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专利名称：基于等高信息稀疏测量的三维成像装置及方法
技术领域：
本发明属于光学三维成像技木，特别是一种基于等高信息稀疏测量的三维成像装置及方法。
背景技术：
基于三维信息的目标探测技木，依赖于待测目标的距离信息，而非目标/背景间的对比度，是提高目标探测效率的重要技术途径，在目标匹配、制导、水下反潜与扫雷、地质勘探等领域具有重要的应用价值。快速、精确的光学三维成像技术得到了研究人员的广泛关注和重视。在光学三维成像领域，已报道的光学三维成像方法可以分为两类，即(I)基于图像测量的方式，如结构光投影成像、干涉测量等；(2)基于时间测量的方式，如距离选通三维成像、激光线同步扫描成像、条纹管三维成像、直接三维成像激光雷达等。基于图像測量 方式的光学三维成像技术，通过分析发射光学信号与待测目标相互作用形成的图像畸变实现三维測量，其精度受限于发射光学信号与自然杂散光的能量比，应用领域主要集中在实验或室内环境。基于时间測量方式的光学三维成像技术是重点发展领域。其中距离选通三维成像方法的測量精度与距离选通门控时间成反比，使得完整的三维成像需要进行多帧扫描，降低了測量速率。激光线同步扫描成像采用点云扫描测量的方式，通过时间差測量手段，逐点对待测目标的距离进行測量，是目前应用最广泛、最为成熟的光学三维成像技木，但是需要进行扫描，限制了成像帧频。此外，还有直接三维成像激光雷达和微透镜阵列的3D相机，这些在成像速率上具有明显的优势，但成像过程中存在信号串扰、成像分辨率低等缺陷，无法满足目标匹配、制导、水下反潜与扫雷、地质勘探等实际应用的需求。

发明内容
本发明的目的在于提供ー种可以实现快速且宽视场的光学三维成像装置及其方法。实现本发明目的的技术解决方案为一种基于等高信息稀疏测量的三维成像装置，包括锁模激光器、第一带通滤色片、激光扩束镜、液晶空间光调制器、成像物镜、第二带通滤色片、聚焦透镜、高速光电ニ极管、数据采集�？楹图扑慊�。在发送端上，锁模激光器输出端的中心轴线上依次放置激光扩束镜、液晶空间光调制器和成像物镜，所有的光学中心吻合，第一带通滤色片放置在锁模激光器和激光扩束镜的输入负透镜之间，激光扩束镜与锁模激光器输出端的距离为激光扩束镜输入负透镜的一倍焦距，激光扩束镜的输出正透镜ー侧放置液晶空间光调制器，两者之间的距离调节至激光光束经扩束后在液晶空间光调制器上形成的光斑大于液晶空间光调制器调制面的I. 2^1. 3倍，成像物镜与液晶空间光调制器的距离为成像物镜的焦距。成像物镜与聚焦透镜的光轴相交，待测目标放置于聚焦透镜与成像物镜的光轴的交点，且聚焦透镜和成像物镜相对于待测目标并排放置，两者位置相邻，在聚焦透镜的前端(指经待测目标反射回的信号光输入到聚焦透镜的一端)放置第二带通滤色片，高速光电ニ极管放置在聚焦透镜的后焦面上，聚焦透镜光学中心与高速光电ニ极管的感光面的光学中心吻合，高速光电ニ极管的感光面与聚焦透镜的距离为聚焦透镜的焦距，高速光电ニ极管的信号输出端通过同轴电缆与高速数据采集�？榈哪Ｄ馐淙攵肆�接，数据采集�？榈氖涑龆擞爰扑慊�网络端ロ连接，上传数据采集結果；数据采集�？榈牡谝煌�步输出端ロ通过同轴电缆与锁模激光器的同步输入端ロ连接；数据采集�？榈牡诙�同步输入端ロ通过同轴电缆与液晶空间光调制器的同步输入端ロ连接。一种基于等高信息稀疏测量的三维成像装置及其方法，首先建立三维成像的等高压缩物理模型，构造等高信息矩阵，建立三維信息求解方程。根据精度要求，在采集�？橹猩柚脺y量次数M和采样率K，数据采集�？榈牡谝煌�步输出端ロ向液晶空间光调制器的同步输入端发送同步控制信号，液晶空间光调制器的板载控制器产生一幅強度最大的调制面并显示，数据采集�？榈牡诙�同步输出端ロ向锁模激光器的同步输入端发送同步控制信号，锁模激光器受该同步信号控制发射出単位冲激脉沖。数据采集�？槠舳�模拟电压输入端ロ的采集功能，以设定的采样频率对高速光电ニ极管输出的模拟电压信号进行采样并完成数字化，将采样的结果以一维数组形式存储于数据采集�？榈那度胧娇刂破髂诖�。先对高速光电ニ极管进行单位冲激响应测试，得到在K次采样下的単位冲激响 应{h[k]:k= 1，...，K}，随后在液晶空间光调制器全开状态下，用周期性脉冲照射目标场景，并用高速采样�？槎悦扛雎龀逯芷谙碌奶綔y器响应进行K次采样，得到采样值|r[k] :k=1，...，K}。利用信号參数反演算法，对得到的h[k]和r[k]进行參数反演，估算出待测目标的景深，即对应于激光脉冲从目标最近点和最远点返回到探測器的最小时间Tmin和最大时_Tmax。之后采用压缩感知測量方式，控制液晶空间光调制器产生M幅強度随机调制的图样照射目标场景，进行稀疏采样，在同一个强度随机调制矩阵下高速光电ニ极管再对目标场景进行K次高速采样，经过多次重复采样，完成对待测目标三维深度信息的采集。根据得到的采样值{rp[k] :k = I,. . . , K, p = I,. . . , Μ}计算出与待测目标三维特征等价的等高信息稀疏测量矩阵方程中的投影系数{a1}。利用凸优化算法，求解有约束条件的Min I j謹ArC||F + ||(Φ % )/.)|模型，从而恢复出待测目标的三维深度信息。本发明与现有技术相比，其显著优点为(1)利用压缩感知和等高信息稀疏测量技术，直接获得三维深度信息，比激光扫描三维成像速度快、视场宽、空间分辨率高，且无需复杂的扫描装置，结构简单；(2)用高速光电ニ极管代替3D相机的阵列探測器，降低成本；
(3)与TOF相机相比，受环境光的影响�。�且无需大功率的LED照明源，节约能源。下面结合附图对本发明作进ー步详细描述。


图I是本发明基于等高信息稀疏测量的三维成像装置的原理示意图。图2是本发明基于等高信息稀疏测量的三维成像装置及方法的物理模型示意图。图3是本发明基于等高信息稀疏测量的三维成像装置及方法中三維信息表达示意图。图4是本发明基于等高信息稀疏测量的三维成像装置及方法的总体算法结构框架图。
具体实施例方式结合图1，本发明基于等高信息稀疏测量的三维成像装置，包括锁模激光器I、第一帯通滤色片2、激光扩束镜3、液晶空间光调制器4、成像物镜5、第二带通滤色片7、聚焦透镜8、高速光电ニ极管9、数据采集�？�10和计算机11。在发送端上，锁模激光器I输出端的中心轴线上依次放置第一带通滤色片2、激光扩束镜3、液晶空间光调制器4和成像物镜5，所有的光学中心吻合，第一带通滤色片2放置在锁模激光器I和激光扩束镜3的输入负透镜之间，激光扩束镜3的输出正透镜ー侧放置液晶空间光调制器4。成像物镜5与聚焦透镜8的光轴相交，待测目标6放置于聚焦透镜8与成像物镜5的光轴的交点，在聚焦透镜8的前端(指经待测目标6反射回的信号光输入到聚焦透镜8的一端)放置第二带通滤色片7，高速光电ニ极管9放置在聚焦透镜的后焦面上，聚焦透镜8光学中心与第二带通滤色片7以及高速光电ニ极管9的感光面的光学中心吻合,高速光电ニ极管9的信号输出端通过同轴电缆与数据采集�？�10的模拟输入端连接，数据采集�？�10的输出端与计算机11的网络端ロ连接，上传数据采集结果；数据采集�？�10的第一同步输出端ロ通过同轴电缆与锁模激光器I的同步输入端ロ连接；数据采集�？�10的第二同步输入端ロ通过同轴电缆 与液晶空间光调制器4的同步输入端ロ连接。其中，激光扩束镜3与锁模激光器I输出端的距离为激光扩束镜3输入负透镜的一倍焦距，激光扩束镜3和液晶空间光调制器4之间的距离调节至激光光束经扩束后在液晶空间光调制器4上形成的光斑大于液晶空间光调制器4调制面的I. 2 1. 3倍，成像物镜5与液晶空间光调制器4的距离为成像物镜5的焦距，聚焦透镜8和和成像物镜5相对于待测目标6并排放置，两者位置相邻，高速光电ニ极管9的感光面与聚焦透镜8的距离为聚焦透镜8的焦距。本发明中，锁模激光器I采用780nm飞秒光纤激光器，脉宽lOOfs，重复频率80MHz，功率 50mW。第一带通滤色片2和第二带通滤色片7采用平板式带通滤色片。激光扩束镜3采用伽利略式固定型激光扩束镜，由输入负透镜和输出正透镜组成，扩大倍数为3倍,最大入光直径为3. 8mm。液晶空间光调制器(SLM)4采用强度调制式液晶空间光调制器，包含板载控制器及TTL同步输入端ロ。成像透镜5和聚焦透镜8采用平凸透镜。高速光电ニ极管9米用带有前置放大器的大面积光电ニ极管,信号输出方式为电压式，接ロ采用BNC接头，输出特性阻抗为50欧姆。数据采集�？�10采用NI数据采集�？椋�包含嵌入式控制器、两个TTL同步输输出端ロ以及ー个模拟电压采集输入端ロ。本发明利用上述的基于等高信息稀疏测量的三维成像装置来实现快速且宽视场的光学三维成像，具体步骤如下I. I现实中，待测目标的三维形状特征还有一种常见的表现形式，即等高线形式，结合图4中描述所示，普通的三维深度信息D由坐标值和相应的距离值组成ー个ニ维矩阵的形式
权利要求
1.一种基于等高信息稀疏测量的三维成像装置，其特征在于包括锁模激光器(I)、第一帯通滤色片(2)、激光扩束镜(3)、液晶空间光调制器(4)、成像物镜(5)、第二带通滤色片(7)、聚焦透镜(8)、高速光电ニ极管(9)、数据采集�？�(10)和计算机(11)，在发送端上，锁模激光器(I)输出端的中心轴线上依次放置第一带通滤色片(2)、激光扩束镜(3)、液晶空间光调制器(4)和成像物镜(5)，所有的光学中心吻合；成像物镜(5)与聚焦透镜(8)的光轴相交，待测目标(6)放置于聚焦透镜(8)与成像物镜(5)的光轴的交点，在聚焦透镜(8)的前端(指经待测目标(6)反射回的信号光输入到聚焦透镜(8)的一端)放置第二带通滤色片(7),高速光电ニ极管(9)放置在聚焦透镜(8)的后焦面上，聚焦透镜(8)光学中心与第二带通滤色片(7)以及高速光电ニ极管(9)的感光面的光学中心吻合，高速光电ニ极管(9)的信号输出端通过同轴电缆与数据采集�？�(10)的模拟输入端连接，该数据采集�？�(10)的输出端与计算机(11)网络端ロ连接，上传数据采集结果；数据采集模块(10)的第一同步输出端ロ通过同轴电缆与锁模激光器(I)的同步输入端ロ连接；数据采集�？�(10)的第二同步输入端ロ通过同轴电缆与液晶空间光调制器(4)的同步输入端ロ连接。
2.根据权利要求I所述的基于等高信息稀疏测量的三维成像装置，其特征在于激光扩束镜(3)与锁模激光器(I)输出端的距离为激光扩束镜(3)输入负透镜的一倍焦距。
3.根据权利要求I所述的基于等高信息稀疏测量的三维成像装置，其特征在于激光扩束镜(3)和液晶空间光调制器(4)之间的距离调节至激光光束经扩束后在液晶空间光调制器(4)上形成的光斑大于液晶空间光调制器(4)调制面的I. 2^1. 3倍。
4.据权利要求I所述的基于等高信息稀疏测量的三维成像装置，其特征在于成像物镜(5)与液晶空间光调制器(4)的距离为成像物镜(5)的焦距。
5.据权利要求I所述的基于等高信息稀疏测量的三维成像装置，其特征在于聚焦透镜(8)和成像物镜(5)相对于待测目标(6)并排放置，且两者位置相邻，高速光电ニ极管(9)的感光面与聚焦透镜(8)的距离为聚焦透镜(8)的焦距。
6.一种基于等高信息稀疏测量的三维成像方法，包括以下步骤 I. I建立三维成像的等高压缩物理模型，构造离散距离基{dj，建立三维信息求解方程
7.据权利要求6所述的基于等高信息稀疏测量的三维成像方法，其特征在于步骤I. I中的建立三维成像的等高压缩物理模型过程为等高压缩物理模型分为激光发射模型和信号接收模型，当待测目标(6)相对于锁模激光器(I)和比较远且近轴时，液晶空间光调制器(4)的照射图样把探测视场和景深在xyz坐标轴下近似分割成NXNXL个立方格分布，NXN为液晶空间光调制器(4)调制的随机矩阵大小，L为深度级，立方格尺寸大小为Δ X Δ X2 Δ，随机测量矩阵用来表示，P为图样模式(p=l, 2,…，M), i, j为xy平面上的图像坐标，当随机矩阵图样照射在待测目标表面吋，定义投影系数，即 ,_fl,经图怍照射C(i，j)点イ 光H.距离为も%=1θ,其他情况e
全文摘要
本发明公开了一种基于等高信息稀疏测量的三维成像装置及其方法。本装置由锁模激光器、激光扩束镜、液晶空间光调制器、高速PIN管、高速数据采集�？楹屯�步电路控制系统等组成。结合信号参数反演方法和压缩感知理念，提出了等高压缩三维深度图像重建方法，即采用距离基投影的方式将待测信号量(距离)转换为唯一确定的无量纲等高信息矩阵，通过构造符合压缩感知理论体系的稀疏测量方式，对等高信息进行稀疏测量并重建，恢复出待测场景的三维深度信息。本发明采用压缩感知理论的信息采集方式，不仅实现了目标三维信息的获取，还避免了一般三维成像繁杂的机械扫描过程，简化了成像系统的结构，同时减小了探测器尺寸，降低了成像系统的成本。
文档编号G01B11/25GK102865833SQ20121039548
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者何伟基, 冯维一, 陈钱, 顾国华, 张闻文, 钱惟贤, 隋修宝, 于雪莲, 路东明 申请人:南京理工大学