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.長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春 130012;2.2956部隊， 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成像技術(shù)中，激光主動成像技術(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，為了克服雨雪霧霾等惡劣天氣對成像效果的影響，又將視線轉(zhuǎn)移到了距離選通技術(shù)。十幾年來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，并基于此算法對距離為17 m處的目標(biāo)進(jìn)行實驗研究，給出了實驗數(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) 選通門關(guān)閉時 (b) 選通門打開時

距離選通工作過程：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，此時接收設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)，以屏蔽其他光的干擾(見圖1(a))，待目標(biāo)物體的反射光到達(dá)時,控制ICCD設(shè)備開啟，接收目標(biāo)的反射光(見圖1(b))。通過控制ICCD的選通可以有效抑制大氣的后向散射光對成像的影響，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)時間延時后打開，選通一定時間，成像區(qū)域為激光照射部分與選通接收部分的焦點重疊區(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開啟之間的延時時間。

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

激光器與選通ICCD的時序圖如圖3所示。

圖3 激光器與選通ICCD的時序圖

按此觸發(fā)ICCD選通便可得到對應(yīng)的二維圖像。再將其相鄰兩張圖像的信息按式(2)對圖像強(qiáng)度值進(jìn)行反演運算,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(三角形的上升邊);

Itail,A——第一張圖像的尾信號(三角形的下降邊);

D——景深,D=tplsc/2。

2 實驗及數(shù)據(jù)分析

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

(a) 實景拍攝圖像

(b) 實物灰度圖像

(c) 三維反演偽色彩圖像

圖4(a)為開燈時的實景拍攝圖，圖4(b)為ICCD實驗中拍攝的實物灰度圖像，圖4(c)為距離能量相關(guān)算法計算處理后的三維反演偽色彩圖像。由于鏡頭視場的原因，實驗場地走廊右側(cè)的門也進(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)，對計算得到的距離信息進(jìn)行了進(jìn)一步的驗證[5]。

實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖5所示。

(a) 距離信息

(b) 結(jié)果對比

(c) 誤差分析

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

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

(a) 實景拍攝圖像

(b) 實物灰度圖像

(c) 三維反演偽色彩圖像

圖6(a)為白天時候?qū)υ撃繕?biāo)的取景，圖6(b)為實驗中對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，激光反射回來會有一定的角度，所以從拍攝圖像及處理圖像中會有一定的角度而不是垂直的距離分段。

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

3 結(jié) 語

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，近些年備受重視，該技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。延時步進(jìn)、增益調(diào)制、超分辨率等三維反演算法也被應(yīng)用于該項技術(shù)中。文中對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)行了實驗，分析所得結(jié)果準(zhǔn)確。該技術(shù)可以應(yīng)用于軍事探測偵察、叢林探測等方面，在軍用、民用、國防等領(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)計與實現(xiàn)[D].西安：中國科學(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)向傳感器精度檢測儀[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報,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.