专利名称：距离子区间数指数增长型的三维成像方法
技术领域：
本发明涉及三维成像或称成像测距技术，尤其是涉及一种距离子区间数指数增长型的三维成像方法。

背景技术：
激光雷达在军事、国民经济等各个领域都有广泛的应用潜力和实用价值，而面阵成像三维测距激光雷达更是发展的重要方向之一。面阵激光雷达的测量法有连续光源测量法和脉冲光源门选通测量法，连续光源测量法速度快、测距精度高，但由于后向散射干扰而探测距离短；脉冲光源门选通测量法则能有效抑制后向散射光和背景干扰从而进行远距离探测。
2005年，丹麦的Andersen等人发明了时间切片的门选通技术，基于不同选通下已知距离目标的光强得到距离-光强曲线，然后对待测场景进行同样的选通扫描，最后根据曲线求出每点待测目标的距离。特点是多幅图像平均精度较高，缺点是要处理多幅图像，成像速度慢。[1]Joachim F.Andersen，Jens Busck，andHenning Heiselberg.Pulsed Raman fiber laser and multispectral imaging in threedimensions.APPLIED OPTICS.2006.Vol.45，NO.24；6198-6204。
2007年，法德圣路易士研究院的Laurenzis等人发明了一种超分辨率距离精度的三维主动成像方法。利用高质量矩形光脉冲和门选通，可以获得梯形的距离-光强关系。然后根据梯形的形状参数可以获得目标信息，用两幅图像得到三维图像。该方法优点是可用于远距离大景深目标的快速三维图像，成像速度快。但其探测子区间随着探测次数呈线性变化，即每增加一次探测，只增加一个探测子区间。[2]Martin Laurenzis，Frank Christnacher，and David Monnin.Long-rangethree-dimensional active imaging with superresolution depth mapping.OPTICSLETTERS.2007.Vol.32，No.21；3146-3148。


发明内容
本发明的目的在于提供一种距离子区间数指数增长型的三维成像方法。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是 本发明利用光脉冲配合接收器选通门进行多次门选通成像获得多幅二维光强图像，每幅光强图像是在不同的门选通或光脉冲的时序下获得的，根据这些光强图像中同一像素的相对光强关系能够确定像素对应目标的距离子区间，距离子区间数随着门选通成像次数增加呈指数增长变化，由不同门选通成像获得的光强图的同一像素光强的比值关系算出该像素对应目标在距离子区间内的相对位置，通过确定每个像素对应目标的距离子区间和在距离子区间内的相对位置可以确定每个像素的绝对距离，从而得到一幅三维图像。
所述不同的门选通或光脉冲的时序，是通过二进制编码方式设计门选通的时序，或通过二进制编码方式设计光脉冲的时序。
所述门选通或光脉冲，其光脉冲发射时间和门选通时间具有时间差，该时间差由欲探测的最近距离和光速决定。
所述多次门选通成像，其选通次数为n，n由欲探测的最近距离，最远距离和测距精度决定，且n最小次数为3。
本发明具有的有益效果是 本发明利用距离子区间数指数增长型的三维成像方法，可以在测距精度不变的情况下，有效增大景深范围；或在景深范围不变的情况下，有效增大测距精度。



图1是单次门选通探测示意图。
图2是2次门选通探测光强-距离图。
图3是3次门选通探测光强-距离图。
图4是n＝3时其中一种符合要求的选通门时序排列图、一个单位时间光脉冲及该光脉冲经过该选通门成像获得的光强-距离图。
图5是n＝3时其中一种符合要求的光脉冲时序排列图、一个单位时间选通门及该光脉冲经过该选通门成像获得的光强-距离图。

具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一、测距原理 在脉冲光源门选通测量法中，为了有效减小背景光辐射和后向散射光的影响，可以使接收器处于门选通方式并设法使光脉冲发出时间与门选通时间具有时间差，该时间差由欲探测的最近距离和光速决定。光脉冲与门选通的时间差在附图中以

表示。
激光雷达探测器某点接收到的光强为 其中，k为与光源、成像系统参数和目标反射率有关的常数，α(z)为衰减系数，T为整个观测过程探测器的积分时间，z为目标距离，c为真空中的光速，P(t-2z/c)为光脉冲功率-时间函数，G(t)为接收器增益的功率-时间函数。
若有两个不同的接收器增益函数G1(t)和G2(t)，那么对同一目标点接收到的光强为 将公式(3)除以公式(2)得到 由于光脉冲功率P1(t)、P2(t)和接收器增益G1(t)、G2(t)均可控，即已知。理论上从公式(4)可以求出目标的位置Z。
测距原理附图1所示。光脉冲是理想矩形强度且为单位时间宽度τ；接收器选通门也是理想矩形，即恒定增益，时间宽度为τ′(τ′＝2τ)。激光器发出光脉冲，到达门选通起始距离Z0＝cτd/2进入门选通区域进行门选通成像，门选通步进距离为Δz＝cτ/2，目标反射的光强和距离的关系将形成一个梯形，梯形斜坡区(包括上升坡区和下降坡区)的时间和梯形平顶区的时间是一样的。通过平顶区可以获得目标的反射率等强度信息，而从斜坡区则可以得到距离信息。
经过2次门选通探测，结合附图2中的光强-距离图，利用门选通起始距离、门选通光强和门选通步进距离，可算出像素对应目标的绝对位置。设ZA、ZB分别是为第1次和第2次的门选通起始位置，门选通步进距离均为Δz＝cτ/2，IB，1是第1次选通获得的下降坡区强度，IA，2是第2次选通获得的上升坡区强度，IA，1、IB，2分别是第1次和第2次选通获得的平顶区强度。则求解像素对应目标的对位置的公式如下 由上升坡区和平顶区计算像素对应目标的绝对位置 由下降坡区和平顶区计算像素对应目标的绝对位置 结合附图2和附图3可以看出从2次门选通探测变为3次门选通探测，增加一次探测则增加一个距离子区间C。由上可以得出每增加一次门选通，增加一个距离子区间，即距离子区间数随着门选通成像次数呈线性变化。
二、距离子区间数随着门选通成像次数增加呈指数增长变化 1、相关概念及条件 1.1、定义两相邻的距离子区间的交接部分为临界处。探测中不可避免的误差导致获得的光强有一定误差，采用二进制的编码可以有效抑制这些误差造成的影响。为了使探测范围内所有不同的距离子区间能够被区分，要求各个临界处的光强状态唯一。由于临界处的光强要么接近最大值，要么接近零值，因此可以将最大值附近光强定义为1，接近零值光强定义为0。这样多次门选通成像获得的多个光强关系中的同一个临界处光强状态可以组成取值为0或1的有序集。通过二进制编码方式设计临界处的光强状态，可以得到各距离子区间的光强-距离图；根据各距离子区间的光强-距离图又可以反推得到门选通或光脉冲的时序-时间图。即采用二进制编码方式设计临界处的光强状态，可以达到二进制编码方式设计门选通或光脉冲的不同时序状态的目的。
以下在距离子区间内用0表示截止状态，无光强；1表示全通状态，光强最大；X表示半通状态，光强线性变化(即梯形斜坡区，包含上升坡区和下降坡区)。
定义n次门选通成像探测每个临界处的光强状态通过二进制编码以n维列向量表示 a0(n)＝
Tn×1 a1(n)＝
Tn×1 a2(n)＝
Tn×1 … am(n)＝[11…11]Tn×1 其中T代表向量转置，下同；m代表n维列向量个数，二进制编码m为理论上限值2n。
1.2、考虑到完全无光则无法区分门选通区域外的目标距离，因此排除完全无光状态a0(n)。
1.3、根据测距原理公式(5)和(6)，要求任一距离子区间多次探测中必有一次产生一个平顶光强区，则相邻两个临界处的光强状态均为最大值，即相邻两个列向量组成的n行×2列矩阵中必有一行内的元素均为1；要求任一距离子区间多次探测中必有一次产生一个梯形斜坡光强区X，则相邻两个临界处的光强状态从0变为1或从1变为0，即相邻两个列向量组成的n行×2列矩阵中必有一行内的一个元素为1，一个元素为0。
2、证明对目标进行多次门选通成像探测，距离子区间数随着门选通成像次数增加呈指数增长变化。当门选通成像次数为n时，其中n由欲探测的最近距离，最远距离和测距精度决定且n最小次数为3，距离子区间数N(n)＝2n-1。
2.1当门选通成像次数为1，即n＝1时，二进制编码得N(1)＝0；当门选通成像次数为2，即n＝2时，二进制编码得N(2)＝2。距离子区间数均不符合指数关系，不做考虑。
2.2当门选通成像次数为3，即n＝3时，距离子区间个数N(3)＝23-1＝7。取n＝3，则二进制编码后所有临界处的光强状态以3维列向量分别表示如下 a0(3)＝
T3×1 a1(3)＝
T3×1 a2(3)＝
T3×1 a3(3)＝
T3×1 a4(3)＝[100]T3×1 a5(3)＝[101]T3×1 a6(3)＝[110]T3×1 a7(3)＝[111]T3×1 n＝3时所有临界处的光强状态以矩阵表示如下 (i)根据条件1.2，其中第一个临界处的光强状态a0(3)＝
T3×1属于完全无光状态，不能使用，故共有7个不同临界处的光强状态。
(ii)根据条件1.3，排列得到其中一种组合，用矩阵表示 (iii)在矩阵最后添上第一列，这样得到8个临界处的光强状态。首尾两向量之外的区域(图4、5中的H区域)光强状态不定，故不能确定探测目标位置。规定首尾两向量之间的区域(附图4、5中的A-G区域，不包括首尾两向量)为测量区域。8个临界处的光强状态之间有7个距离子区间，最后得到一种符合所有条件的临界处的光强状态组合矩阵 2.3设当门选通成像次数为n时，距离子区间数为N(n)＝2n-1。根据要求得到其中一种符合所有条件的组合矩阵A0′(n)，则不考虑测量区域问题的组合矩阵为A0(n)。
设矩阵A0(n)第一列向量和最后一列向量分别为ai(n)和aj(n)，所以这两个列向量符合条件1.3。
则当门选通成像次数为(n+1)时，在每个n维列向量中增加第(n+1)行，并赋值0或1。再结合状态

可以得到由A0(n)变化的矩阵 其中θ1×(m-1)＝
1×(m-1)，e1×(m-1)＝[1…1]1×(m-1) 因为A0(n)符合所有相关条件，可以看出

和

也均符合所有相关条件；然而第m列向量

却不符合条件1.3，它与第(m-1)列向量

没有一行取值均为1。
交换第m列

与第(m+1)列

则交换后的第(m-1)列

与第m列

符合条件1.3，交换后的第m列

与第(m+1)列

也符合条件1.3。基于其他列也符合条件1.3，所以矩阵A0(n+1)第m列和第(m+1)列交换得到的矩阵A0′(n+1)为门选通成像次数(n+1)时符合所有条件的其中一种组合矩阵。最后考虑到测量区域问题，在A0′(n+1)的最后添上第一列

得到 最后的组合矩阵A0″(n+1)。
故当门选通成像次数为(n+1)时，由A0″(n+1)维数得到距离子区间个数 N(n+1)＝2×N(n)+1＝2m+1＝2×2n-1＝2n+1-1 2.4根据条件2.1，2.2和2.3归纳得到 当门选通成像次数为n时，距离子区间数N(n)＝2n-1。
其中n由欲探测的最近距离，最远距离和测距精度决定且n最小次数为3。欲探测的最近距离和最远距离差值不变的情况下，要达到更高的测距精度，需要更多的门选通次数，即n越大；测距精度不变的情况下，要使欲探测的最近距离和最远距离差值更大，也需要更多的门选通次数，即n越大。
三、具体实施例 实施例1 1、当门选通成像次数为3，即n＝3时，距离子区间个数N(3)＝23-1＝7。取n＝3，则二进制编码后所有临界处的光强状态以3维列向量分别表示如下a0(3)＝
T3×1 a1(3)＝
T3×1 a2(3)＝
T3×1 a3(3)＝
T3×1a4(3)＝[100]T3×1 a5(3)＝[101]T3×1 a6(3)＝[110]T3×1 a7(3)＝[111]T3×1 n＝3时所有临界处的光强状态以矩阵表示如下 (i)根据条件1.2，其中第一个临界处的光强状态a0(3)＝
T3×1属于完全无光状态，不能使用，故共有7个不同临界处的光强状态。
(ii)根据条件1.3，排列得到其中一种组合，用矩阵表示 (iii)在矩阵最后添上第一列，这样得到8个临界处的光强状态。首尾两向量之外的区域(图4、5中的H区域)光强状态不定，故不能确定探测目标位置。规定首尾两向量之间的区域(附图4、5中的A-G区域，不包括首尾两向量)为测量区域。8个临界处的光强状态之间有7个距离子区间，最后得到一种符合所有条件的临界处的光强状态组合矩阵 2、当门选通成像次数为3时，利用上述1中的组合矩阵A0′(3)表示的临界处的光强状态，设计出选通门的不同时序状态，得到选通门的时间-时序图，如附图4。利用一个单位时间τ的矩形强度光脉冲，通过上述设计的不同时序状态的接收器选通门进行3次门选通成像获得3幅光强图。
3、根据这些光强图像中同一像素的相对光强关系能够确定像素对应目标的距离子区间，距离子区间数与门选通成像次数呈指数关系。当门选通成像次数为3，即n＝3时，距离子区间个数N(3)＝23-1＝7。
4、基于附图4中的3幅光强-距离图，根据不同门选通成像获得的光强图的同一像素光强的比值关系算出该像素对应目标在距离子区间内的相对位置，通过确定每个像素对应目标的距离子区间和在距离子区间内的相对位置可以确定每个像素对应目标的绝对距离，从而得到一幅三维图像。
设三次测量的光强分别为I1、I2、I3，设最小接近零值的光强为σ，每个距离子区间的距离均为D，则根据公式(5)和(6)对目标的绝对位置做如下计算 1)I1＜σ且I3＞σ 若I3＞I2+σ则在A区域，距离为
若|I3-I2|＜σ则在AB区域，距离为Z＝ZB 若I2＞I3+σ则在B区域，距离为
2)I1＜σ且I3＜σ则在BC区域，距离为Z＝ZC 3)I1＞σ且I3＜σ 若I2＞I1+σ则在C区域，距离为
若|I1-I2|＜σ则在CD区域，距离为Z＝ZD 若I1＞I2+σ则在D区域，距离为
若|I3-I2|＜σ则在DE区域，距离为Z＝ZE 4)I1＞σ且I3＞σ 若I1＞I2+σ且|I3-I2|＜σ则在E区域，距离为
若|I1-I3|＜σ则在EF区域，距离为Z＝ZF 若I1＞I2+σ且I3＞I2+σ则在F区域，距离为
若|I3-I1|＜σ则在FG区域，距离为Z＝ZG 若I3＞I1+σ，则在G区域，距离为
其中Zi(i＝A、B、C、D、E、F、G)为距离子区间i的门选通起始位置。
5、当门选通成像次数为n次时，n大于3且n由欲探测的最近距离，最远距离和测距精度决定。利用具体实施方式
二中的证明过程推导出n次时符合所有条件的组合矩阵A0′(n)，进而设计出门选通的不同时序状态，得到门选通的时间-时序图。再利用一个单位时间τ的矩形强度光脉冲，通过上述设计的不同时序状态的接收器门选通进行n次门选通成像获得n幅光强图。结合具体实施方式
一中的测距原理和3次门选通成像的目标距离求解，计算n次时像素对应目标的绝对距离，得到一幅三维图像。
实施例2 1、当门选通成像次数为3，即n＝3时，距离子区间个数N(3)＝23-1＝7。取n＝3，则二进制编码后所有临界处的光强状态以3维列向量分别表示如下a0(3)＝
T3×1 a1(3)＝
T3×1 a2(3)＝
T3×1 a3(3)＝
T3×1a4(3)＝[100]T3×1 a5(3)＝[101]T3×1 a6(3)＝[110]T3×1 a7(3)＝[111]T3×1 n＝3时所有临界处的光强状态以矩阵表示如下 (i)根据条件1.2，其中第一个临界处的光强状态a0(3)＝
T3×1属于完全无光状态，不能使用，故共有7个不同临界处的光强状态。
(ii)根据条件1.3，排列得到其中一种组合，用矩阵表示 (iii)在矩阵最后添上第一列，这样得到8个临界处的光强状态。首尾两向量之外的区域(图4、5中的H区域)光强状态不定，故不能确定探测目标位置。规定首尾两向量之间的区域(附图4、5中的A-G区域，不包括首尾两向量)为测量区域。8个临界处的光强状态之间有7个距离子区间，最后得到一种符合所有条件的临界处的光强状态组合矩阵 2、当门选通成像次数为3时，利用上述1中的组合矩阵A0′(3)表示的临界处的光强状态，设计出光脉冲的不同时序状态，得到光脉冲的时间-时序图，如附图5。利用上述设计的不同时序状态的光脉冲，通过一个单位时间τ的接收器选通门进行3次门选通成像获得3幅光强图。
3、根据这些光强图像中同一像素的相对光强关系能够确定像素对应目标的距离子区间，距离子区间数与门选通成像次数呈指数关系。当门选通成像次数为3，即n＝3时，距离子区间个数N(3)＝23-1＝7。
4、基于附图5中的3幅光强-距离图，根据不同门选通成像获得的光强图的同一像素光强的比值关系算出该像素对应目标在距离子区间内的相对位置，通过确定每个像素对应目标的距离子区间和在距离子区间内的相对位置可以确定每个像素对应目标的绝对距离，从而得到一幅三维图像。
设三次测量的光强分别为I1、I2、I3，设最小接近零值的光强为σ，每个距离子区间的距离均为D，则根据公式(5)和(6)对目标的绝对位置做如下计算 1)I1＜σ且I3＞σ 若I3＞I2+σ则在A区域，距离为
若|I3-I2|＜σ则在AB区域，距离为Z＝ZB 若I2＞I3+σ则在B区域，距离为
2)I1＜σ且I3＜σ则在BC区域，距离为Z＝ZC 3)I1＞σ且I3＜σ 若I2＞I1+σ则在C区域，距离为
若|I1-I2|＜σ则在CD区域，距离为Z＝ZD 若I1＞I2+σ则在D区域，距离为
若|I3-I2|＜σ则在DE区域，距离为Z＝ZE 4)I1＞σ且I3＞σ 若I1＞I2+σ且|I3-I2|＜σ则在E区域，距离为
若|I1-I2|＜σ则在EF区域，距离为Z＝ZF 若I1＞I2+σ且I3＞I2+σ则在F区域，距离为
若|I3-I1|＜σ则在FG区域，距离为Z＝ZG 若I3＞I1+σ，则在G区域，距离为
其中Zi(i＝A、B、C、D、E、F、G)为距离子区间i的门选通起始位置。
5、当门选通成像次数为n次时，n大于3且n由欲探测的最近距离，最远距离和测距精度决定，利用具体实施方式
二中的证明过程推导出n次时符合所有条件的组合矩阵A0′(n)，进而设计出光脉冲的不同时序状态，得到光脉冲的时间-时序图。再利用上述设计的不同时序状态的光脉冲，通过一个单位时间τ的接收器选通门进行n次门选通成像获得n幅光强图。结合具体实施方式
一中的测距原理和3次门选通成像的目标距离求解，计算n次时像素对应目标的绝对距离，得到一幅三维图像。
权利要求
1.一种距离子区间数指数增长型的三维成像方法，其特征在于利用光脉冲配合接收器选通门进行多次门选通成像获得多幅二维光强图像，每幅光强图像是在不同的门选通或光脉冲的时序下获得的，根据这些光强图像中同一像素的相对光强关系能够确定像素对应目标的距离子区间，距离子区间数随着门选通成像次数增加呈指数增长变化，由不同门选通成像获得的光强图的同一像素光强的比值关系算出该像素对应目标在距离子区间内的相对位置，通过确定每个像素对应目标的距离子区间和在距离子区间内的相对位置可以确定每个像素的绝对距离，从而得到一幅三维图像。
2.根据权利要求1所述的一种距离子区间数指数增长型的三维成像方法，其特征在于所述不同的门选通或光脉冲的时序，是通过二进制编码方式设计门选通的时序，或通过二进制编码方式设计光脉冲的时序。
3.根据权利要求1所述的一种距离子区间数指数增长型的三维成像方法，其特征在于所述门选通或光脉冲，其光脉冲发射时间和门选通时间具有时间差，该时间差由欲探测的最近距离和光速决定。
4.根据权利要求1所述的一种距离子区间数指数增长型的三维成像方法，其特征在于所述多次门选通成像，其选通次数为n，n由欲探测的最近距离，最远距离和测距精度决定，且n最小次数为3。
全文摘要
本发明公开了一种距离子区间数指数增长型的三维成像方法。利用光脉冲配合接收器选通门进行多次门选通成像获得多幅二维光强图像，每幅光强图像是在不同的门选通或光脉冲的时序下获得的，根据这些光强图像中同一像素的相对光强关系能够确定像素对应目标的距离子区间，距离子区间数随着门选通成像次数增加呈指数增长变化，由不同门选通成像获得的光强图的同一像素光强的比值关系算出该像素对应目标在距离子区间内的相对位置，通过确定每个像素对应目标的距离子区间和在距离子区间内的相对位置可以确定每个像素的绝对距离，从而得到一幅三维图像。本发明在测距精度不变的情况下，有效增大景深范围；或在景深范围不变的情况下，有效增大测距精度。
文档编号G01S17/89GK101788673SQ20101010637
公开日2010年7月28日 申请日期2010年2月2日 优先权日2010年2月2日
发明者张秀达, 上官王聘, 严惠民 申请人:浙江大学