專利名稱：一種光放大型三維成像方法及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及三維成像的方法及系統(tǒng)，尤其是涉及一種光放大型三維成像方法及系統(tǒng)。
背景技術：
隨著人類科技進步與社會的發(fā)展需要，飛機等高速飛行器導航，超視距全天候目 標識別與跟蹤，地理地貌高精度勘測等應用都對遠距離目標探測提出了極高的要求。三維 成像激光雷達的快速發(fā)展為人們解決遠距離探測等問題提供了新的研究方向。但是傳統(tǒng)的 三維成像激光雷達系統(tǒng)在探測較遠目標時，捕獲到得光信號信噪比較低，從而在測距分辨 率等方面的性能難以有突破性的提高。所以研究高性能的三維成像技術是人們關注的焦點 之一。 美國的林肯實驗室采用蓋革(Geiger)模式的雪崩光電二極管(AvalanchePhoto Diode， APD)測距單點模塊構建三維測距技術。該方法受限于工藝水平，像素數(shù)低，像素間 串擾嚴重。丹麥Andersen等人發(fā)明了基于時間切片(TimeSlicing)的門選通型三維激光 雷達技術。該方法的局限性在于需要數(shù)十幅強度圖才能通過計算獲得一幅三維圖像。德法 圣路易斯研究院的Martin Laurenzis等人利用高質(zhì)量矩形光脈沖和門選通，可以獲得梯形 的距離一光強關系。兩幅圖像可以得到三維圖像。該方法的局限在于需要嚴格控制光脈沖 和接受器的調(diào)制質(zhì)量。 申請人:曾提出了無掃描器脈沖調(diào)制式三維成像方法及系統(tǒng)(專利號 20051004946. 3)，該系統(tǒng)的測量精度與發(fā)射激光脈沖的形狀無關，但在實際情況中，受到探 測目標距離較遠，光源功率不能過大，接收光學系統(tǒng)口徑不能過大等因素的影響，使探測器 獲取的光信號較弱，導致信噪比下降，測量精度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光放大型三維成像方法及系統(tǒng)，提高三維成像激光雷 達測距性能。 本發(fā)明采用的技術方案如下
—、一種光放大型三維成像方法 激光器產(chǎn)生光脈沖，照射到被測物體返回，采用光放大模塊，對采集到的脈沖光信 號進行放大，然后通過分光系統(tǒng)，將放大后的光信號分成兩部分， 一部分通過增益調(diào)制接收 器被攝像機接收，另一部分直接被另一攝像機接收，用圖像處理模塊對接收的圖像進行處 理，算出圖像中每一個象素點對應目標的距離，生成三維圖像。
二、一種光放大型三維成像系統(tǒng) 包括時序信號控制模塊，脈沖激光器，擴束系統(tǒng)，成像系統(tǒng)，增益調(diào)制接收器，兩臺 攝像機和圖像處理模塊；時序信號控制模塊的第一路輸出控制脈沖激光器發(fā)出脈沖光通過 擴束系統(tǒng)，照射在被測物體上。發(fā)射回來的光經(jīng)過成像系統(tǒng)進入光放大模塊，被放大的光信號經(jīng)過分光系統(tǒng)分光后分為兩路， 一路通過增益調(diào)制接收器，被第一臺攝像機接收，另一路
被第二臺攝像機接收，兩臺攝像機獲取的圖像分別輸出到圖像處理模塊，時序信號控制模
塊的第二、第三、第四路分別與光放大模塊、增益調(diào)制接收器和圖像處理模塊連接。 所述的脈沖激光器為光脈沖脈寬大于幾十納秒的激光器；所述的光放大模塊是熒
光屏熒光壽命比光脈沖持續(xù)時間更短的像增強器，或是由多根具有放大功能的光纖組成；
所述的增益調(diào)制接收器是像增強器；所述的圖像處理模塊是個人計算機、DSP數(shù)字信號處
理系統(tǒng)或者嵌入式處理器。 本發(fā)明具有的有益效果是 本發(fā)明在不改變光源功率和門選通時間的條件下，通過光放大模塊將信號光放 大，減小隨機散粒噪聲對信號光的影響，從而提高了測距精度。


附圖是本發(fā)明的結構原理示意圖。 圖中1、時序信號控制模塊，2、脈沖激光器，3、擴束系統(tǒng)，4、成像系統(tǒng)，5、光放大模 塊，6、分光系統(tǒng)，7、增益調(diào)制接收器，8、第一臺攝像機，9、第二臺攝像機，10、圖像處理模塊。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的方法和系統(tǒng)作進一步說明。
本發(fā)明提高探測精度的原理是 由激光雷達方程，探測系統(tǒng)單個像素接收到的激光功率可以表示為
及2 式中PK是單個像素接收到的激光功率，PT是發(fā)射激光功率，D是接收孔徑，13是目 標的反射率，Y是在介質(zhì)中傳輸?shù)膿p耗率，R是激光雷達到目標的距離，i是探測器的像素 二 f g， (1) 為了抑制背景光和后向散射光進入系統(tǒng)，需要在接收系統(tǒng)前加窄帶濾波片
并采用門選通的方式進行探測。設置合適的門選通時間，保證每一次選通過程完 整的接收一個激光脈沖的返回信號。則接收面某像素點接收到光脈沖所包含光子數(shù)N的期 望E(N)為: 幸)=^^ (2) 式中m是一次探測中光脈沖的發(fā)射次數(shù)，n是接收器的量子效率，h是普朗克常 量，u為入射光頻率。 光信號在空間傳播到接收面上存在到達空間和時間的隨機性，這個過程是一個泊 松隨機過程。由泊松分布得到標準差為G"-V^， o表示光信號的起伏，稱之為散粒噪聲。 由于三維成像時要求圖像的信噪比相對較高，光信號包含的光子數(shù)一般大于1000，因此散 粒噪聲引起的誤差遠大于其他因素的影響。被測光信號的信噪比SN&可以表示為<formula>formula see original document page 5</formula>
由(3)式可知，被測信號的信噪比與接收光功率的平方根成正比。也就是說接收
光信號的功率越大，信噪比越高。
1.不加光放大模塊時 信號光不經(jīng)過放大模塊，經(jīng)過分光系統(tǒng)后一部分通過增益調(diào)制接收器被攝像機接 收，另一部分直接被攝像機接收。 設分光后的光脈沖在某一像素點所包含的光子數(shù)分別為N一c^和N,c^，其 中^， 02分別表示該像素點光信號附加的敷粒噪聲。散粒噪聲符合泊松分布，因此有 設增益調(diào)制接收器的增益調(diào)制函數(shù)為f (t) ， f (t)在[t" t2]是單調(diào)的，^和t2分 別表示門選通開始和結束的時間。t表示光從光源出發(fā)經(jīng)場景反射到探測器所經(jīng)過的時間， 它與場景到探測器的距離X有如下關系 X = ^Kcf (4) 式中V。為該種波長的光在介質(zhì)中的傳播速度。分光后的-調(diào)制接收器后，攝像機上該像素點的接收到的光子數(shù)M工為
-部分光脈沖進過增益
M2為

M工=f(t) (N,?！?(5)
分光后的另一部分光脈沖直接進入攝像機，攝像機上該像素點的接收到的光子數(shù)
M2 = N, o 2
(5) (6)相除得到
(6) 此
TV,
)=
時 引
2
入
的
不
確
因
(7)
子
為
(8) 2.加光放大模塊時 信號光經(jīng)過放大模塊后，經(jīng)過分光系統(tǒng)后一部分通過增益調(diào)制接收器被攝像機接 收，另一部分直接被攝像機接收。
放大前光脈沖在某一像素點所包含的光子數(shù)為N3+。3，其中03表示光信號附加
的散粒噪聲，￡<^3)=7^。 設光放大模塊的放大倍數(shù)為k，信號光經(jīng)過放大模塊后，該像素點出射的光脈沖所 包含的光子數(shù)M3為 M3 = k (N3+ o 3) + o 4 (9) 式中04為放大過程中引入的噪聲。由于光子被光電陰極接收后放大，光電子的 出射也是一個典型的泊松過程。所以五(o"4) = VA:(iV3 + 0"3)。由(3)式可知通過光放大模
5塊后，光信號功率變大，信噪比提高。該像素點的光信號信噪比SN&可表示為 5"潛2 = = 7,3+"3) + "4 (10) 當k較大時，信噪比較高，放大過程中引入的噪聲04相對信號可以忽略。故放大
后該像素點出射的光脈沖所包含的光子數(shù)可以簡化為M4 : M4 = k(N3+o3) (11) 放大后的光信號經(jīng)過1:1分光后，對應像素點光脈沖所包含的光子數(shù)分別為
風y風 #丄 4+0^和^ + C76 。其中O
o e分別為放大后的光束在傳輸過程中附加的散粒噪聲。散
粒噪聲符合泊松分布，因此有五(CT5)==
2設增益調(diào)制接收器的增益調(diào)制函數(shù)為g(t) ， g(t)在[t" t2]是單調(diào)的，^和t2分
別表示門選通開始和結束的時間。攝像機上該像素點的接收到的光子數(shù)MpMe分別為 復 M5 =g(0[」+ <T5] <formula>formula see original document page 6</formula>
(12) (13)相除得到 M《 "
<formula>formula see original document page 6</formula>
由此帶來的不確定因子為:￡("，6)=
2 當k —+ °0時，/A7V，
~>0。
因此，當光放大模塊的增益較大時，不確定因子趨近
2于o。 下面對本發(fā)明的具體實施方案作詳細說明如附圖1所示，本發(fā)明的系統(tǒng)包括時 序信號控制模塊l，脈沖激光器2，擴束系統(tǒng)3，成像系統(tǒng)4，光放大模塊5，分光系統(tǒng)6，增益 調(diào)制接收器7，兩臺攝像機8、9和圖像處理模塊10 ;時序信號控制模塊l的第一路輸出控制 脈沖激光器2發(fā)出脈沖光通過擴束系統(tǒng)3，照射在被測物體上。發(fā)射回來的光經(jīng)過成像系統(tǒng) 4進入光放大模塊5，被放大的光信號經(jīng)過分光系統(tǒng)6分光后分為兩路，一路通過增益調(diào)制 接收器7，被第一臺攝像機8接收，另一路被第二臺攝像機9接收，兩臺攝像機8、9獲取的圖 像分別輸出到圖像處理模塊IO，時序信號控制模塊1的第二、第三、第四路分別與光放大模 塊5、增益調(diào)制接收器7和圖像處理模塊10連接。 所述的脈沖激光器2為光脈沖脈寬大于幾十納秒的激光器；所述的光放大模塊5
6是熒光屏熒光壽命比光脈沖持續(xù)時間更短的像增強器，或是由多根具有放大功能的光纖組 成；所述的增益調(diào)制接收器7是像增強器；所述的圖像處理模塊10是個人計算機、DSP數(shù)字 信號處理系統(tǒng)或者嵌入式處理器。 像增強器的輸出光強與輸入光強和增益乘積成正比。在光放大模塊5中，設定合 適的像增強器增益系數(shù)，將含有場景信息的光信號放大。設定增益調(diào)制接收器7中像增強 器的增益調(diào)制函數(shù)在門選通時間內(nèi)為單調(diào)函數(shù)。強度圖像時是通過一次或若干次曝光獲得 的。獲得強度圖像后，可以計算出距離圖像。由此生成三維圖像。 1、脈沖激光器2發(fā)出脈沖光經(jīng)過擴束系統(tǒng)3，照明被測場景。進入成像系統(tǒng)4時某
像素接收的光強L可以表示為 <formula>formula see original document page 7</formula>
式中K是比例系數(shù)，表示光強與光能之間的轉(zhuǎn)換關系，n是一次探測中門選通的次 數(shù)，Ps是返回光信號的光功率，Pw是信號光傳播過程中由于到達的時間空間不確定性引起 散粒噪聲對應的光功率。 2、信號光通過成像系統(tǒng)4進入光放大模塊5 。由于通過光放大模塊后，光信號功率 變大，信噪比提高，放大過程中引入的噪聲相對信號可以忽略。設定光放大模塊5的像增強 器增益為常數(shù)的情況下，光放大模塊5的熒光屏上該象素點接收的光強12可以表示為
12 = AI丄 (17)
式中A為像增強器的增益。 3、經(jīng)過分光系統(tǒng)6按1:1分光后，部分信號光通過增益調(diào)制接收器7，被攝像機8 接收。攝像機8上該像素點接收的光強13可以表示為 <formula>formula see original document page 7</formula> 式中h(t)為增益調(diào)制器像增強器的增益調(diào)制函數(shù)。h(t)在t2]是單調(diào)的，^ 和t2分別表示門選通開始和結束的時間。 4、經(jīng)過分光系統(tǒng)6按1:1分光后，另一部分信號光直接進入攝像機9。攝像機9上 該像素點接收的光強14可表示如下 <formula>formula see original document page 7</formula>
5、兩臺攝像機8，9通過實驗標定，確定同一像素點灰度和位置的對應關系后，即 可得到相同像素點的光強之比<formula>formula see original document page 7</formula>
6、由式(4) (20)，且h(t)在[tptj是單調(diào)的，因此h—、t)存在?？梢缘玫皆谶x通 距離內(nèi)該像素點對應目標的相對位置X，可表示為<formula>formula see original document page 7</formula>
式中Vc表示該種波長在介質(zhì)中的傳播速度。
權利要求
一種光放大型三維成像方法，其特征在于激光器產(chǎn)生光脈沖，照射到被測物體返回，采用光放大模塊，對采集到的脈沖光信號進行放大，然后通過分光系統(tǒng)，將放大后的光信號分成兩部分，一部分通過增益調(diào)制接收器被攝像機接收，另一部分直接被另一攝像機接收，用圖像處理模塊對接收的圖像進行處理，算出圖像中每一個象素點對應目標的距離，生成三維圖像。
2. —種實施權利要求1所述方法的一種光放大型三維成像系統(tǒng)，包括時序信號控制模塊(1)，脈沖激光器(2)，擴束系統(tǒng)(3)，成像系統(tǒng)(4)，增益調(diào)制接收器(7)，兩臺攝像機(8、 9)和圖像處理模塊(10);時序信號控制模塊(1)的第一路輸出控制脈沖激光器(2)發(fā)出脈沖光通過擴束系統(tǒng)(3)，照射在被測物體上；其特征在于發(fā)射回來的光經(jīng)過成像系統(tǒng)(4)進入光放大模塊(5)，被放大的光信號經(jīng)過分光系統(tǒng)(6)分光后分為兩路，一路通過增益調(diào) 制接收器(7)，被第一臺攝像機(8)接收，另一路被第二臺攝像機(9)接收，兩臺攝像機(8、 9)獲取的圖像分別輸出到圖像處理模塊(IO)，時序信號控制模塊(1)的第二、第三、第四路 分別與光放大模塊(5)、增益調(diào)制接收器(7)和圖像處理模塊(10)連接。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種光放大型三維成像系統(tǒng)，其特征在于所述的脈沖激光 器(2)為光脈沖脈寬大于幾十納秒的激光器；所述的光放大模塊(5)是熒光屏熒光壽命比 光脈沖持續(xù)時間更短的像增強器，或是由多根具有放大功能的光纖組成；所述的增益調(diào)制 接收器(7)是像增強器；所述的圖像處理模塊(10)是個人計算機、DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng) 或者嵌入式處理器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光放大型三維成像方法及系統(tǒng)。時序信號控制模塊的一路輸出控制脈沖激光器發(fā)出脈沖光經(jīng)擴束系統(tǒng)，照射在被測物體上，返回后的信號光經(jīng)成像系統(tǒng)進入光放大模塊放大，經(jīng)過分光后，一部分經(jīng)增益調(diào)制接收器，被第一臺攝像機接收，另一部分被第二臺攝像機接收，時序信號控制模塊的另三路分別控制光放大模塊、增益調(diào)制接收器和圖像處理模塊。兩臺攝像機獲取的圖像經(jīng)圖像處理模塊處理，算出圖像中每一個象素點對應目標的距離，獲得目標三維圖像。本發(fā)明在不改變光源功率和門選通時間的條件下，減小隨機散粒噪聲對信號光的影響，提高測距精度。
文檔編號G01S7/481GK101788667SQ20101010032
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月19日 優(yōu)先權日2010年1月19日
發(fā)明者嚴惠民, 張秀達, 楊超 申請人:浙江大學