本發(fā)明涉及三維成像技術(shù)。

背景技術(shù)：

目前常用的二維光學(xué)成像手段都是基于CCD、CMOS這樣的陣列探測(cè)器。而三維光學(xué)成像(三維圖像也稱為距離圖像，三維即X、Y、X三個(gè)維度)的實(shí)現(xiàn)目前仍是比較困難的問題。因?yàn)镃CD、CMOS這樣的成熟陣列都屬于積分器件，只能探測(cè)光信號(hào)的強(qiáng)度，而無法分辨光信號(hào)的時(shí)間信息。而具有時(shí)間分辨能力的光探測(cè)器陣列如APD陣列的技術(shù)還不夠成熟，不僅價(jià)格昂貴、而且目前商用的只有32*32這樣的小陣列，很難實(shí)現(xiàn)高分辨的三維成像。今年來出現(xiàn)的單像素成像相機(jī)為這一需求提供了一條有希望的解決途徑。目前大多數(shù)的單像素成像技術(shù)是面向二維成像的，少數(shù)三維單像素成像技術(shù)都需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速采樣、后續(xù)要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，極大地增加了系統(tǒng)的硬件開銷，同時(shí)降低了系統(tǒng)的成像速度，而且系統(tǒng)的分辨率受到高速采樣帶寬的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了滿足三維成像技術(shù)的發(fā)展需求，提供一種脈沖增益調(diào)制式單像素三維成像系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明所述的一種脈沖增益調(diào)制式單像素三維成像系統(tǒng)包括脈沖激光器1、單元探測(cè)器2、光場(chǎng)調(diào)制器3、擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)4、發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)5、電壓調(diào)制源6、放大器7和積分器8；

脈沖激光器1用于產(chǎn)生脈沖激光，所述脈沖激光通過擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)4擴(kuò)束后入射至光場(chǎng)調(diào)制器3；

所述光場(chǎng)調(diào)制器3用于在計(jì)算機(jī)10產(chǎn)生的隨機(jī)矩陣的控制下產(chǎn)生隨機(jī)光場(chǎng)，該光場(chǎng)通過發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)5發(fā)射出去，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照明；

發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)5接收目標(biāo)返回的光波；

單元探測(cè)器2用于對(duì)返回的光波進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；

電壓調(diào)制源6用于在計(jì)算機(jī)10的控制下產(chǎn)生單調(diào)變化的增益調(diào)制信號(hào)，該調(diào)制信號(hào)用于對(duì)單元探測(cè)器2輸出的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；

調(diào)制后的探測(cè)信號(hào)經(jīng)放大器7放大后再經(jīng)積分器8進(jìn)行積分，積分結(jié)果發(fā)送至計(jì)算機(jī)10。

本發(fā)明所述的一種脈沖增益調(diào)制式單像素三維成像方法為：

步驟一、光源產(chǎn)生的脈沖激光發(fā)射至光場(chǎng)調(diào)制器3上；

所述光場(chǎng)調(diào)制器3在計(jì)算機(jī)10產(chǎn)生的隨機(jī)矩陣的控制下產(chǎn)生隨機(jī)圖樣，進(jìn)而產(chǎn)生隨機(jī)光場(chǎng)，該光場(chǎng)用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照明；

采用單元探測(cè)器2探測(cè)目標(biāo)返回的光波；

步驟二、利用電壓調(diào)制源6產(chǎn)生單調(diào)變化的增益調(diào)制信號(hào)，并利用該調(diào)制信號(hào)對(duì)單元探測(cè)器2輸出的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，信號(hào)強(qiáng)度與時(shí)間一一對(duì)應(yīng)，相當(dāng)于將接收信號(hào)的時(shí)間信息轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信息；

步驟三、對(duì)調(diào)制后的探測(cè)信號(hào)放大后再積分；

計(jì)算機(jī)10每改變一次隨機(jī)矩陣，便得到一個(gè)積分值；

多個(gè)隨機(jī)矩陣構(gòu)成隨機(jī)散斑序列，多個(gè)積分值構(gòu)成積分值序列；

將隨機(jī)散斑序列與積分值序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算或壓縮感知運(yùn)算，得到的圖像矩陣為調(diào)制增益編碼圖像矩陣；

步驟四、利用電壓調(diào)制源6產(chǎn)生常數(shù)調(diào)制信號(hào)，并利用該調(diào)制信號(hào)對(duì)單元探測(cè)器2輸出的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后采用步驟三同樣的方法，將隨機(jī)散斑序列與積分值序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算或壓縮感知運(yùn)算，得到圖像矩陣，該圖像矩陣為常數(shù)增益編碼圖像矩陣；

步驟五、將調(diào)制增益編碼圖像矩陣中的每個(gè)元素與常數(shù)增益編碼圖像矩陣中對(duì)應(yīng)的元素相除，根據(jù)增益調(diào)制信號(hào)和常數(shù)調(diào)制信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)相除后得到的結(jié)果進(jìn)行反向推導(dǎo)，得到接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的延時(shí)，再根據(jù)時(shí)間與距離的關(guān)系計(jì)算得到每個(gè)像素的距離，所有像素的距離數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣為三維圖像矩陣，根據(jù)所有像素的距離數(shù)據(jù)得到三維圖像。

本發(fā)明利用脈沖激光器作為照明光源，用光場(chǎng)調(diào)制器將發(fā)射光調(diào)制為空間隨機(jī)分布的散斑光場(chǎng)去照明目標(biāo)，用單元時(shí)間分辨探測(cè)器收集從目標(biāo)上返回的所有光信號(hào)，利用探測(cè)器的調(diào)制增益對(duì)信號(hào)的時(shí)間信息進(jìn)行編碼，經(jīng)積分器累積傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存，同時(shí)記錄散斑光場(chǎng)的隨機(jī)分布，多次改變隨機(jī)散斑場(chǎng)，分別進(jìn)行記錄，最終可解算出目標(biāo)的三維像。該方法不需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速采樣，大大地減小了系統(tǒng)的硬件開銷，同時(shí)提高了系統(tǒng)的成像速度，而且使系統(tǒng)的分辨率擺脫了高速采樣帶寬的限制。

附圖說明

圖1為實(shí)施方式一所述的一種脈沖增益調(diào)制式單像素三維成像系統(tǒng)的原理框圖，其中11表示發(fā)射光場(chǎng)，12表示接收光場(chǎng)；

圖2為實(shí)施方式二中發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)、增益調(diào)制信號(hào)以及編碼信號(hào)的波形圖，t₁和t₂分別表示兩個(gè)目標(biāo)接收信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的時(shí)間延遲；

圖3為實(shí)施方式二中三維圖像解算過程的原理框圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1至圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種脈沖增益調(diào)制式單像素三維成像系統(tǒng)，包括脈沖激光器1、單元探測(cè)器2、光場(chǎng)調(diào)制器3、擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)4、發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)5、電壓調(diào)制源6、放大器7和積分器8；

脈沖激光器1用于產(chǎn)生脈沖激光，所述脈沖激光通過擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)4擴(kuò)束后入射至光場(chǎng)調(diào)制器3；

所述光場(chǎng)調(diào)制器3用于在計(jì)算機(jī)10產(chǎn)生的隨機(jī)矩陣的控制下產(chǎn)生隨機(jī)光場(chǎng)，該光場(chǎng)通過發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)5發(fā)射出去，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照明；

發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)5接收目標(biāo)返回的光波；

單元探測(cè)器2用于對(duì)返回的光波進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；

電壓調(diào)制源6用于在計(jì)算機(jī)10的控制下產(chǎn)生單調(diào)變化的增益調(diào)制信號(hào)，該調(diào)制信號(hào)用于對(duì)單元探測(cè)器2輸出的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；

調(diào)制后的探測(cè)信號(hào)經(jīng)放大器7放大后再經(jīng)積分器8進(jìn)行積分，積分結(jié)果發(fā)送至計(jì)算機(jī)10。

本實(shí)施方式利用脈沖激光器1作為照明光源，脈沖激光器1可以由計(jì)算機(jī)10脈控制，脈沖寬度低于ns量級(jí)以下，單元探測(cè)器2采用具有時(shí)間分辨能力的器件如APD，光電倍增管等。光場(chǎng)調(diào)制器3可選用液晶空間光調(diào)制器或數(shù)字微鏡陣列(DMD)等。電壓調(diào)制源6可產(chǎn)生電壓隨時(shí)間單調(diào)變化的各種函數(shù)形式，如線性調(diào)制、指數(shù)調(diào)制、平方調(diào)制等。

上述三維成像系統(tǒng)分為發(fā)射和接收兩個(gè)部分。如圖1所示，發(fā)射部分由脈沖激光器1、擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)4、光場(chǎng)調(diào)制器3和發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)5組成。脈沖激光器1出射的激光束經(jīng)擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)4擴(kuò)束后，打在光場(chǎng)調(diào)制器3上。光場(chǎng)調(diào)制器3是發(fā)射部分的核心部件，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射光場(chǎng)發(fā)射圖樣的控制。本方案中是通過計(jì)算機(jī)10產(chǎn)生隨機(jī)矩陣，實(shí)時(shí)將隨機(jī)矩陣傳輸?shù)焦鈭?chǎng)調(diào)制器3的內(nèi)存中，令光場(chǎng)調(diào)制器3實(shí)時(shí)更新隨機(jī)圖樣，從而使發(fā)射光場(chǎng)產(chǎn)生隨機(jī)分布的散斑圖樣。發(fā)射光場(chǎng)經(jīng)發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)5發(fā)射后對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照明。系統(tǒng)的接收部分由單元探測(cè)器2、放大器7、積分器8、電壓調(diào)制源6和發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)5構(gòu)成。目標(biāo)上的散射光被發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)5匯聚到單元探測(cè)器2上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。單元探測(cè)器2可選用高增益的高速雪崩二極管APD，配有高增益的跨阻放大器7，可實(shí)現(xiàn)較高的探測(cè)靈敏度。單元探測(cè)器2的增益受到電壓調(diào)制源6的控制，而電壓調(diào)制源6在計(jì)算機(jī)10的控制下產(chǎn)生單調(diào)變化的電壓信號(hào)，控制單元探測(cè)器2產(chǎn)生單調(diào)變化的增益。該增益對(duì)回波信號(hào)的時(shí)間信息進(jìn)行編碼，將時(shí)間信息轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信息。具體時(shí)序如圖2所示。

光場(chǎng)調(diào)制器3每改變一次隨機(jī)圖樣，積分器8就完成一次信號(hào)積分，并將積分結(jié)構(gòu)發(fā)送給計(jì)算機(jī)10。經(jīng)過成百上千次的圖樣改變和信號(hào)積分，最終通過將圖樣數(shù)據(jù)(即隨機(jī)矩陣)和積分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，就可將目標(biāo)的編碼圖像解算出來。對(duì)于該種調(diào)制方式，需要兩幅不同的編碼圖像才可以將目標(biāo)的三維距離像解算出來。具體的解算流程如圖3所示。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種脈沖增益調(diào)制式單像素三維成像方法可以采用實(shí)施方式一所述的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所述方法為：

步驟一、光源產(chǎn)生的脈沖激光(即發(fā)射信號(hào))經(jīng)過擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)4擴(kuò)束后，通過發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射至光場(chǎng)調(diào)制器3上；

所述光場(chǎng)調(diào)制器3在計(jì)算機(jī)10產(chǎn)生的隨機(jī)矩陣的控制下產(chǎn)生隨機(jī)圖樣(即隨機(jī)矩陣)，進(jìn)而產(chǎn)生隨機(jī)光場(chǎng)，該光場(chǎng)用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照明；

接收系統(tǒng)接收目標(biāo)返回的光波，并將該光波匯聚至單元探測(cè)器2上；

采用單元探測(cè)器2探測(cè)目標(biāo)返回的光波；

步驟二、利用計(jì)算機(jī)10控制電壓調(diào)制源6產(chǎn)生單調(diào)變化的增益調(diào)制信號(hào)，并利用該調(diào)制信號(hào)對(duì)單元探測(cè)器2輸出的探測(cè)信號(hào)(即接收信號(hào))進(jìn)行調(diào)制，由于該調(diào)制信號(hào)隨時(shí)間單調(diào)變化(例如圖2中的鋸齒波調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)呈線性變化)，信號(hào)強(qiáng)度與時(shí)間一一對(duì)應(yīng)，相當(dāng)于將接收信號(hào)的時(shí)間信息轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信息；

步驟三、對(duì)調(diào)制后的探測(cè)信號(hào)放大后再積分；

計(jì)算機(jī)10每改變一次隨機(jī)矩陣，便得到一個(gè)積分值；

多個(gè)隨機(jī)矩陣構(gòu)成隨機(jī)散斑序列，多個(gè)積分值構(gòu)成積分值序列；

將隨機(jī)散斑序列與積分值序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算或壓縮感知運(yùn)算，得到的圖像矩陣為調(diào)制增益編碼圖像矩陣，該矩陣中包含目標(biāo)的距離信息；

步驟四、利用電壓調(diào)制源6產(chǎn)生常數(shù)調(diào)制信號(hào)(即波形為直線的信號(hào))，并利用該調(diào)制信號(hào)對(duì)單元探測(cè)器2輸出的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后采用步驟三同樣的方法，將隨機(jī)散斑序列與積分值序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算或壓縮感知運(yùn)算，得到二維圖像矩陣，該圖像矩陣為常數(shù)增益編碼圖像矩陣；

步驟五、將調(diào)制增益編碼圖像矩陣中的每個(gè)元素與常數(shù)增益編碼圖像矩陣中對(duì)應(yīng)的元素相除，根據(jù)增益調(diào)制信號(hào)和常數(shù)調(diào)制信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)相除后得到的結(jié)果進(jìn)行反向推導(dǎo)，得到接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的延時(shí)，再根據(jù)時(shí)間與距離的關(guān)系計(jì)算得到每個(gè)像素的距離，所有像素的距離數(shù)據(jù)構(gòu)成三維圖像。

例如增益調(diào)制信號(hào)采用圖2中的鋸齒波信號(hào)，其一個(gè)周期內(nèi)的波形表達(dá)式為at+b的形式，a是斜率，b是截距，t是時(shí)間，常數(shù)調(diào)制信號(hào)的波形表達(dá)式為常數(shù)d，步驟五中的相除結(jié)果為e，那么e應(yīng)滿足e＝(at+b)/d，根據(jù)該公式計(jì)算得到t的值。最后根據(jù)距離等于時(shí)間與光速的乘積計(jì)算出距離，所有像素的距離數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣為三維圖像矩陣。