飛行時(shí)間成像系統(tǒng)的數(shù)字仿真技術(shù)*

盧純青,劉興潭,武延鵬,楊孟飛

0 引 言

基于連續(xù)調(diào)制光信號(hào)的飛行時(shí)間技術(shù)是近年來三維成像感知技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，在自動(dòng)駕駛、SLAM等場(chǎng)景得到逐步應(yīng)用[1-2].該技術(shù)根據(jù)幅度調(diào)制光信號(hào)從光源傳播到場(chǎng)景，經(jīng)過場(chǎng)景表面反射返回傳感器的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)對(duì)照射物面的三維數(shù)據(jù)感知.飛行時(shí)間成像數(shù)字仿真技術(shù)是研究將上述物理過程建模，對(duì)預(yù)設(shè)的場(chǎng)景條件和傳感器參數(shù)建立起可形成實(shí)時(shí)深度數(shù)據(jù)集成的數(shù)字運(yùn)行環(huán)境，對(duì)研究飛行時(shí)間傳感器在多種光照條件下的成像性能評(píng)估和基于三維數(shù)據(jù)的機(jī)器視覺算法的仿真驗(yàn)證具有重要的意義.

目前飛行時(shí)間成像仿真的實(shí)現(xiàn)方法分為基于特定噪聲模型的三維數(shù)據(jù)仿真[2-3]和基于光信號(hào)傳播物理過程的三維數(shù)據(jù)仿真[4-5]兩大類，其中基于光信號(hào)傳播物理過程的三維數(shù)據(jù)仿真以其數(shù)據(jù)-參數(shù)耦合程度高的特點(diǎn)而具有較大的優(yōu)勢(shì)[7].通過對(duì)上述兩類仿真方法的研究，兩類仿真方法為研究傳感器參數(shù)集與三維成像之間的耦合關(guān)系提供了特定的平臺(tái)，但并未考慮環(huán)境光與測(cè)量數(shù)據(jù)間的非定常耦合關(guān)系，而在本文研究的有關(guān)小行星附著降落的應(yīng)用場(chǎng)景中，當(dāng)前的環(huán)境光照條件是影響著陸敏感器設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵因素之一.因此本文以小行星附著著陸任務(wù)需求為背景，研究并建立了帶有環(huán)境光照模型的仿真環(huán)境，驗(yàn)證了包括環(huán)境光模型的飛行時(shí)間成像仿真方法，對(duì)于飛行時(shí)間成像技術(shù)在光照條件下的成像性能的評(píng)估具有重要意義和應(yīng)用前景.

1 飛行時(shí)間成像原理

飛行時(shí)間傳感器基于光信號(hào)從光源傳播到場(chǎng)景，并返回到傳感器的時(shí)間t測(cè)量距離.設(shè)光源是與傳感器位置相同的點(diǎn)光源，光在場(chǎng)景和傳感器之間傳播，則測(cè)量距離d為[7]

(1)

幅度調(diào)制的飛行時(shí)間成像系統(tǒng)的光源發(fā)射波長(zhǎng)為850 nm±30 nm的光信號(hào)，傳感器的像元以電信號(hào)作為測(cè)量信號(hào)s和參考信號(hào)g的相關(guān)函數(shù)[3-4]

(2)

假設(shè)光源的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為調(diào)制周期為fmod的正弦函數(shù)，則相關(guān)函數(shù)呈現(xiàn)周期函數(shù)的形式，有[3-4]

(3)

a為函數(shù)幅值，b為函數(shù)偏置量，φ為距離相關(guān)的相移量，有[3-4]

(4)

一般使用四象限采樣法對(duì)相關(guān)函數(shù)進(jìn)行采樣，設(shè)采樣值為Ii,則有[3-4]

(5)

通過采樣值計(jì)算相移量φ[3-4]

(6)

相關(guān)函數(shù)的采樣值Di具有二維矩陣的形式，又稱為相位圖.每個(gè)像元的采樣值Di由像元電路的兩個(gè)讀出信號(hào)NA,i和NB,i計(jì)算得到[4]

Ii=NA,i-NB,i

(7)

像元接收光信號(hào)產(chǎn)生光生電荷后，由參考信號(hào)g控制的電場(chǎng)梯度，導(dǎo)致兩個(gè)勢(shì)阱A和B中的光生電荷分布變化.NA,i和NB,i分別為兩個(gè)勢(shì)阱讀出的電信號(hào).

2 飛行時(shí)間成像物理過程模型

假設(shè)調(diào)制光源L和傳感器C位于空間中的相同位置，該位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，場(chǎng)景表面的反射模型為紅外波段的朗伯反射，像元的讀出電路模型為雙讀出電路型.

2.1 光源模型

設(shè)飛行時(shí)間成像的光源為點(diǎn)光源，具有以下3個(gè)參數(shù)：

1)光源功率PL,物理單位為W；

(8)

對(duì)于各向同性光源，立體角ωL為4π.對(duì)于具有孔徑角ψL的光源，立體角由球冠的面積得到，在單位球面上的高度h為[8]

(9)

則有[3-4]

(10)

2.2 反射模型

(11)

入射角[8]

(12)

(13)

設(shè)A為場(chǎng)景表面無限小的面元，則有[8]

(14)

(15)

場(chǎng)景表面P點(diǎn)的輻照度EP為[8]

(16)

設(shè)場(chǎng)景表面為反照率系數(shù)ρ∈[0,1]的朗伯體，則P點(diǎn)的輻射出射度為[8]

(17)

由于朗伯輻射體在各方向上的輻射相等，因此[8]

(18)

因此P點(diǎn)到傳感器的輻射LP為[8-9]

(19)

圖1 場(chǎng)景表面反射過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the surface reflection process of the scene

2.3 透鏡模型

漸暈是指由于離軸光線的有效孔徑光闌減小，導(dǎo)致在邊緣視場(chǎng)的光強(qiáng)度衰減的現(xiàn)象.對(duì)于飛行時(shí)間成像系統(tǒng)，光信號(hào)的強(qiáng)度與測(cè)量誤差之間呈反比關(guān)系，即光強(qiáng)度衰減使距離測(cè)量的誤差增大.為了仿真漸暈現(xiàn)象，設(shè)傳感器S的光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)為NS，則由輻射LP在傳感器上的輻照度ES由下式表達(dá)[14]:

(20)

其中θL的變化區(qū)間為[0,90]，在該區(qū)間上單調(diào)遞減，表明像平面的輻照度ES隨像方視場(chǎng)的增大而衰減.

2.4 傳感器模型

飛行時(shí)間成像傳感器可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化，形成仿真參數(shù)集[13,18-19].

傳感器為W×H的像元陣列，像元面積為AS.假設(shè)每個(gè)像元接收?qǐng)鼍氨砻鍼點(diǎn)面元的輻射，則該像元接收的光功率PS為[4]

PS=ES·AS

(21)

其中PS是調(diào)制光源的峰值功率，調(diào)制信號(hào)占空比為50%，因此在積分時(shí)間T內(nèi)像元采集的能量為[4]

(22)

該能量在像元中轉(zhuǎn)換為電子空穴對(duì)，產(chǎn)生光生電荷的數(shù)量由量子效率νq和波長(zhǎng)λ決定[4]:

(23)

其中?為普朗克常量，c為光速，q為元電荷量.像元產(chǎn)生的光電荷Ntotal由勢(shì)阱A和勢(shì)阱B收集，電荷數(shù)分別為NA和NB,有[4]

Ntotal=NA+NB

(24)

相關(guān)函數(shù)采樣使用四相采樣法，有[4]

(25)

(26)

其中D為解調(diào)對(duì)比度，相移φ通過下式計(jì)算[4]:

(27)

上述模型通過像元累積的總電荷量計(jì)算相移.

2.5 空域超采樣模型

上述物理過程中僅將每個(gè)像元和場(chǎng)景表面的某個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，實(shí)際的物理過程中，每個(gè)像元通過光學(xué)系統(tǒng)與場(chǎng)景表面的一個(gè)區(qū)域相對(duì)應(yīng)，該區(qū)域的面積與光學(xué)系統(tǒng)的焦距相關(guān).當(dāng)該區(qū)域的深度信息不均勻時(shí)，在像元接收信號(hào)時(shí)產(chǎn)生相位混疊，產(chǎn)生飛行像元誤差.

為了對(duì)飛行像元誤差進(jìn)行仿真，在像元陣列的模型中引入空域超采樣[10-11]，將每個(gè)像元分為WS×HS個(gè)子像元，子像元與場(chǎng)景表面呈理想的小孔成像模型，每個(gè)像元的深度計(jì)算值為子像元深度計(jì)算值的矢量和.

另一方面，由于像元的讀出電路和控制電路包括像元的一部分面積，導(dǎo)致感光面積小于其物理尺寸，即存在填充因子o∈[0,1],因此每個(gè)子像元的入射光能量需要考慮填充因子對(duì)入射光能量的約束[6].

2.6 時(shí)域超采樣模型

當(dāng)使用四相采樣法時(shí)，采樣值Ii組成的4個(gè)相位圖均是在同一場(chǎng)景中獲取的，即場(chǎng)景為靜態(tài)場(chǎng)景，相對(duì)位置和姿態(tài)沒有變化.當(dāng)場(chǎng)景的深度信息在積分時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生變化時(shí)，將產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影.在仿真系統(tǒng)中模擬運(yùn)動(dòng)偽影需要時(shí)域超采樣，將積分時(shí)間T分為t個(gè)間隔，最終的相位圖是每個(gè)子積分時(shí)間的相位圖之和.

2.7 灰度-距離誤差模型

灰度誤差是反射光信號(hào)幅值的函數(shù)，取決于傳感器接收的反射光強(qiáng)度.表現(xiàn)形式為當(dāng)物體的反射率越低時(shí)，傳感器接收到的光信號(hào)幅值越小，距離的測(cè)量結(jié)果誤差越大.因此場(chǎng)景表面的反射性質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果具有較大的影響[15-16].

傳感器接收到的采樣數(shù)據(jù)I可以計(jì)算得到反射信號(hào)的幅值A(chǔ)、相位差φd和偏置c.這3個(gè)物理量與距離測(cè)量的誤差關(guān)系為[16]

(28)

(29)

(30)

因此深度測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差與信號(hào)幅值A(chǔ)有直接的關(guān)系，當(dāng)信號(hào)幅值A(chǔ)越大，即反射光信號(hào)的信噪比越高，測(cè)量誤差越小.當(dāng)光源的調(diào)制頻率確定時(shí)，相位差φd和測(cè)量距離d呈線性關(guān)系，因此測(cè)量誤差和信號(hào)幅值之間的關(guān)系可簡(jiǎn)化表達(dá)為

(31)

由于信號(hào)幅值以模擬量的形式輸出轉(zhuǎn)換為灰度值數(shù)據(jù)，在模數(shù)轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)亮度與灰度值呈線性關(guān)系，因此式(31)可進(jìn)一步寫作

(32)

2.8 光信號(hào)飽和模型

信號(hào)飽和是由于場(chǎng)景同時(shí)被飛行時(shí)間成像系統(tǒng)的光源和其他光源照明(如太陽、室內(nèi)照明)，進(jìn)入像元的光功率較大，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差增大甚至錯(cuò)誤的現(xiàn)象，其來源可分為主動(dòng)光源飽和、環(huán)境光飽和兩大類.出現(xiàn)該現(xiàn)象的機(jī)理是由于傳感器像元以勢(shì)阱收集光生電荷，可收集的電荷量存在上限值，稱為滿阱電荷量，數(shù)學(xué)上是光信號(hào)與電荷量之間呈非線性關(guān)系.當(dāng)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行相關(guān)采集的勢(shì)阱均達(dá)到滿阱時(shí)，像元電路無法通過參考電壓的值與勢(shì)阱間的電荷量差異體現(xiàn)二者的相關(guān)性，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的錯(cuò)誤.圖3為像元接收到的包含有背景光的光信號(hào)示意圖，背景光信號(hào)的數(shù)學(xué)模型為不隨時(shí)間變化的定制，調(diào)制光信號(hào)隨時(shí)間周期性變化，二者線性疊加，當(dāng)由于背景光信號(hào)產(chǎn)生的光生電荷在進(jìn)行相關(guān)信號(hào)采集的勢(shì)阱中均達(dá)到滿阱值時(shí)，不存在勢(shì)阱之間的信號(hào)差，此時(shí)入射光信號(hào)和參考信號(hào)沒有相關(guān)性，輸出的距離測(cè)量結(jié)果等于0.

圖2 環(huán)境光的干擾示意圖Fig.2 Schematic diagram of ambient light interference

圖3為同一像元在無環(huán)境光干擾和有環(huán)境光干擾時(shí)的輸出信號(hào)對(duì)比結(jié)果，其中圖3(a)為無環(huán)境光照明時(shí)像元的輸出信號(hào)，圖3(b)為存在環(huán)境光照明時(shí)像元的輸出信號(hào).圖中的Ua和Ub分別為每個(gè)像元內(nèi)部?jī)蓚€(gè)勢(shì)阱的輸出電壓，表征了像元采集的光生電荷量；ΔUab為像元輸出的差分信號(hào)，即Ua-Ub.此信號(hào)與光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，完成相位信息的解算.從圖中可以看出，環(huán)境光干擾對(duì)輸出信號(hào)的干擾體現(xiàn)為每個(gè)勢(shì)阱輸出信號(hào)幅值增大，即共模干擾.由于飛行時(shí)間像元的輸出信號(hào)為差分形式，因此抑制了由于環(huán)境光產(chǎn)生的共模干擾，在勢(shì)阱的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)ΔUab保持不變，不影響像元的測(cè)量結(jié)果.但是環(huán)境光對(duì)飛行時(shí)間成像的影響體現(xiàn)為像元的動(dòng)態(tài)范圍的衰減，當(dāng)環(huán)境光產(chǎn)生的光生電荷量達(dá)到勢(shì)阱的滿阱電荷量時(shí)

Ua=Ub=Umax

(33)

ΔUab=0

(34)

此時(shí)將ΔUab與光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，解算的相移量φ等于0，因此輸出的距離信息d也為0.

根據(jù)飛行時(shí)間測(cè)距原理，其測(cè)距性能與光信號(hào)的強(qiáng)度相關(guān).一般使用調(diào)制對(duì)比度Km定義為[26]

(35)

其中Imax和Imin分別為傳感器接收的光強(qiáng)度的最大值和最小值.傳感器像元電路將采集的光信號(hào)與轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，光強(qiáng)信號(hào)由電信號(hào)表征.Imax和Imin轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)電壓和基準(zhǔn)電壓之差ΔUmax和ΔUmin.在無環(huán)境光時(shí)，信號(hào)的調(diào)制對(duì)比度為

(36)

當(dāng)存在環(huán)境光信號(hào)時(shí)，調(diào)制對(duì)比度為

(37)

其中Pbackground為環(huán)境光在場(chǎng)景表面照明的光功率，Popt為飛行時(shí)間成像系統(tǒng)調(diào)制光源的光功率.當(dāng)照明光源光功率為定值時(shí)，如果無環(huán)境光存在，則

Pbackground=0

(38)

K=KPMD

(39)

當(dāng)環(huán)境光存在時(shí)，有

Pbackground>0

(40)

K

(41)

即環(huán)境光對(duì)場(chǎng)景表面的光強(qiáng)度增大導(dǎo)致光信號(hào)的調(diào)制對(duì)比度衰減.

圖3 存在環(huán)境光干擾的像元輸出信號(hào)對(duì)比圖Fig.3 Pixel output signal comparison chart with ambient light interference

3 仿真算法組成

根據(jù)上述飛行時(shí)間成像的物理過程，仿真算法可分為成像系統(tǒng)參數(shù)模塊、環(huán)境光參數(shù)模塊、場(chǎng)景參數(shù)模塊、場(chǎng)景數(shù)據(jù)生成模塊和場(chǎng)景數(shù)據(jù)輸出模塊五個(gè)部分.各模塊之間的關(guān)系如圖4所示.其中，成像系統(tǒng)參數(shù)模塊用于輸入傳感器參數(shù)，包括光學(xué)系統(tǒng)焦距、像元數(shù)、幀率、調(diào)制光源波長(zhǎng)、調(diào)制頻率等；環(huán)境光參數(shù)模塊用于輸入環(huán)境光參數(shù)，包括環(huán)境光波長(zhǎng)、環(huán)境光強(qiáng)度、光傳輸過程的衰減系數(shù)等；場(chǎng)景參數(shù)模塊用于設(shè)置場(chǎng)景的三維頂點(diǎn)數(shù)據(jù)、表面反射模型及反射率；場(chǎng)景數(shù)據(jù)生成模塊通過渲染器生成傳感器光源照明和環(huán)境光共同作用下的場(chǎng)景深度數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)輸出模塊將場(chǎng)景深度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為特定格式，是仿真算法與外部程序的交互接口.

圖4 仿真算法組成框圖Fig.4 Block diagram of simulation algorithm composition

4 仿真參數(shù)設(shè)計(jì)

傳感器參數(shù)集以TI公司的飛行時(shí)間傳感器為參考[13]，主要參數(shù)如表1所示.系統(tǒng)光源和傳感器中心位于空間中的同一位置，并將該點(diǎn)設(shè)置為成像系統(tǒng)的坐標(biāo)系原點(diǎn)，光源的強(qiáng)度分布設(shè)定為理想的高斯光源,生成的深度數(shù)據(jù)均定義在相機(jī)坐標(biāo)系中.

表1 飛行時(shí)間成像系統(tǒng)仿真參數(shù)集Tab.1 Time-of-flight imaging system simulation parameters set

對(duì)于近地軌道的小行星表面，環(huán)境光照具有以下4個(gè)特點(diǎn)：

(1)來自太陽的能量占環(huán)境光的絕大部分，強(qiáng)度為1個(gè)太陽常數(shù)即1 367 W/m2；

(2)光照形式為平行光；

(3)無大氣衰減；

(4)光線矢量與場(chǎng)景表面法線空間角的變化范圍為0°～180°.

根據(jù)上述4個(gè)特點(diǎn)，環(huán)境光參數(shù)的設(shè)置如表2所示，分別對(duì)環(huán)境光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、矢量方向和衰減進(jìn)行了配置.環(huán)境光強(qiáng)度的配置范圍為0.0f至10000.0f，對(duì)應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)度可從0個(gè)太陽常數(shù)和1個(gè)太陽常數(shù)之間可調(diào)；環(huán)境光波長(zhǎng)通過光譜矢量表達(dá)，表征環(huán)境光的光譜分量；光照矢量定義在成像系統(tǒng)坐標(biāo)系中，為一個(gè)單位矢量，表征環(huán)境光傳播方向；傳輸衰減為光能量到達(dá)場(chǎng)景表面時(shí)的損耗比例，設(shè)置為0.

5 數(shù)字仿真結(jié)果

5.1 仿真精度評(píng)估

在上述仿真參數(shù)集的基礎(chǔ)上，設(shè)定場(chǎng)景為余弦輻射體平面，該平面到圖像中心的距離分別為0.5 m、1 m、2.5 m和5 m.圖5～8分別為圖像中心到場(chǎng)景平面的距離分別為上述距離時(shí)的三維坐標(biāo)值和真值.從仿真結(jié)果中可以看出，飛行時(shí)間成像的測(cè)量值在場(chǎng)景深度真值的基礎(chǔ)上疊加噪聲，并且由于照明光源的高斯分布和光學(xué)系統(tǒng)漸暈的影響，二維圖像的灰度隨著像方視場(chǎng)的增大而衰減，導(dǎo)致深度信息的隨機(jī)誤差增大.在各個(gè)測(cè)量距離上計(jì)算測(cè)量距離的均值和均方差如表3所示.

表2 環(huán)境光仿真參數(shù)集Tab.2 Ambient light parameters set

圖5 0.5 m距離的余弦輻射體平面仿真結(jié)果和真值Fig.5 Cosine radiator plane simulation results and ground truth at a distance of 0.5 m

圖6 1 m距離的余弦輻射體平面測(cè)量值和真值Fig.6 Cosine radiator plane simulation results and ground truth at a distance of 1 m

圖7 2.5 m距離的余弦輻射體平面測(cè)量值和真值Fig.7 Cosine radiator plane simulation results and ground truth at a distance of 2.5 m

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，在典型測(cè)量距離(0.5、1、2.5、5 (m))上，飛行時(shí)間成像的距離測(cè)量的均值與理論值較為符合，測(cè)量值的均方差不大于0.055，表明在目標(biāo)為余弦輻射體時(shí)，當(dāng)成像灰度值相同時(shí)，飛行時(shí)間成像測(cè)量值的隨機(jī)噪聲與測(cè)量距離無關(guān).

表3 典型測(cè)量距離余弦輻射平面仿真值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Statistical results of typical measured distance cosine radiation plane simulation results

5.2 灰度值與距離測(cè)量誤差的關(guān)系

仿真的二維圖像灰度值和測(cè)量精度之間的關(guān)系如圖9～12所示.從仿真結(jié)果中可以看到，當(dāng)二維圖像中的像元灰度范圍在210至255時(shí)，測(cè)量值的方差較為穩(wěn)定，約為0.1 m，當(dāng)灰度值低于210時(shí)，測(cè)量誤差與灰度值之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，當(dāng)灰度值為70時(shí)，測(cè)量結(jié)果的最大誤差為0.25 m，測(cè)量值方差的變化趨勢(shì)和理論計(jì)算一致.根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，該仿真系統(tǒng)在明確了飛行時(shí)間成像系統(tǒng)參數(shù)集的前提下，可對(duì)成像系統(tǒng)的測(cè)量能力進(jìn)行評(píng)估.

圖9 幅度值和測(cè)量誤差仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果(0.5 m)Fig.9 Amplitude value and measurement error simulation statistics (0.5 m)

圖10 幅度值和測(cè)量誤差仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果(1 m)Fig.10 Amplitude value and measurement error simulation statistics (1 m)

圖11 幅度值和測(cè)量誤差仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果(2.5 m)Fig.11 Amplitude values and measurement errors simulation statistics (2.5 m)

圖12 幅度值和測(cè)量誤差仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果(5 m)Fig.12 Amplitude value and measurement error simulation statistics (5 m)

5.3 環(huán)境光干擾

包括環(huán)境光干擾的飛行時(shí)間成像仿真的參數(shù)設(shè)置如第5節(jié)中所述，環(huán)境光與成像系統(tǒng)光軸呈45°空間角入射到場(chǎng)景表面.圖13～18表示了環(huán)境光對(duì)飛行時(shí)間成像的干擾情況.當(dāng)沒有環(huán)境光的情況下，成像系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果僅有隨機(jī)噪聲.當(dāng)環(huán)境光功率與成像系統(tǒng)的調(diào)制光源功率相等時(shí)，場(chǎng)景中受到環(huán)境光照射的區(qū)域由于多路徑效應(yīng)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差增大.當(dāng)環(huán)境光功率增大至調(diào)制光源功率的10倍時(shí)，由于光信號(hào)飽和導(dǎo)致照射區(qū)域中部分像元的測(cè)量結(jié)果等于0，之后隨著環(huán)境光功率的進(jìn)一步增大，飽和像元數(shù)量越多，測(cè)量結(jié)果中的0值越多.該變化趨勢(shì)和理論分析的結(jié)果一致.環(huán)境光功率和調(diào)制光源功率之比與飽和像元數(shù)量之間的變化曲線如圖19所示.

圖13 無環(huán)境光干擾的場(chǎng)景成像結(jié)果Fig.13 Imaging results without ambient light interference

圖14 環(huán)境光功率等于1倍調(diào)制光源功率的場(chǎng)景成像結(jié)果Fig.14 Imaging results with ambient power equal to 1X power of the modulated source

圖20和圖21分別為無環(huán)境光干擾的場(chǎng)景和1個(gè)太陽常數(shù)照射漫反射表面的實(shí)際場(chǎng)景成像結(jié)果.經(jīng)過對(duì)比可以看出，圖20中的圖像中心區(qū)域的漫反射表面沒有環(huán)境光時(shí)，成像系統(tǒng)可對(duì)該區(qū)域生成深度數(shù)據(jù)，當(dāng)漫反射表面受到1個(gè)太陽常數(shù)的環(huán)境光照射時(shí)，由于圖像中心區(qū)域的光信號(hào)飽和，測(cè)量結(jié)果為0，即圖21中的黑色區(qū)域，與仿真結(jié)果的變化情況相同.

圖15 環(huán)境光功率等于2倍調(diào)制光源功率的場(chǎng)景成像結(jié)果Fig.15 Imaging results with ambient power equal to 2X power of the modulated source

圖16 環(huán)境光功率等于10倍調(diào)制光源功率的場(chǎng)景成像結(jié)果Fig.16 Imaging results with ambient power equal to 10X power of the modulated source

圖17 環(huán)境光功率等于20倍調(diào)制光源功率的場(chǎng)景成像結(jié)果Fig.17 Imaging results with ambient power equal to 20X power of the modulated source

圖18 環(huán)境光功率等于40倍調(diào)制光源功率的場(chǎng)景成像結(jié)果Fig.18 Imaging results with ambient power equal to 40X power of the modulated source

圖19 環(huán)境光功率比與飽和像元數(shù)關(guān)系曲線Fig.19 Relationship between ambient light power ratio and saturated pixel number

圖20 無環(huán)境光照射的場(chǎng)景成像結(jié)果Fig.20 Scene imaging results without ambient light illumination

圖21 單位太陽常數(shù)環(huán)境光照射的場(chǎng)景成像結(jié)果Fig.21 Scene imaging results of 1 solar constant ambient light illumination

5.4 以67P彗星為例的仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

圖22 67P/Churyumov-Gerasimenko彗星導(dǎo)航相機(jī)拍攝圖像Fig.22 67P/Churyumov-Gerasimenko comet image

圖23 灰度數(shù)據(jù)仿真結(jié)果Fig.23 Grayscale simulation results

圖24 距離分布圖的場(chǎng)景三維成像結(jié)果Fig.24 3D imaging results (top)and ground truth (bottom)of the range map

對(duì)小天體目標(biāo)進(jìn)行三維形貌數(shù)據(jù)遙感的形貌重構(gòu)進(jìn)行仿真，生成飛行時(shí)間成像系統(tǒng)的仿真測(cè)量數(shù)據(jù)，針對(duì)獲取遙感的小天體目標(biāo)為67P/Churyumov-Gerasimenko彗星，該彗星由歐空局發(fā)射的“羅塞塔”號(hào)探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)任務(wù).圖22為探測(cè)器搭載的寬視場(chǎng)遙感相機(jī)拍攝的灰度圖像.圖23為根據(jù)三維激光成像結(jié)果生成三維重構(gòu)模型，使用飛行時(shí)間成像系統(tǒng)的仿真參數(shù)集對(duì)三維重構(gòu)模型生成深度的測(cè)量結(jié)果，其高程分布結(jié)果如圖24所示.從圖中可以看出，飛行時(shí)間三維成像的仿真結(jié)果符合被測(cè)天體表面的高程分布，由于在仿真過程中融合了飛行時(shí)間成像系統(tǒng)的參數(shù)，仿真結(jié)果同時(shí)給出了地貌起伏和陰影等原因產(chǎn)生的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差.

6 結(jié) 論

本文針對(duì)小行星著陸應(yīng)用需求，研究了飛行時(shí)間成像的光傳輸模型，建立了基于環(huán)境光照條件的飛行時(shí)間成像的數(shù)字仿真模型，該模型集成了完善的光源模型、光傳輸模型、場(chǎng)景表面反射模型、傳感器電路模型和傳感器噪聲模型，可根據(jù)飛行時(shí)間傳感器參數(shù)集對(duì)預(yù)設(shè)三維場(chǎng)景的光照條件生成飛行時(shí)間成像的數(shù)字仿真計(jì)算結(jié)果，給出包括二維灰度圖像數(shù)據(jù)和三維深度的高程圖像數(shù)據(jù)，并具備了完善的環(huán)境光條件影響機(jī)理模型，進(jìn)行聯(lián)合仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，獲得了明確的穩(wěn)定的驗(yàn)?zāi)?shù)據(jù)和驗(yàn)證結(jié)果.同時(shí)擴(kuò)充了數(shù)字仿真系統(tǒng)的仿真對(duì)象的參數(shù)集范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器的光源峰值功率、空間分辨率、積分時(shí)間、信號(hào)讀出時(shí)間等主要參數(shù)的仿真優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境光影響相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整.該系統(tǒng)建立了基于小行星著陸應(yīng)用數(shù)字仿真的研究驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)于具有光照條件作用的飛行時(shí)間成像系統(tǒng)三維信息獲取和以飛行時(shí)間成像系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)源的三維信息算法以及方案的優(yōu)化研究驗(yàn)證和評(píng)估具有重要的意義.