步进延时是通过上百张具有不同延时的二维距离切片图像堆积进行反演实现目标的三维成像,这种方法需要获取的图像数量大,实时性差;增益调制与超分辨率成像都仅需几张切片图像即可,实时性强,且超分辨率成像的分辨率高,配合同步控制技术可实现较高分辨率的三维成像.笔者实验室正在进行超分辨率三维成像的研究,基于三角形距离能量算法,使用3张目标的二维图像可得到七码道的距离能量相关算法,经计算可反演出三维信息.

2 技术研究进展

2.1 延时步进的研究进展

2013年河南城建学院基于时间切片图像进行了目标的三维成像仿真[4],目标距离设置为2 km,实验激光脉宽为10 ns,快门时间为5 ns,步进延时为1 ns时,部分切片成像仿真图像序列如图1(a)所示,三维成像结果如图1(b)所示,仿真采用了2组数据,上方是快门时间为80 ns、延时步进5 ns的仿真结果图,下方的是快门时间为5 ns、延时步进1 ns的仿真结果图.实验说明快门时间、步进延迟时间越短,距离精度越高.

图1 部分切片图像及其仿真结果图

2.2 增益调制的研究进展

2013年哈尔滨工业大学和天津津航技术物理研究所对成像方法进行了较深入的研究[3],对于间隔为4 m的靶标,在考虑起伏误差的条件下,误差仅可小于3 m,如图2所示.该方法所测精度受图像信噪比等影响较为严重,目前所测距离精度较差.

图2 室外实验室效果

2.3 编码超分辨率三维成像的研究进展

2011年浙江大学基于梯形距离能量相关算法实现的三维成像实验[6],实验获取了目标距离为600~1 100 m范围的距离图像,其实验编码原理及结果如图3所示.

3 结束语

本论文介绍了激光距离选通三维成像的发展情况,阐述了实现三维成像的几种方法,其中,超分辨率三维成像需要获取的图片数量少、实时性较好、分辨率较高;基于梯形与三角形距离能量相关算法推演出来的编码超分辨率三维成像技术能实现快速高分辨率三维成像.笔者实验室将对此方法进行进一步的实验研究.距离选通超分辨率三维成像技术在国防领域有广泛的应用和广阔的发展前景.

图3 编码超分辨率三维成像的原理及其实验结果图

[1]何欢.距离选通ICCD及其控制电路设计与实现[D].西安:中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所),2015.

[2]田东康.基于激光距离选通成像系统的三维图像重构[D].北京:北京理工大学,2016.

[3]王新伟,刘晓泉,游瑞蓉,等.距离选通超分辨率三维成像及其应用[J].红外与激光工程,2016,45(08):122-129.

[4]闫涛,吴孝丽.距离选通条件下的三维建模仿真算法[J].红外与激光工程,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.

〔编辑:刘晓芳〕

TN249;TN958.98

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.22.152

2095-6835(2017)22-0152-02