本发明专利技术涉及一种基于沙氏成像原理的激光三维关联成像方法及其装置。幅度调制器以预设的编码对激光光源发出的均匀光束进行振幅调制，经发射透镜成像于待测物体上，待测物体的反射信号经收光透镜以满足沙氏成像原理的方式成像于面阵探测器上，面阵探测器记录目标反射信息；激光光源、幅度调制器和面阵探测器由一个同步信号发生器同步触发控制同时工作；将面阵探测器每个像元所记录的信息与事先设定的编码进行二阶关联运算，获取一系列层析图像，结合沙氏成像关系与层析图像，实现待测物体的三维图像重建。本发明专利技术利用调制光源探测物体，采用关联运算获取物体图形，采用沙氏成像的方式并行探测物体信息，可大幅度提升成像速率，实现三维实时成像。实现三维实时成像。实现三维实时成像。
【技术实现步骤摘要】
一种基于沙氏成像原理的激光三维关联成像方法及其装置
[0001]本专利技术涉及一种基于沙氏成像原理的激光三维关联成像方法及其成像装置，属于光学成像
技术介绍
[0002]二维成像丢失了物体的深度信息，已经渐渐不能满足人们的需求，如在卫星测量、自动驾驶、遥感探测、医学影像等领域中，数据信息更为丰富的激光三维成像占有重要地位。基于飞行时间（Time of Fly）方法的三维激光雷达是发射高强度脉冲激光探测到物体之后折返，用雪崩二极管（ADP）收集回波信号，根据发射和接收信号之间的时间差确定物体距离，想要提高精度必须使用高频率的计时时钟，对硬件要求极大。该方法的探测方式有扫描成像和凝视成像两种，其中，扫描式难以实现高帧频实时成像，并且对扫描装置有要求；凝视式受到ADP面阵尺寸的限制，难以提高成像视场和分辨率。在除了TOF方法之外的三维成像方法中，条纹管激光雷达和沙氏三维成像方法均需要扫描装置，无法实现高帧频实时成像，且前者装置复杂、工作波段受限，后者的探测精度受到光束展宽的影响。上述三维成像方法的图像信息获取效率和成像分辨率分别受奈奎斯特采样定理和光学成像系统衍射极限的限制，存在较大技术瓶颈。
[0003]根据热光场关联成像发展起来的三维激光关联成像雷达（参见文献：Gong W, Zhao C, Yu H, et al. Three
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dimensional ghost imaging lidar via sparsity constraint[J]. Scientific reports, 2016, 6(1): 1
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6.），通过调控光场涨落和单像素探测器接收目标回波信号、采用计算重构方法获取目标的图像信息，是一种凝视成像模式。目前有采用窄脉冲的空间调制激光照明和回波信号强度探测模式，以及采用长脉冲的时空两维调制激光照明和回波信号外差探测模式的激光三维关联成像。其利用时间分辨能力的单像素探测器获取目标场景的三维图像信息，不但图像信息获取效率可以突破奈奎斯特采样定理的限制，而且还可以突破光学系统衍射极限对空间分辨率的限制。但是重构需要多次采样影响成像速率，且成像视场受限，无法实现大视场、高帧频、高分辨三维成像。
技术实现思路
[0004]本专利技术针对现有三维成像技术存在的不足，提供一种基于沙氏成像原理的激光三维关联成像方法及其成像装置，实现成像速率和成像视场的大幅度提升。
[0005]为解决现有技术存在的不足，本专利技术的技术解决方案是提供一种基于沙氏成像原理的激光三维关联成像装置，它包括激光器、幅度调制器、发射透镜、待测物体、收光透镜、面阵探测器和计算机；所述幅度调制器以事先设定的编码对激光发出的均匀光束进行振幅调制，发射透镜将调制光场成像于待测物体上，物体的反射光经收光透镜后以沙氏成像的方式成像于面阵探测器上；所述的幅度调制器和面阵探测器的输出端同时连接执行二阶关联运算和沙氏距离计算的计算机，所述的激光光源、幅度调制器和面阵探测器同时由一个同步信号发生
器同步触发控制同时工作。对面阵探测器上每个像元记录的光强和预设编码进行二阶关联运算，提取一系列层析面的空间信息，结合沙氏成像计算距离，经过遍历提取待测物体的三维空间信息。
[0006]本专利技术提供的一种基于沙氏成像原理的激光三维关联成像装置，其幅度调制器的预设编码为随机产生的K个0/1二值分布的无重叠散斑图像，K个随机产生的散斑图像的对应空间位置叠加呈均匀光分布。所述的沙氏成像的方式是指收光透镜平面、面阵探测器平面和发射透镜的主光轴平面彼此相交，面阵探测器的不同像元以角度分辨的方式探测到不同距离的物体。
[0007]本专利技术技术方案还包括一种基于沙氏成像原理的激光三维关联成像方法，采用上述的成像装置，包括以下步骤：
①
幅度调制器的编码预设幅度调制器预先设定的编码方式为产生的K个0/1二值分布的随机散斑图像无重叠，K个随机散斑图像的对应空间位置叠加呈均匀光分布；
②
基于沙氏成像原理的物体信息采集预设编码的幅度调制器对激光器发出的均匀光束进行0/1幅度调制得到调制光源，经发射透镜成像到待测物体处，生成一个景深范围内的三维测量空间；待测物体的反射信号经过收光透镜，被面阵探测器以沙氏成像的方法并行采集，由计算器记录；所述的激光器、幅度调制器和面阵探测器由一个同步信号发生器同步触发控制同时工作；
③
物体层析面的空间和距离信息提取(a)将面阵探测器上所有像元采集并记录的光强信号依次与预先设定的编码方式做二阶关联运算，得到一系列层析面的空间信息，层析面的分辨率为幅度调制器的像素数；(b)根据面阵探测器上像元的空间位置，通过沙氏成像关系，计算出该像元的沙氏探测距离，结合该像元记录的光强信号通过二阶关联运算得到的层析面的空间信息特征，计算得到对应层析面的距离信息；
④
遍历面阵探测器上的所有像元，将一系列层析面的空间信息和距离信息一一对应，获得待测物体的三维重建图像。
[0008]本专利技术技术方案中，所述计算机进行二阶关联运算方法为：利用幅度调制器生成服从伯努利分布的 大小的随机散斑作为测量矩阵，随机散斑的像被待测物体反射后被
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像素的面阵探测器采集，作为信号矩阵，将面阵探测器每个像元采集到的光强依次与测量矩阵N个像素的光强的乘积的均值减去二者均值的乘积，得到一张N像素的图片，即为对应层析面的空间信息，遍历面阵探测器像元得到M幅像素大小为N的层析面的空间信息。
[0009]本专利技术技术方案中，所述利用层析面空间信息和像素位置计算层析面距离信息的方法为：根据层析面空间信息得到层析面上的点到图像中心的纵向距离，利用面阵探测器上像素位置计算出其对应的沙氏探测距离和采样角，由纵向距离和采样角得到层析面和沙氏探测距离之间的距离差值，由此得到层析面的距离信息。
[0010]本专利技术提供的成像装置在系统结构上将原来的均匀光场变为调制光场，使用无时间分辨能力的面阵探测器，以角度分辨的方式并行接收不同距离的物体信息，免去复杂的扫描结构；在成像方法上，图像分辨率由发射端决定（重建物体的图像分辨率由幅度调制器
决定），使用像素数较多的面阵探测器扩大成像视场，通过关联成像和沙氏成像的结合，在采样数极低的情况下实现三维物体实时成像，大幅度提升成像视场和成像速率。
[0011]与现有技术相比，本专利技术具有以下的技术效果：1.与基于飞行时间法的激光三维关联成像相比，本专利技术所述的面阵探测器无需时间分辨能力，同时采用并行探测的方式，在样本数极低的条件下便可以实现大视场的实时三维成像。
[0012]2.与条纹管激光雷达相比，本专利技术无需狭缝或者机械扫描，在凝视探测的条件下便可以获取目标三维图像信息，且工作波段范围广、成本低。
[0013]3.与现有的沙氏激光三维成像方法相比，本专利技术不存在机械扫描结构，相同的成像视场所需的激光辐照脉冲次数更少。
附图说明
[0014]图1是本专利技术实施例提供的基于沙氏成像原理的激光三维关本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于沙氏成像原理的激光三维关联成像装置，其特征在于：它包括激光器（1）、幅度调制器（2）、发射透镜（3）、待测物体（4）、收光透镜（5）、面阵探测器（6）和计算机（7）； 预设编码的幅度调制器（2）对激光器（1）发出的均匀光束进行0/1幅度调制，发射透镜（3）将调制光场成像于待测物体（4）上，物体的反射光经收光透镜（5）后以满足沙氏成像原理的方式成像于面阵探测器（6）上；激光器（1）、幅度调制器（2）和面阵探测器（6）由一个同步信号发生器同步触发控制同时工作；幅度调制器（2）和面阵探测器（6）的输出端连接执行二阶关联运算的计算机（7）；计算机（7）对由面阵探测器（6）输入的每个像元记录的光强和面阵探测器（6）输入的预设编码进行关联运算，得到一系列层析面的空间信息，再依据沙氏成像原理计算得到每个层析面对应的距离信息，得到待测物体的三维图像。2.根据权利要求1所述的一种基于沙氏成像原理的激光三维关联成像装置，其特征在于：幅度调制器的预设编码为随机产生的K个0/1二值分布的无重叠散斑图像，K个随机产生的散斑图像的对应空间位置叠加呈均匀光分布。3.根据权利要求1所述的一种基于沙氏成像原理的激光三维关联成像装置，其特征在于：所述的沙氏成像原理的方式为收光透镜（5）平面、面阵探测器（6）平面和发射透镜（3）的光轴平面彼此相交，面阵探测器（6）的各像元以角度分辨的方式探测不同距离的物体。4.一种基于沙氏成像原理的激光三维关联成像方法，其特征在于：采用权利要求1所述的成像装置，包括如下步骤：
①
幅度调制器的编码预设幅...
【专利技术属性】
技术研发人员：龚文林，常世豪，居世昌，许春淼，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：
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