基于三角形距離能量的距離選通三維成像算法

侯云海， 馬 瑩， 魏洪鵬， 穆 琳

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012;2.2956部隊(duì)， 遼寧 大連 116000)

0 引 言

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光因其較好的穿透性、單色性而被引入主動(dòng)成像技術(shù)中，激光主動(dòng)成像技術(shù)的作用距離遠(yuǎn)，獲取的圖像效果清晰，因而受到人們的重視。后來(lái)，為了克服雨雪霧霾等惡劣天氣對(duì)成像效果的影響，又將視線(xiàn)轉(zhuǎn)移到了距離選通技術(shù)。十幾年來(lái)研究了多種距離選通的方法，超分辨率三維成像技術(shù)就是其中的一種。該技術(shù)不但可以得到目標(biāo)二維圖像，還可以推算目標(biāo)的距離信息，而且可以得到較高的分辨率，使其備受矚目[1]。

文中介紹了三角形距離能量相關(guān)算法原理，并基于此算法對(duì)距離為17 m處的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果。

1 基于三角形距離能量相關(guān)算法的距離選通三維成像技術(shù)原理

激光距離選通三維成像原理示意圖如圖1所示。

(a) 選通門(mén)關(guān)閉時(shí) (b) 選通門(mén)打開(kāi)時(shí)

距離選通工作過(guò)程：首先由激光器經(jīng)勻光擴(kuò)束處理后向目標(biāo)物體發(fā)射激光，此時(shí)接收設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)，以屏蔽其他光的干擾(見(jiàn)圖1(a))，待目標(biāo)物體的反射光到達(dá)時(shí),控制ICCD設(shè)備開(kāi)啟，接收目標(biāo)的反射光(見(jiàn)圖1(b))。通過(guò)控制ICCD的選通可以有效抑制大氣的后向散射光對(duì)成像的影響，減小圖像噪聲[2]。

三角形距離能量相關(guān)算法原理如圖2所示。

圖2 三角形距離能量相關(guān)算法原理圖

激光器發(fā)射一定寬度的激光脈沖照射目標(biāo)物體，接收設(shè)備ICCD在預(yù)設(shè)時(shí)間延時(shí)后打開(kāi)，選通一定時(shí)間，成像區(qū)域?yàn)榧す庹丈洳糠峙c選通接收部分的焦點(diǎn)重疊區(qū)域,即圖中陰影部分。

由于回波展寬效應(yīng)，圖像的能量強(qiáng)度可以由激光脈沖函數(shù)P(t-2r0/c)與選通函數(shù)G(t-τ)的卷積來(lái)表示，如下：

(1)

式中：c——光速;

r0——目標(biāo)初始距離;

τ——激光脈沖上升沿與選通門(mén)開(kāi)啟之間的延時(shí)時(shí)間。

當(dāng)激光脈寬與選通門(mén)寬相等時(shí)，圖像強(qiáng)度能量包絡(luò)為三角形，且頭信號(hào)(上升邊)與尾信號(hào)(下降邊)寬度相等，均為tplsc/2。

激光器與選通ICCD的時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 激光器與選通ICCD的時(shí)序圖

按此觸發(fā)ICCD選通便可得到對(duì)應(yīng)的二維圖像。再將其相鄰兩張圖像的信息按式(2)對(duì)圖像強(qiáng)度值進(jìn)行反演運(yùn)算,得到目標(biāo)的距離信息[3-4]如下：

(2)

式中：Ihead,B——第二張圖像的頭信號(hào)(三角形的上升邊);

Itail,A——第一張圖像的尾信號(hào)(三角形的下降邊);

D——景深,D=tplsc/2。

2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)使用的激光器波長(zhǎng)為532 ns、重復(fù)頻率為10 Hz、脈寬為13 ns，ICCD接收系統(tǒng)的門(mén)寬與激光脈寬相等設(shè)置為13 ns，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為距離接收平臺(tái)17 m處的紙盒箱。ICCD距離接收平臺(tái)15 cm(即目標(biāo)距離ICCD初始距離為17.15 m)，目標(biāo)物體長(zhǎng)95 cm，水平投影長(zhǎng)度為90 cm，實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖及結(jié)果如圖4所示。

(a) 實(shí)景拍攝圖像

(b) 實(shí)物灰度圖像

(c) 三維反演偽色彩圖像

圖4(a)為開(kāi)燈時(shí)的實(shí)景拍攝圖，圖4(b)為ICCD實(shí)驗(yàn)中拍攝的實(shí)物灰度圖像，圖4(c)為距離能量相關(guān)算法計(jì)算處理后的三維反演偽色彩圖像。由于鏡頭視場(chǎng)的原因，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地走廊右側(cè)的門(mén)也進(jìn)入了視野，由近及遠(yuǎn)偽色彩圖像結(jié)果與預(yù)設(shè)結(jié)果一致。下面取目標(biāo)箱子的圖像數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算得到的距離信息進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證[5]。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖5所示。

(a) 距離信息

(b) 結(jié)果對(duì)比

(c) 誤差分析

圖5(a)為對(duì)目標(biāo)物體每列灰度值做均值處理后目標(biāo)物體的距離信息，從圖像中曲線(xiàn)走勢(shì)可以看出其與實(shí)際情況相符；將實(shí)際距離進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果與算法所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖5(b))；并且對(duì)測(cè)量值與實(shí)際值的誤差進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖5(c)，最大誤差距離為0.027 5 m。

我們使用該設(shè)備在室外場(chǎng)景進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為205 m處小樓，接收設(shè)備與樓正面角度為45°,實(shí)驗(yàn)拍攝圖及其三維距離偽色彩圖像如圖6所示。

(a) 實(shí)景拍攝圖像

(b) 實(shí)物灰度圖像

(c) 三維反演偽色彩圖像

圖6(a)為白天時(shí)候?qū)υ撃繕?biāo)的取景，圖6(b)為實(shí)驗(yàn)中對(duì)ICCD拍攝的其中一張灰度圖像，圖6(c)為距離能量相關(guān)算法計(jì)算處理后的三維反演偽色彩圖像。由于是俯拍，激光反射回來(lái)會(huì)有一定的角度，所以從拍攝圖像及處理圖像中會(huì)有一定的角度而不是垂直的距離分段。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,由中間向兩側(cè)距離逐漸增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際一致。實(shí)驗(yàn)當(dāng)天空氣中霧霾較大，但從實(shí)驗(yàn)中拍攝的圖像以及處理后的結(jié)果來(lái)看，該技術(shù)有效屏蔽了霧霾對(duì)成像及三維重構(gòu)的影響[6-7]。

3 結(jié) 語(yǔ)

距離選通技術(shù)因其成像距離遠(yuǎn)，分辨率高，獲取圖像信息豐富等優(yōu)勢(shì)，近些年備受重視，該技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。延時(shí)步進(jìn)、增益調(diào)制、超分辨率等三維反演算法也被應(yīng)用于該項(xiàng)技術(shù)中。文中對(duì)距離選通以及距離能量包絡(luò)算法的原理進(jìn)行了闡述，并基于三角形距離能量相關(guān)算法在室內(nèi)外進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分析所得結(jié)果準(zhǔn)確。該技術(shù)可以應(yīng)用于軍事探測(cè)偵察、叢林探測(cè)等方面，在軍用、民用、國(guó)防等領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何歡.距離選通ICCD及其控制電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所),2015.

[2] 馬瑩,侯云海,魏洪朋.激光距離選通三維成像技術(shù)原理及其應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新,2017(22):152-153.

[3] 李達(dá)，李云霞，蒙文，等.激光主動(dòng)成像技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展[J].電光與控制,2013,20(9):59-63.

[4] 侯云海,董雪芳,劉東東.嵌入式風(fēng)速風(fēng)向傳感器精度檢測(cè)儀[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(5):465-469.

[5] Xiuda Zhang, Huimin Yan, Yanbing Jiang. Pulse-shape-free method for long-range three-dimensional active imaging with high linear accuracy [J]. Optics Letters,2008,33(11)：1219-1221.

[6] Zhang Xiuda, Yan Huimin. Three-dimensional active imaging with maximum depth range [J]. Applied Optics,2011,50(12)：1682-1686.

[7] Wang Xinwei, Li Youfu, Zhou Yan. Triangular-range-intensity profile spatial-correlation method for 3D super-resolution range-gated imaging [J]. Applied Optics,2013,52(30):7399-7406.