專(zhuān)利名稱(chēng)：一種獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種獲取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像 方法。
背景技術(shù)：
研究復(fù)雜背景下動(dòng)態(tài)目標(biāo)的有效成像及其運(yùn)動(dòng)參數(shù)的快速獲取技術(shù)對(duì)于目標(biāo)跟 蹤、自主導(dǎo)航及安防具有重要意義。傳統(tǒng)的獲取動(dòng)態(tài)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)技術(shù)主要有高速攝影及 雙圖像傳感交匯測(cè)量、光電經(jīng)緯儀、合成孔徑雷達(dá)和合成孔徑激光雷達(dá)等。1)、高速攝影及雙圖像傳感交匯測(cè)量在傳統(tǒng)的低空目標(biāo)位置參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中，目標(biāo)在某一航線上飛行， 需在相應(yīng)位置 設(shè)置標(biāo)定物，然后利用兩套高速攝影的膠片測(cè)量系統(tǒng)，在目標(biāo)運(yùn)行的方向與目標(biāo)的側(cè)向分 別獲取目標(biāo)運(yùn)行的序列圖像；最后通過(guò)對(duì)序列圖像的分析得到目標(biāo)位置信息。由于攝影膠 片存在成像質(zhì)量不高，不易保存，另外，走片設(shè)備復(fù)雜，處理周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，這種定位技術(shù)難 以達(dá)到數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和很高的定位精度，而且不易存檔。因此，該技術(shù)已很少使用。利用立體視覺(jué)原理的雙圖像傳感器交會(huì)測(cè)量是現(xiàn)代靶場(chǎng)測(cè)量中采用的一種實(shí)時(shí) 非接觸測(cè)量方法，借助兩臺(tái)高速攝影相機(jī)和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)空中動(dòng)目標(biāo)的定位和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的獲 取。但是，該測(cè)量技術(shù)需設(shè)定坐標(biāo)系，布置標(biāo)定物，合理設(shè)置兩相機(jī)的位置和姿態(tài)，在獲取 標(biāo)定圖像后，撤離標(biāo)定物，采集圖像，然后，根據(jù)標(biāo)定圖像和標(biāo)定物坐標(biāo)對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，最 后，對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)目標(biāo)圖像和標(biāo)定結(jié)果求解目標(biāo)的坐標(biāo)，獲取運(yùn)動(dòng)參數(shù)。因 此，該技術(shù)比較適合于靶場(chǎng)測(cè)量，而對(duì)于實(shí)戰(zhàn)環(huán)境則表現(xiàn)出系統(tǒng)復(fù)雜，需設(shè)置標(biāo)定物等不 足，且該技術(shù)不適用于夜間使用。2)、光電經(jīng)緯儀光電經(jīng)緯儀利用光學(xué)測(cè)量設(shè)備對(duì)飛行目標(biāo)進(jìn)行攝影、測(cè)量和采集信息以完成對(duì)目 標(biāo)軌跡和特性的記錄。經(jīng)緯儀跟蹤目標(biāo)時(shí)，需要采用相應(yīng)的處理方式獲取被跟蹤目標(biāo)在各 測(cè)量時(shí)間節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)空間坐標(biāo)與測(cè)量時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理，得到 目標(biāo)速度、加速度與測(cè)量時(shí)間的函數(shù)，并據(jù)此推斷目標(biāo)在后續(xù)時(shí)刻的位置、速度、加速度等 運(yùn)動(dòng)參數(shù)提供給光電經(jīng)緯儀自身的伺服控制系統(tǒng)作為目標(biāo)繼續(xù)捕獲的參考。光電經(jīng)緯儀分 為單臺(tái)帶激光測(cè)距方式和兩臺(tái)(或多臺(tái))交匯方式若距離不可測(cè)，必須使用交匯測(cè)量。其 優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)軌跡、速度、加速度的多功能測(cè)量，定位精度高。其缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)地對(duì)空 的空中目標(biāo)的測(cè)量，伺服系統(tǒng)體積較大，便攜性較差，夜間不可工作。3)、合成孔徑雷達(dá)和合成孔徑激光雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)(SAR)工作在微波波段，可全天候遠(yuǎn)距離工作，并能以超過(guò)衍射極 限的分辨率提供地面測(cè)繪數(shù)據(jù)和圖像。但是，SAR受樹(shù)干回波等雜波的干擾較大，虛警率 高，且其圖像不易判讀。合成孔徑激光雷達(dá)(SAL)是一種將普通合成孔徑雷達(dá)和激光雷達(dá) (LiDAR)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)合成孔徑成像的高分辨率雷達(dá)。SAL兼具SAR和LiDAR的優(yōu)點(diǎn)，可以 全天候遠(yuǎn)距離工作，將合成孔徑技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)域，可獲得更高的分辨率和更快的成像速度。但是，對(duì)于SAL來(lái)說(shuō)，由于激光波長(zhǎng)較短，受大氣等因素影響相位畸變較為嚴(yán)重，降低了相干探測(cè)的效率，聚焦效果差，從而減低了分辨率。另外，SAL數(shù)據(jù)處理也過(guò)于復(fù)雜，后期處 理繁瑣。以上傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)獲取技術(shù)對(duì)于復(fù)雜背景下，尤其是近地目標(biāo)動(dòng)態(tài)參 數(shù)的獲取，均存在難以實(shí)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的問(wèn)題，且圖像處理算法復(fù)雜，后續(xù)處理繁瑣。因此， 針對(duì)復(fù)雜背景下動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的獲取，提出一種新的方法一閃光追跡成像。該方法 可直接獲得目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)反演便可獲得目標(biāo)的3D-運(yùn)動(dòng)參數(shù)。閃光追跡成像技術(shù) 主要是基于距離選通成像技術(shù)并采用時(shí)間延時(shí)積分方式來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡的直 接獲取和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的獲取。對(duì)于距離選通成像技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少單位開(kāi)展了此方面 的研究。但是，目前所見(jiàn)報(bào)道中，該技術(shù)主要用于水下成像、三維成像和汽車(chē)夜視等，還未見(jiàn) 其用于動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的獲取。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明的主要目的在于提出一種獲取目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，以達(dá)到對(duì)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的成像及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的非接觸測(cè)量的 目的，尤其解決復(fù)雜背景下動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)獲取問(wèn)題。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，該方法基于距離選通成像技術(shù)， 采用脈沖激光器作為照明光源，采用配有選通門(mén)的CXD作為成像器件，并通過(guò)時(shí)間延時(shí)積 分的工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的成像。上述方案中，所述時(shí)間延時(shí)積分是通過(guò)激光頻閃成像實(shí)現(xiàn)的，成像器件一幀包含 多個(gè)子幀，每個(gè)子幀對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖對(duì)，而每個(gè)脈沖對(duì)則由一個(gè)激光脈沖和一個(gè)選通脈沖構(gòu) 成，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖對(duì)內(nèi)選通脈沖和激光脈沖間的延時(shí)可實(shí)現(xiàn)距離選通成像。上述方案中，在激光頻閃成像過(guò)程中，當(dāng)感興趣觀察區(qū)的第一個(gè)回波信號(hào)到達(dá)CXD 后，其感生的電荷不直接輸出，而是與同一幀其他脈沖對(duì)形成的目標(biāo)回波信號(hào)累積，這樣在 一幀的曝光時(shí)間里可接收目標(biāo)形成的多個(gè)回波信號(hào)；由于不同脈沖對(duì)之間存在延時(shí)，且目 標(biāo)是運(yùn)動(dòng)的，因此，不同脈沖對(duì)形成的目標(biāo)回波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的成像器件的感光像元不一致， 可理解為每個(gè)脈沖對(duì)形成一幅運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的子圖，形成一個(gè)目標(biāo)樣本，不同時(shí)刻下，不同子圖 中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)占據(jù)的像元區(qū)不同，即目標(biāo)樣本不重合；因此，當(dāng)成像器件一幀累積完成后，其 輸出圖像為多幅子圖的疊加，這樣便可直接在一幀圖像中獲得由目標(biāo)樣本形成的運(yùn)動(dòng)軌 跡；然后，通過(guò)建立感興趣觀察區(qū)三維空間與二維像平面間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可反演出目標(biāo)的三 維運(yùn)動(dòng)參數(shù)，該參數(shù)包括目標(biāo)的空間位置、速度和加速度。上述方案中，所述建立感興趣觀察區(qū)三維空間與二維像平面間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是以 成像器件的焦點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系的XY平面與成像平面平行；為避 免處理圖像中目標(biāo)位置與其真實(shí)三維空間位置相反的問(wèn)題，采用透視投影模型，將成像平 面和感興趣觀察區(qū)放在焦點(diǎn)的同側(cè)，建立感興趣觀察區(qū)三維空間與二維圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系如 下
τ =—⑴公式(1)中，f為成像器件的焦距，X、Y和Z為真實(shí)三維空間中X軸、Y軸和Z軸 坐標(biāo)，X和y為目標(biāo)在二維像平面對(duì)應(yīng)的X軸和Y軸坐標(biāo)；X向和Y向的距離精度依賴(lài)于 Z向的距離精度；由于觀察景深距系統(tǒng)較遠(yuǎn)，對(duì)于(X，Y，Z)位置的目標(biāo)到系統(tǒng)的距離R = (X2+Y2+Z2)172 ^ Ζ，因此，可認(rèn)為同一 Z平面上的各點(diǎn)到系統(tǒng)的距離相等為R ;Ζ向距離由選 通門(mén)與激光的延遲時(shí)間決定，具體為Z = R = ~-⑵。上述方案中，所述頻閃成像，是C⑶在一幀的曝光時(shí)間里多次曝光，每次選通門(mén)開(kāi) 啟曝光均與激光照射感興趣觀察區(qū)形成的回波信號(hào)相匹配；激光脈沖序列和選通脈沖序列 之間存在特定的匹配關(guān)系，每個(gè)激光脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)選通脈沖，形成一個(gè)脈沖對(duì)；在一個(gè)脈沖 對(duì)里，可通過(guò)調(diào)節(jié)激光脈沖和選通脈沖之間延時(shí)實(shí)現(xiàn)距離選通成像，在空間中形成一感興 趣觀察區(qū)，實(shí)現(xiàn)不同距離目標(biāo)的觀察。上述方案中，所述距離選通成像技術(shù)中，激光器發(fā)射一激光脈沖，激光 脈沖傳至目 標(biāo)，形成向后的回波信號(hào)；當(dāng)回波信號(hào)傳至成像器件時(shí)，選通門(mén)開(kāi)啟，CCD收集來(lái)自目標(biāo)的 信號(hào)，生成目標(biāo)的圖像；在激光傳播過(guò)程中，選通門(mén)一直處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣可屏蔽來(lái)自大 氣等的環(huán)境噪聲，僅使感興趣觀察區(qū)的信號(hào)被接收，通過(guò)控制選通門(mén)的選通脈沖和激光脈 沖之間的延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同距離目標(biāo)的成像；觀察距離由選通脈沖和激光脈沖間的延時(shí)τ
確定W =〒，其中，c為光速。而感興趣觀察區(qū)的景深d主要由激光脈寬、和選通門(mén)寬tg
c-(t -Vt1 )
確定，其大小為C/=υ θ
2上述方案中，目標(biāo)空間位置是指目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某一時(shí)刻所處在真實(shí)三維空間 的位置(x，Y，z)，通過(guò)閃光追跡成像技術(shù)可獲得目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而獲得目標(biāo)在像平面的 形心像素坐標(biāo)(Χρ,η，yp,n)；成像器件的X和Y向的像元分辨率為i和j，則目標(biāo)距離為Zn時(shí)， X向和Y向空間分辨率I、J為r.(3)
UJ / Vjj則相應(yīng)的X軸和Y軸的真實(shí)空間坐標(biāo)可由公式⑷給出
(γ \ f j ο、 (χ \" = ° .「叫(4)
\Yn ) V0 J) \yp,n)通過(guò)公式⑵和(4)便可獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的空間坐標(biāo)(Xn，Yn, Zn)。上述方案中，目標(biāo)的速度是指目標(biāo)的瞬時(shí)速度，由于采用頻閃成像，子幀周期為定 值，因此，圖像記錄下等時(shí)間間隔At下不同時(shí)刻的目標(biāo)位置；對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)的位移 矢量與運(yùn)動(dòng)軌道完全重合，而在曲線運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)At很小時(shí)，目標(biāo)的位移和軌道可近似地看 作重合；因此，在通過(guò)采集的圖像獲取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，可以利用微分思想把曲線運(yùn)動(dòng)看 作是由多個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組成；因此，在采集了目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡后，便可獲得目標(biāo)的速度參數(shù)； 則位置(Xn，Yn，Zn)目標(biāo)的瞬時(shí)速度為
<formula>formula see original document page 8</formula>公式(5)中，νχ,η、為投影在X軸、Y軸和Z軸上速度分量，(Χη+1,Υη+1,Ζη+1)為目標(biāo)自(χη，γη，ζη)位置運(yùn)動(dòng)At時(shí)間間隔后目標(biāo)的位置。上述方案中，目標(biāo)的加速度是指目標(biāo)的瞬時(shí)加速度，位置(Χη，Υη，Ζη)目標(biāo)的的瞬時(shí) 加速度為<formula>formula see original document page 8</formula>^(6)公式(6)中，ax,n、aY,n和az,n為投影在X軸、Y軸和Z軸上加速度分量，(Xn+ Ylri, Zlri)為目標(biāo)自(χη，γη，ζη)位置時(shí)間前移At所對(duì)應(yīng)時(shí)刻目標(biāo)所處位置；當(dāng)選通脈寬和激光 器脈寬比較小時(shí)，可認(rèn)為一幀圖像中各位置的ζ軸坐標(biāo)相等，W Zc ；因此，通過(guò)一幀 圖像主要獲得了目標(biāo)X向和Y向的速度分量；當(dāng)Z向速度分量較小時(shí)，閃光追跡成像技術(shù)可 通過(guò)掃描的方式提高目標(biāo)Z向距離精度，進(jìn)而提高測(cè)速精度。上述方案中，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡是指在一幅圖像中不同時(shí)刻下采集的多個(gè)目標(biāo)樣本 形成的可反應(yīng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)路徑的軌跡，在成像器件一幀的曝光時(shí)間里，采用激光頻閃對(duì)不同 時(shí)刻下運(yùn)動(dòng)到不同位置的目標(biāo)成像，從而形成多個(gè)目標(biāo)樣本，進(jìn)而反應(yīng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)路徑；在 目標(biāo)樣本相互分立的前提下，一幅圖像中目標(biāo)樣本數(shù)量越多，則越能反應(yīng)目標(biāo)真實(shí)的運(yùn)動(dòng) 軌跡，而目標(biāo)樣本的數(shù)量主要由子幀幀頻α決定；其中，子幀幀頻α是指每幀對(duì)應(yīng)的子幀 數(shù)量，CCD 一幀曝光時(shí)間里的有效曝光次數(shù)便是子幀幀頻，其大小為α = tj · RF(7)公式(7)中，RF為脈沖激光器的重復(fù)頻率，、為(⑶一個(gè)工作周期內(nèi)曝光時(shí)間；公 式(5)和(6)中的時(shí)間間隔At即為子幀的周期；當(dāng)脈沖激光器的工作周期遠(yuǎn)大于CCD — 幀的信號(hào)讀取和轉(zhuǎn)移時(shí)間、時(shí)，子幀幀頻可簡(jiǎn)化為<formula>formula see original document page 8</formula>(8)公式(8)中，F(xiàn)PS為成像器件幀頻。欲確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，至少需要3個(gè)目標(biāo)樣 本，則相應(yīng)的子幀幀頻的最小值應(yīng)為3 ；由于在子圖中存在空白子圖，因此，子幀幀頻應(yīng)大 于3，以便增加有效子圖的數(shù)量，增加圖像的信息。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、利用本發(fā)明，由于采用距離選通成像技術(shù)，可在空間形成一感興趣觀察區(qū)，系統(tǒng) 僅對(duì)感興趣觀察空間內(nèi)的目標(biāo)成像，所以，可濾除背景，突顯目標(biāo)，大大簡(jiǎn)化圖像的后續(xù)處理。2、利用本發(fā)明，由于采用時(shí)間延遲積分，可將目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡在一幅圖像中給出， 所以，該發(fā)明可直接獲得目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。3、利用本發(fā)明，由于時(shí)間延遲積分是基于激光頻閃成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，是一種幀內(nèi) 積分，并不影響成像器件的幀頻，而激光頻閃的工作方式使得低頻的成像器件也可獲得高速目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以，該發(fā)明可利用低頻成像器件獲得高速目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)，不 影響成像器件的幀頻。4、利用本發(fā)明，由于采用了距離選通成像和時(shí)間延時(shí)積分，所以，該發(fā)明可給出目 標(biāo)的距離信息和運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)建立感興趣觀察區(qū)三維空間與二維像平面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就 可獲得目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。5、利用本發(fā)明，由于獲取的目標(biāo)圖像為光的強(qiáng)度圖像，且系統(tǒng)僅接收來(lái)自感興趣 觀察區(qū)的信號(hào)，所以，本發(fā)明與合成孔徑激光雷達(dá)相比，受大氣等因素影響小。


圖1是閃光追跡成像系統(tǒng)(a)選通門(mén)關(guān)閉不成像，(b)選通門(mén)開(kāi)啟成像圖2是閃光追跡成像技術(shù)工作原理(a)工作時(shí)序，(b)工作場(chǎng)景示意圖，(c)-(f) 與脈沖對(duì)對(duì)應(yīng)的子圖，(g)成像器件輸出的圖像圖3是閃光追跡成像技術(shù)的理論模型(a)針孔攝像機(jī)模型(b)透視投影模型圖4是閃光追跡成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果(a)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景示意圖，(b)目標(biāo)靜態(tài)圖，(c)背景 圖，(d)高速攝影實(shí)驗(yàn)結(jié)果，(e)閃光追跡成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖中主要元件符號(hào)說(shuō)明1脈沖激光器，2選通成像器件(配有選通門(mén)的(XD)，3控制器，4圖像處理及顯示 裝置(計(jì)算機(jī))，5脈沖激光，6目標(biāo)，7背景，8大氣等環(huán)境影響因素，9目標(biāo)回波信號(hào)，10激 光脈沖，11選通脈沖，12CXD曝光時(shí)間，13脈沖對(duì)，14閃光追跡成像系統(tǒng)，15小球，16感興趣 觀察區(qū)，17目標(biāo)樣本，18像平面，19羽毛球，20背景靶
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。在此公開(kāi)本發(fā)明結(jié)構(gòu)實(shí)施例和方法的描述。可以了解的是并不意圖將本發(fā)明限制 在特定公開(kāi)的實(shí)施例中，而是本發(fā)明可以通過(guò)使用其它特征，元件方法和實(shí)施例來(lái)加以實(shí) 施。不同實(shí)施例中的相似元件通常會(huì)標(biāo)示相似的號(hào)碼。閃光追跡成像系統(tǒng)主要由脈沖激光器1、選通成像器件2、控制器3、圖像處理及顯 示裝置4和伺服云臺(tái)組成，如圖1所示。脈沖激光器脈寬為ns級(jí)激光器，為系統(tǒng)的照明光 源，用于照亮場(chǎng)景；選通成像器件2配有選通門(mén)，可由外部電觸發(fā)信號(hào)控制門(mén)的開(kāi)關(guān)；控制 器3主要是實(shí)現(xiàn)激光器和選通門(mén)的同步控制，以及時(shí)間延遲積分的時(shí)序控制；圖像處理及 顯示裝置4用于采集圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理，同時(shí)，作為命令輸入端向控制器3發(fā)送指令， 該裝置可基于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)；伺服云臺(tái)主要是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方位角度，用于鎖定目標(biāo)6。工作中，激光器發(fā)射一脈沖激光5，脈沖激光5傳至目標(biāo)6，形成向后的目標(biāo)回波信 號(hào)9。當(dāng)目標(biāo)回波信號(hào)9傳至選通成像器件2時(shí)，選通門(mén)開(kāi)啟，(XD收集來(lái)自目標(biāo)6的信號(hào)， 生成目標(biāo)圖像。在激光傳播過(guò)程中，選通門(mén)一直處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣可以屏蔽來(lái)自大氣等的 環(huán)境噪聲，僅使感興趣觀察區(qū)16的信號(hào)被接收，通過(guò)控制選通門(mén)的選通脈沖11和激光脈沖 10之間的延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同距離目標(biāo)的成像。觀察距離由選通脈沖11和激光脈沖10間的延
9時(shí)T確定& =〒，其中，c為光速。而感興趣觀察區(qū)16的景深d主要由激光脈寬、和選
通門(mén)寬tg確定，其大小為d =。、)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)而言，為了獲取其運(yùn)動(dòng)軌跡，閃光追跡成像采用了時(shí)間延時(shí)積分。該 延時(shí)積分主要是通過(guò)頻閃成像實(shí)現(xiàn)的，即在一幀的曝光時(shí)間里多次曝光，每次選通門(mén)開(kāi)啟 曝光均與激光照射感興趣觀察區(qū)16形成的目標(biāo)回波信號(hào)9相匹配。系統(tǒng)的工作時(shí)序如圖2(a)所示，激光脈沖序列和選通脈沖序列之間存在特定的 匹配關(guān)系，每個(gè)激光脈沖10對(duì)應(yīng)一個(gè)選通脈沖11，形成一個(gè)脈沖對(duì)13。在一個(gè)脈沖對(duì)13 里，可通過(guò)調(diào)節(jié)激光脈沖10和選通脈沖11之間延時(shí)實(shí)現(xiàn)距離選通成像，在空間中形成一感 興趣觀察區(qū)16，實(shí)現(xiàn)不同距離目標(biāo)的觀察，如圖2(b)所示。很顯然，在閃光追跡成像技術(shù)中成像器件一幀的曝光時(shí)間12里可包含多個(gè)脈沖 對(duì)13。該特點(diǎn)使得工作中當(dāng)感興趣觀察區(qū)16的第一個(gè)回波信號(hào)到達(dá)CCD后產(chǎn)生電荷不直 接輸出，而是與同一幀其他脈沖對(duì)13形成的目標(biāo)回波信號(hào)9累積，這樣在一幀的曝光時(shí)間 12里可接收目標(biāo)形成的多個(gè)回波信號(hào)。由于不同脈沖對(duì)之間存在延時(shí)，且目標(biāo)是運(yùn)動(dòng)的，因 此，不同脈沖對(duì)形成的目標(biāo)回波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的成像器件的感光像元不一致，可理解為每個(gè) 脈沖對(duì)形成一幅運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的子圖，不同時(shí)刻下，不同子圖中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)占據(jù)的像元區(qū)不同。自 然，當(dāng)成像器件一幀累積完成后，其輸出圖像為多幅子圖的疊加。以自由落體的小球?yàn)槔?，如圖2(a)所示，在成像器件一幀的曝光時(shí)間12里包含4 個(gè)脈沖對(duì)13。當(dāng)小球15自由落體時(shí)，不同的脈沖對(duì)13對(duì)應(yīng)不同的子圖，如圖2(c)-(f)，在 時(shí)間延遲積分模式下，該4幅子圖疊加形成圖2 (g)，作為一幀圖像輸出，直接給出了小球15 的運(yùn)動(dòng)軌跡圖像。需說(shuō)明的是，閃光追跡成像技術(shù)中的時(shí)間延時(shí)積分是幀內(nèi)積分，因此，對(duì) (XD的幀頻無(wú)影響。閃光追跡成像可直接獲取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。為獲取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，需建立感興 趣觀察區(qū)16三維空間與二維像平面18的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖3(a)所示，f為成像器件的焦距， C為焦點(diǎn)，以C點(diǎn)為原點(diǎn)建立了笛卡爾坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系的XY平面與像平面18平行。因?yàn)?像平面18位于焦點(diǎn)之后，所以，圖像中目標(biāo)的位置與真實(shí)的三維空間位置相反。為了便于 分析，我們將成像平面18和感興趣觀察區(qū)16放在了焦點(diǎn)的同側(cè)，如圖3(b)所示，這樣可以 避免處理圖像平面18中被反轉(zhuǎn)的位置，易建立感興趣觀察區(qū)16三維空間與二維像平面18 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其關(guān)系為<formula>formula see original document page 10</formula>公式⑷中X，Y和Z為真實(shí)三維空間中X軸，Y軸和Z軸坐標(biāo)，x和y為目標(biāo)在二維 像平面18對(duì)應(yīng)的X軸和Y軸坐標(biāo)。公式(4)表明，X向和Y向的距離精度依賴(lài)于Z向的距離 精度。由于觀察景深距系統(tǒng)較遠(yuǎn)，對(duì)于(X，Y，Z)處目標(biāo)到系統(tǒng)的距離R= (X2+Y2+Z2)1/2^Z, 因此，我們可認(rèn)為同一 Z平面上的各點(diǎn)到系統(tǒng)的距離相等為R。Z向距離由選通門(mén)與激光的 延遲時(shí)間決定，具體為Z = R = ^- (2)系統(tǒng)中成像器件其X和Y向的像元分辨率為i、j，如圖3(c)所示。則目標(biāo)距離為一幀圖像中各位置的Z軸坐標(biāo)相等， 向和Y向的速度分量。當(dāng)Z向速度分 量較小時(shí)，閃光追跡成像技術(shù)可通過(guò)掃描的方式，提高目標(biāo)Z向距離精度，進(jìn)而提高測(cè)速精度。 在閃光追跡成像系統(tǒng)中，C⑶輸出的圖像是多幅子圖的疊加，具體為一幀對(duì)應(yīng)一 幅圖像，一幀中包含多個(gè)子幀，每個(gè)子幀對(duì)應(yīng)一幅子圖。很顯然，一個(gè)子幀對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖對(duì)。 當(dāng)子圖含有目標(biāo)時(shí)，我們稱(chēng)子圖中的目標(biāo)為目標(biāo)樣本17。定義子幀幀頻a為每幀對(duì)應(yīng)的子 中貞數(shù)量，即(XD—幀曝光時(shí)間12里的有效曝光次數(shù)。在有效曝光里面，選通門(mén)開(kāi)啟，目標(biāo)的 信號(hào)被采集，并在(XD上積分。很顯然，子幀幀頻決定了運(yùn)動(dòng)軌跡圖像中目標(biāo)樣本的數(shù)量。 很容易發(fā)現(xiàn)，上面提到的時(shí)間間隔At即為系統(tǒng)子幀的周期。對(duì)于給定的成像器件，目標(biāo)樣 本越多，則時(shí)間間隔At越小，目標(biāo)的瞬時(shí)速度越準(zhǔn)確。子幀幀頻大小為
Z時(shí)，X向和Y向空間分辨率I，J為 r j\ r ；\
<formula>formula see original document page 11</formula> 通過(guò)閃光追跡成像技術(shù)可獲得如圖3(c)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡小球15從a位置運(yùn)動(dòng) 到b，然后運(yùn)動(dòng)到c位置。從圖3(c)中可得到在a、b、c三個(gè)位置的目標(biāo)小球形心的像素坐 標(biāo)(xp,a，yp,a)、(xp,b，yp,b)和(Xp,。，yp,。)，則相應(yīng)的真實(shí)空間坐標(biāo)可由公式⑷給出
<formula>formula see original document page 11</formula>從上面的分析可發(fā)現(xiàn)，通過(guò)公式⑵和⑷便可獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的空間坐標(biāo)(X，Y， Z) o如我們所知，速度為一矢量，在直角坐標(biāo)系中目標(biāo)的速度可表示為
<formula>formula see original document page 11</formula>公式中，交為目標(biāo)的速度，是一矢量，vx、vY和vz為投影在X軸、Y軸和Z軸上速度分 量，是標(biāo)量。1、和f分別為X軸、Y軸和Z軸的單位矢量。由于子幀周期為定值，因此，圖像記錄下了等時(shí)間間隔A t下不同時(shí)刻的小球15 位置。對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)中目標(biāo)的位移矢量與運(yùn)動(dòng)軌道完全重合，而在曲線運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)At很小 時(shí)，目標(biāo)的位移和軌道可近似地看作重合。因此，在通過(guò)采集的圖像研究目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度 時(shí)，可以利用微分技術(shù)把曲線運(yùn)動(dòng)看作是由多個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組成。因此，在采集了目標(biāo)的運(yùn)動(dòng) 軌跡后，便可獲得目標(biāo)的速度參數(shù)。以小球運(yùn)動(dòng)到a點(diǎn)為例，其瞬時(shí)速度為
<formula>formula see original document page 11</formula> 相應(yīng)的，我們可獲得小球在b點(diǎn)的位置小球^
<formula>formula see original document page 11</formula> 當(dāng)選通脈寬和激光器脈寬比較小時(shí)，可認(rèn)為 Za Zb Z。。因此，通過(guò)一幀圖像主要獲得了目標(biāo)X
<formula>formula see original document page 12</formula>(8)公式(8)中，RF為脈沖激光器的重復(fù)頻率，、為CXD((XD為系統(tǒng)的成像器件)一 個(gè)工作周期內(nèi)曝光時(shí)間，如圖2(a)所示。當(dāng)脈沖激光器的工作周期遠(yuǎn)大于CCD —幀的信號(hào)讀取和轉(zhuǎn)移時(shí)間、時(shí)，子幀幀頻 可簡(jiǎn)化為(9)公式(9)中，F(xiàn)PS為成像器件幀頻。從上面的理論分析中可以發(fā)現(xiàn)，欲確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，至少需要3個(gè)目標(biāo)樣本， 則相應(yīng)的子幀幀頻的最小值應(yīng)為3。需說(shuō)明的是，并不是每幅子圖都可采集到目標(biāo)，在子幀 圖像中存在空白子幀，因此，子幀幀頻應(yīng)大于3，以便增加有效子幀的數(shù)量，增加圖像的信 息。在實(shí)際應(yīng)用中，同一類(lèi)型的動(dòng)目標(biāo)其速度往往具有一定的特征，即其速度在一定的區(qū)間 內(nèi)，因此，針對(duì)特定應(yīng)用目標(biāo)，由公式(4)和(6)可判斷系統(tǒng)中激光器的重復(fù)頻率和成像器 件的幀頻參數(shù)的設(shè)定的合理性。本實(shí)施例的具體步驟如下(1)計(jì)算機(jī)4作為顯示器和參數(shù)設(shè)置平臺(tái)，按照預(yù)測(cè)目標(biāo)6的運(yùn)動(dòng)特征設(shè)置系統(tǒng)參 數(shù)。參數(shù)主要包括激光器的脈寬、重復(fù)頻率、選通門(mén)的工作頻率、(XD的幀頻、脈沖對(duì)13中 選通脈沖11與激光脈沖10之間的延時(shí)，伺服云臺(tái)參數(shù)等。參數(shù)設(shè)定后指令傳給脈沖激光 器1、(XD2、控制器3和伺服云臺(tái)。(2)控制器3按照計(jì)算機(jī)4指令產(chǎn)生系統(tǒng)的工作時(shí)序，并將時(shí)序控制信號(hào)分發(fā)給脈 沖激光器1及選通成像器件2。(3)脈沖激光器1按照控制器3發(fā)出的指令調(diào)整工作參數(shù)，產(chǎn)生與時(shí)序驅(qū)動(dòng)器給出 的激光脈沖驅(qū)動(dòng)序列對(duì)應(yīng)的激光脈沖10序列，對(duì)感興趣觀察區(qū)16進(jìn)行照明。同時(shí)，選通門(mén) 按照控制器3發(fā)出的指令調(diào)整工作頻率和選通門(mén)寬，并按照時(shí)序驅(qū)動(dòng)器給出的選通脈沖驅(qū) 動(dòng)序列和預(yù)設(shè)的延時(shí)開(kāi)啟關(guān)閉，僅讓感興趣觀察區(qū)16的信號(hào)進(jìn)入到CCD2中。(4)當(dāng)目標(biāo)6進(jìn)入感興趣觀察區(qū)16后，在脈沖激光的照明下產(chǎn)生相應(yīng)的回波信號(hào)， 該回波信號(hào)經(jīng)過(guò)開(kāi)啟的選通門(mén)被C⑶2接收。在完成一幀的延時(shí)積累后，(XD2輸出圖像至 計(jì)算機(jī)4。CCD為視頻輸出，采集的圖像均被傳至計(jì)算機(jī)。(5)計(jì)算機(jī)4接收來(lái)自(XD2的圖像，并對(duì)其進(jìn)行處理分析，獲取目標(biāo)6的運(yùn)動(dòng) 特征，并對(duì)其進(jìn)行分析。按照分析結(jié)果自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的初始設(shè)置的工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，重復(fù) (2) - (5)，這樣，便可通過(guò)初始參數(shù)的調(diào)整提高目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量精度，當(dāng)滿(mǎn)足測(cè)量要求后， 即完成參數(shù)測(cè)量。對(duì)于閃光追跡成像技術(shù)，本發(fā)明搭建了系統(tǒng)原理樣機(jī)，進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 如圖4所示。在圖4的實(shí)驗(yàn)中，觀察目標(biāo)為羽毛球19，其靜態(tài)圖像為圖4(b)。圖4(c)為背 景靶20所成圖像。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖4(a)所示，羽毛球在閃光追跡成像系統(tǒng)14和背景靶20 間做落體運(yùn)動(dòng)。圖4(d)為采用高速攝影獲得圖像，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)淹沒(méi)在背景 中，很難發(fā)現(xiàn)。圖4(e)為采用閃光追跡成像獲得羽毛球下落的軌跡圖像。在圖4(e)中，由 于閃光追跡成像中采用了距離選通成像，因此，系統(tǒng)僅對(duì)感興趣觀察區(qū)16的目標(biāo)進(jìn)行了成 像，目標(biāo)后的背景靶20被濾除，可以清楚獲得羽毛球19的下落軌跡，為進(jìn)一步獲取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)提供了原始數(shù)據(jù)。此實(shí)驗(yàn)僅為初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，其特征在于，該方法基于距離選通成像技術(shù)，采用脈沖激光器作為照明光源，采用配有選通門(mén)的CCD作為成像器件，并通過(guò)時(shí)間延時(shí)積分的工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，其特征在于，所 述時(shí)間延時(shí)積分是通過(guò)激光頻閃成像實(shí)現(xiàn)的，成像器件一幀包含多個(gè)子幀，每個(gè)子幀對(duì)應(yīng) 一個(gè)脈沖對(duì)，而每個(gè)脈沖對(duì)則由一個(gè)激光脈沖和一個(gè)選通脈沖構(gòu)成，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖對(duì)內(nèi)選 通脈沖和激光脈沖間的延時(shí)可實(shí)現(xiàn)距離選通成像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，其特征在于，在 激光頻閃成像過(guò)程中，當(dāng)感興趣觀察區(qū)的第一個(gè)回波信號(hào)到達(dá)CCD后，其感生的電荷不直 接輸出，而是與同一幀其他脈沖對(duì)形成的目標(biāo)回波信號(hào)累積，這樣在一幀的曝光時(shí)間里可 接收目標(biāo)形成的多個(gè)回波信號(hào)；由于不同脈沖對(duì)之間存在延時(shí)，且目標(biāo)是運(yùn)動(dòng)的，因此，不 同脈沖對(duì)形成的目標(biāo)回波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的成像器件的感光像元不一致，可理解為每個(gè)脈沖對(duì) 形成一幅運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的子圖，形成一個(gè)目標(biāo)樣本，不同時(shí)刻下，不同子圖中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)占據(jù)的像 元區(qū)不同，即目標(biāo)樣本不重合；因此，當(dāng)成像器件一幀累積完成后，其輸出圖像為多幅子圖 的疊加，這樣便可直接在一幀圖像中獲得由目標(biāo)樣本形成的運(yùn)動(dòng)軌跡；然后，通過(guò)建立感興 趣觀察區(qū)三維空間與二維像平面間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可反演出目標(biāo)的三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)，該參數(shù)包 括目標(biāo)的空間位置、速度和加速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，其特征在于，所 述建立感興趣觀察區(qū)三維空間與二維像平面間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是以成像器件的焦點(diǎn)為坐標(biāo)原 點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系的XY平面與成像平面平行；為避免處理圖像中目標(biāo)位置與 其真實(shí)三維空間位置相反的問(wèn)題，采用透視投影模型，將成像平面和感興趣觀察區(qū)放在焦 點(diǎn)的同側(cè)，建立感興趣觀察區(qū)三維空間與二維圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下<formula>formula see original document page 2</formula>公式(1)中，f為成像器件的焦距，X、Y和Z為真實(shí)三維空間中X軸、Y軸和Z軸坐 標(biāo)，x和y為目標(biāo)在二維像平面對(duì)應(yīng)的X軸和Y軸坐標(biāo)；X向和Y向的距離精度依賴(lài)于Z 向的距離精度；由于觀察景深距系統(tǒng)較遠(yuǎn)，對(duì)于(X，Y，Z)位置的目標(biāo)到系統(tǒng)的距離R = (X2+Y2+Z2)172 ^ Z，因此，可認(rèn)為同一 Z平面上的各點(diǎn)到系統(tǒng)的距離相等為R;Z向距離由選 通門(mén)與激光的延遲時(shí)間決定，具體為<formula>formula see original document page 2</formula>
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，其特征在于，所 述頻閃成像，是CCD在一幀的曝光時(shí)間里多次曝光，每次選通門(mén)開(kāi)啟曝光均與激光照射感 興趣觀察區(qū)形成的回波信號(hào)相匹配；激光脈沖序列和選通脈沖序列之間存在特定的匹配關(guān) 系，每個(gè)激光脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)選通脈沖，形成一個(gè)脈沖對(duì)；在一個(gè)脈沖對(duì)里，可通過(guò)調(diào)節(jié)激光 脈沖和選通脈沖之間延時(shí)實(shí)現(xiàn)距離選通成像，在空間中形成一感興趣觀察區(qū)，實(shí)現(xiàn)不同距 離目標(biāo)的觀察。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，其特征在于， 所述距離選通成像技術(shù)中，激光器發(fā)射一激光脈沖，激光脈沖傳至目標(biāo)，形成向后的回波信號(hào)；當(dāng)回波信號(hào)傳至成像器件時(shí)，選通門(mén)開(kāi)啟，CCD收集來(lái)自目標(biāo)的信號(hào)，生成目標(biāo)的圖像；在激光傳播過(guò)程中，選通門(mén)一直處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣可屏蔽來(lái)自大氣等的環(huán)境噪聲，僅使感興趣觀察區(qū)的信號(hào)被接收，通過(guò)控制選通門(mén)的選通脈沖和激光脈沖之間的延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同距離目標(biāo)的成像；觀察距離由選通脈沖和激光脈沖間的延時(shí)T確定穴’÷，其中，C為光速；而感興趣觀察區(qū)的景深d主要由激光脈寬t，，和選通門(mén)寬t。確定，其大小為<formula>formula see original document page 3</formula>
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，其特征在于，目標(biāo)空間位置是指目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某一時(shí)刻所處在真實(shí)三維空間的位置(X，Y，Z)，通過(guò)閃光追跡成像技術(shù)可獲得目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而獲得目標(biāo)在像平面的形心像素坐標(biāo)(XD真n，yT＼..)；成像器件的X和Y向的像元分辨率為i和j，則目標(biāo)距離為Z.時(shí)，X向和Y向空間分辨<formula>formula see original document page 3</formula>(3)則相應(yīng)的X軸和Y軸的真實(shí)空間坐標(biāo)可由公式(4)給出<formula>formula see original document page 3</formula>(4)通過(guò)公式(2)和(4)便可獲得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的空間坐標(biāo)(X.，Y.，Z.)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，其特征在于，目標(biāo)的速度是指目標(biāo)的瞬時(shí)速度，由于采用頻閃成像，子幀周期為定值，因此，圖像記錄下等時(shí)間間隔A t下不同時(shí)刻的目標(biāo)位置；對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)的位移矢量與運(yùn)動(dòng)軌道完全重合，而在曲線運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)厶t很小時(shí)，目標(biāo)的位移和軌道可近似地看作重合；因此，在通過(guò)采集的圖像獲取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，可以利用微分思想把曲線運(yùn)動(dòng)看作是由多個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組成；因此，在采集了目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡后，便可獲得目標(biāo)的速度參數(shù)；則位置(X.，Y.，Z.)目標(biāo)的瞬時(shí)速度為<formula>formula see original document page 3</formula>公式(5)中，V加、V加和V，.為投影在X軸、Y軸和Z軸上速度分量，(X.／1，乙、，Z.+、)為目標(biāo)自(X.，Y.，Z.)位置運(yùn)動(dòng)厶t時(shí)間間隔后目標(biāo)的位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，其特征在于，目標(biāo)的加速度是指目標(biāo)的瞬時(shí)加速度，位置(X.，Y.，Z.)目標(biāo)的的瞬時(shí)加速度為<formula>formula see original document page 3</formula>公式(6)中，a加、a加和a，.為投影在X軸、Y軸和Z軸上加速度分量，(X.一1，Y.一1，Zn一、)為目標(biāo)自(X.，Y.，Z.)位置時(shí)間前移厶t所對(duì)應(yīng)時(shí)刻目標(biāo)所處位置；當(dāng)選通脈寬和激光器脈寬比較小時(shí)，可認(rèn)為一幀圖像中各位置的Z軸坐標(biāo)相等，Z。2C Zb CC Z.；因此，通過(guò)一幀圖像主要獲得了目標(biāo)X向和Y向的速度分量；當(dāng)Z向速度分量較小時(shí)，閃光追跡成像技術(shù)可通過(guò) 掃描的方式提高目標(biāo)Z向距離精度，進(jìn)而提高測(cè)速精度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，其特征在于，目 標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡是指在一幅圖像中不同時(shí)刻下采集的多個(gè)目標(biāo)樣本形成的可反應(yīng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng) 路徑的軌跡，在成像器件一幀的曝光時(shí)間里，采用激光頻閃對(duì)不同時(shí)刻下運(yùn)動(dòng)到不同位置 的目標(biāo)成像，從而形成多個(gè)目標(biāo)樣本，進(jìn)而反應(yīng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)路徑；在目標(biāo)樣本相互分立的前 提下，一幅圖像中目標(biāo)樣本數(shù)量越多，則越能反應(yīng)目標(biāo)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，而目標(biāo)樣本的數(shù)量 主要由子幀幀頻a決定；其中，子幀幀頻a是指每幀對(duì)應(yīng)的子幀數(shù)量，CCD—幀曝光時(shí)間 里的有效曝光次數(shù)便是子幀幀頻，其大小為<formula>formula see original document page 4</formula>(7)公式(7)中，RF為脈沖激光器的重復(fù)頻率，、為CCD —個(gè)工作周期內(nèi)曝光時(shí)間；公式 (5)和(6)中的時(shí)間間隔At即為子幀的周期；當(dāng)脈沖激光器的工作周期遠(yuǎn)大于CCD—幀 的信號(hào)讀取和轉(zhuǎn)移時(shí)間、時(shí)，子幀幀頻可簡(jiǎn)化為<formula>formula see original document page 4</formula>公式⑶中，F(xiàn)PS為成像器件幀頻；欲確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，至少需要3個(gè)目標(biāo)樣本，則 相應(yīng)的子幀幀頻的最小值應(yīng)為3 ；由于在子圖中存在空白子圖，因此，子幀幀頻應(yīng)大于3，以 便增加有效子圖的數(shù)量，增加圖像的信息。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種獲取動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的閃光追跡成像方法，該方法基于距離選通成像技術(shù)，采用脈沖激光器作為照明光源，采用配有選通門(mén)的CCD作為成像器件，并通過(guò)時(shí)間延時(shí)積分的工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的成像。其中，距離選通可獲得目標(biāo)的距離信息，并可將目標(biāo)從復(fù)雜背景中提取出來(lái)，降低了后期處理的復(fù)雜性；時(shí)間延遲積分可直接獲得目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)建立感興趣觀察區(qū)三維空間與二維像平面間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可反演出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，主要包括目標(biāo)的空間位置、速度和加速度。本發(fā)明工作環(huán)境適應(yīng)性好，可直接獲取目標(biāo)3D運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的非接觸測(cè)量。
文檔編號(hào)G03B15/16GK101833223SQ201010140989
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者劉育梁, 周燕, 王新偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所