CN101833223B - 一种获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法，该方法基于距离选通成像技术，采用脉冲激光器作为照明光源，采用配有选通门的CCD作为成像器件，并通过时间延时积分的工作方式来实现运动目标运动轨迹的成像。其中，距离选通可获得目标的距离信息，并可将目标从复杂背景中提取出来，降低了后期处理的复杂性；时间延迟积分可直接获得目标的运动轨迹。通过建立感兴趣观察区三维空间与二维像平面间的对应关系，可反演出目标的运动参数，主要包括目标的空间位置、速度和加速度。本发明工作环境适应性好，可直接获取目标3D运动轨迹，实现目标运动参数的非接触测量。

Description

一种获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法

技术领域

本发明涉及光电成像技术领域，尤其涉及一种获取目标运动参数的闪光追迹成像方法。

背景技术

研究复杂背景下动态目标的有效成像及其运动参数的快速获取技术对于目标跟踪、自主导航及安防具有重要意义。传统的获取动态目标运动参数技术主要有高速摄影及双图像传感交汇测量、光电经纬仪、合成孔径雷达和合成孔径激光雷达等。

1)、高速摄影及双图像传感交汇测量

在传统的低空目标位置参数测量***中，目标在某一航线上飞行，需在相应位置设置标定物，然后利用两套高速摄影的胶片测量***，在目标运行的方向与目标的侧向分别获取目标运行的序列图像；最后通过对序列图像的分析得到目标位置信息。由于摄影胶片存在成像质量不高，不易保存，另外，走片设备复杂，处理周期长等缺点，这种定位技术难以达到数据处理的实时性和很高的定位精度，而且不易存档。因此，该技术已很少使用。

利用立体视觉原理的双图像传感器交会测量是现代靶场测量中采用的一种实时非接触测量方法，借助两台高速摄影相机和计算机实现空中动目标的定位和运动参数的获取。但是，该测量技术需设定坐标系，布置标定物，合理设置两相机的位置和姿态，在获取标定图像后，撤离标定物，采集图像，然后，根据标定图像和标定物坐标对相机进行标定，最后，对目标图像进行预处理，根据目标图像和标定结果求解目标的坐标，获取运动参数。因此，该技术比较适合于靶场测量，而对于实战环境则表现出***复杂，需设置标定物等不足，且该技术不适用于夜间使用。

2)、光电经纬仪

光电经纬仪利用光学测量设备对飞行目标进行摄影、测量和采集信息以完成对目标轨迹和特性的记录。经纬仪跟踪目标时，需要采用相应的处理方式获取被跟踪目标在各测量时间节点的空间坐标，根据目标空间坐标与测量时间节点进行相应的数学处理，得到目标速度、加速度与测量时间的函数，并据此推断目标在后续时刻的位置、速度、加速度等运动参数提供给光电经纬仪自身的伺服控制***作为目标继续捕获的参考。光电经纬仪分为单台带激光测距方式和两台(或多台)交汇方式：若距离不可测，必须使用交汇测量。其优点是能够实现轨迹、速度、加速度的多功能测量，定位精度高。其缺点是只能实现地对空的空中目标的测量，伺服***体积较大，便携性较差，夜间不可工作。

3)、合成孔径雷达和合成孔径激光雷达

合成孔径雷达(SAR)工作在微波波段，可全天候远距离工作，并能以超过衍射极限的分辨率提供地面测绘数据和图像。但是，SAR受树干回波等杂波的干扰较大，虚警率高，且其图像不易判读。合成孔径激光雷达(SAL)是一种将普通合成孔径雷达和激光雷达(LiDAR)结合起来实现合成孔径成像的高分辨率雷达。SAL兼具SAR和LiDAR的优点，可以全天候远距离工作，将合成孔径技术应用于光学域，可获得更高的分辨率和更快的成像速度。但是，对于SAL来说，由于激光波长较短，受大气等因素影响相位畸变较为严重，降低了相干探测的效率，聚焦效果差，从而减低了分辨率。另外，SAL数据处理也过于复杂，后期处理繁琐。

以上传统的动态目标运动参数获取技术对于复杂背景下，尤其是近地目标动态参数的获取，均存在难以实现或实现复杂的问题，且图像处理算法复杂，后续处理繁琐。因此，针对复杂背景下动目标的运动参数的获取，提出一种新的方法——闪光追迹成像。该方法可直接获得目标的运动轨迹，通过反演便可获得目标的3D-运动参数。闪光追迹成像技术主要是基于距离选通成像技术并采用时间延时积分方式来实现运动目标的运动轨迹的直接获取和运动参数的获取。对于距离选通成像技术，国内外已经有不少单位开展了此方面的研究。但是，目前所见报道中，该技术主要用于水下成像、三维成像和汽车夜视等，还未见其用于动目标的运动参数的获取。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述现有技术存在的不足之处，本发明的主要目的在于提出一种获取目标运动参数的闪光追迹成像方法，以达到对动目标运动轨迹的成像及运动参数的非接触测量的目的，尤其解决复杂背景下动目标运动参数获取问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法，该方法基于距离选通成像技术，采用脉冲激光器作为照明光源，采用配有选通门的CCD作为成像器件，并通过时间延时积分的工作方式来实现运动目标运动轨迹的成像。

上述方案中，所述时间延时积分是通过激光频闪成像实现的，成像器件一帧包含多个子帧，每个子帧对应一个脉冲对，而每个脉冲对则由一个激光脉冲和一个选通脉冲构成，通过调节脉冲对内选通脉冲和激光脉冲间的延时可实现距离选通成像。

上述方案中，在激光频闪成像过程中，当感兴趣观察区的第一个回波信号到达CCD后，其感生的电荷不直接输出，而是与同一帧其他脉冲对形成的目标回波信号累积，这样在一帧的曝光时间里可接收目标形成的多个回波信号；由于不同脉冲对之间存在延时，且目标是运动的，因此，不同脉冲对形成的目标回波信号所对应的成像器件的感光像元不一致，可理解为每个脉冲对形成一幅运动目标的子图，形成一个目标样本，不同时刻下，不同子图中运动目标占据的像元区不同，即目标样本不重合；因此，当成像器件一帧累积完成后，其输出图像为多幅子图的叠加，这样便可直接在一帧图像中获得由目标样本形成的运动轨迹；然后，通过建立感兴趣观察区三维空间与二维像平面间的对应关系，可反演出目标的三维运动参数，该参数包括目标的空间位置、速度和加速度。

上述方案中，所述建立感兴趣观察区三维空间与二维像平面间的对应关系，是以成像器件的焦点为坐标原点建立笛卡尔坐标系，该坐标系的XY平面与成像平面平行；为避免处理图像中目标位置与其真实三维空间位置相反的问题，采用透视投影模型，将成像平面和感兴趣观察区放在焦点的同侧，建立感兴趣观察区三维空间与二维图像的对应关系如下

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right)=\frac{Z}{f}\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)---\left(1\right)$

公式(1)中，f为成像器件的焦距，X、Y和Z为真实三维空间中X轴、Y轴和Z轴坐标，x和y为目标在二维像平面对应的X轴和Y轴坐标；X向和Y向的距离精度依赖于Z向的距离精度；由于观察景深距***较远，对于(X，Y，Z)位置的目标到***的距离R＝(X²+Y²+Z²)^1/2≈Z，因此，可认为同一Z平面上的各点到***的距离相等为R；Z向距离由选通门与激光的延迟时间决定，具体为

$Z=R=\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}---\left(2\right).$

上述方案中，所述频闪成像，是CCD在一帧的曝光时间里多次曝光，每次选通门开启曝光均与激光照射感兴趣观察区形成的回波信号相匹配；激光脉冲序列和选通脉冲序列之间存在特定的匹配关系，每个激光脉冲对应一个选通脉冲，形成一个脉冲对；在一个脉冲对里，可通过调节激光脉冲和选通脉冲之间延时实现距离选通成像，在空间中形成一感兴趣观察区，实现不同距离目标的观察。

上述方案中，所述距离选通成像技术中，激光器发射一激光脉冲，激光脉冲传至目标，形成向后的回波信号；当回波信号传至成像器件时，选通门开启，CCD收集来自目标的信号，生成目标的图像；在激光传播过程中，选通门一直处于关闭状态，这样可屏蔽来自大气等的环境噪声，仅使感兴趣观察区的信号被接收，通过控制选通门的选通脉冲和激光脉冲之间的延时来实现不同距离目标的成像；观察距离由选通脉冲和激光脉冲间的延时τ确定

其中，c为光速。而感兴趣观察区的景深d主要由激光脉宽t_L和选通门宽t_g确定，其大小为

上述方案中，目标空间位置是指目标在运动过程中某一时刻所处在真实三维空间的位置(X，Y，Z)，通过闪光追迹成像技术可获得目标的运动轨迹，进而获得目标在像平面的形心像素坐标(x_p，n，y_p，n)；成像器件的X和Y向的像元分辨率为i和j，则目标距离为Z_n时，X向和Y向空间分辨率I、J为

$\left(\begin{array}{c}I\\ J\end{array}\right)=\frac{Z_n}{f}\left(\begin{array}{c}i\\ j\end{array}\right)---\left(3\right)$

则相应的X轴和Y轴的真实空间坐标可由公式(4)给出

$\left(\begin{array}{c}{X}_n\\ Y_n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}I& 0\\ 0& J\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}{x}_{p,n}\\ y_{p,n}\end{array}\right)---\left(4\right)$

通过公式(2)和(4)便可获得运动目标的空间坐标(X_n，Y_n，Z_n)。

上述方案中，目标的速度是指目标的瞬时速度，由于采用频闪成像，子帧周期为定值，因此，图像记录下等时间间隔Δt下不同时刻的目标位置；对于直线运动，目标的位移矢量与运动轨道完全重合，而在曲线运动中，当Δt很小时，目标的位移和轨道可近似地看作重合；因此，在通过采集的图像获取目标的运动速度时，可以利用微分思想把曲线运动看作是由多个直线运动组成；因此，在采集了目标的运动轨迹后，便可获得目标的速度参数；则位置(X_n，Y_n，Z_n)目标的瞬时速度为

$\left(\begin{array}{c}{v}_{X,n}\\ v_{Y,n}\\ v_{Z,n}\end{array}\right)=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}\left(\begin{array}{c}{X}_{n+1}-X_n\\ Y_{n+1}-Y_n\\ Z_{n+1}-Z_n\end{array}\right)---\left(5\right)$

公式(5)中，v_X，n、v_Y，n和v_Z，n为投影在X轴、Y轴和Z轴上速度分量，(X_n+1，Y_n+1，Z_n+1)为目标自(X_n，Y_n，Z_n)位置运动Δt时间间隔后目标的位置。

上述方案中，目标的加速度是指目标的瞬时加速度，位置(X_n，Y_n，Z_n)目标的的瞬时加速度为

$\left(\begin{array}{c}{a}_{X,n}\\ a_{Y,n}\\ a_{Z,n}\end{array}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\Δt}}^2}\left(\begin{array}{c}{X}_{n+1}-2X_n+X_{n-1}\\ Y_{n+1}-{2Y}_n+Y_{n-1}\\ Z_{n+1}-{2Z}_n+Z_{n-1}\end{array}\right)---\left(6\right)$

公式(6)中，a_X，n、a_Y，n和a_Z，n为投影在X轴、Y轴和Z轴上加速度分量，(X_n-1，Y_n-1，Z_n-1)为目标自(X_n，Y_n，Z_n)位置时间前移Δt所对应时刻目标所处位置；当选通脉宽和激光器脉宽比较小时，可认为一帧图像中各位置的Z轴坐标相等，Z_a≈Z_b≈Z_c；因此，通过一帧图像主要获得了目标X向和Y向的速度分量；当Z向速度分量较小时，闪光追迹成像技术可通过扫描的方式提高目标Z向距离精度，进而提高测速精度。

上述方案中，目标的运动轨迹是指在一幅图像中不同时刻下采集的多个目标样本形成的可反应目标运动路径的轨迹，在成像器件一帧的曝光时间里，采用激光频闪对不同时刻下运动到不同位置的目标成像，从而形成多个目标样本，进而反应目标的运动路径；在目标样本相互分立的前提下，一幅图像中目标样本数量越多，则越能反应目标真实的运动轨迹，而目标样本的数量主要由子帧帧频α决定；其中，子帧帧频α是指每帧对应的子帧数量，CCD一帧曝光时间里的有效曝光次数便是子帧帧频，其大小为

α＝t_i·RF               (7)

公式(7)中，RF为脉冲激光器的重复频率，t_i为CCD一个工作周期内曝光时间；公式(5)和(6)中的时间间隔Δt即为子帧的周期；当脉冲激光器的工作周期远大于CCD一帧的信号读取和转移时间t_r时，子帧帧频可简化为

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{RF}}{\mathrm{FPS}}---\left(8\right)$

公式(8)中，FPS为成像器件帧频。欲确定目标的运动参数，至少需要3个目标样本，则相应的子帧帧频的最小值应为3；由于在子图中存在空白子图，因此，子帧帧频应大于3，以便增加有效子图的数量，增加图像的信息。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于采用距离选通成像技术，可在空间形成一感兴趣观察区，***仅对感兴趣观察空间内的目标成像，所以，可滤除背景，突显目标，大大简化图像的后续处理。

2、利用本发明，由于采用时间延迟积分，可将目标的运动轨迹在一幅图像中给出，所以，该发明可直接获得目标的运动轨迹。

3、利用本发明，由于时间延迟积分是基于激光频闪成像技术实现的，是一种帧内积分，并不影响成像器件的帧频，而激光频闪的工作方式使得低频的成像器件也可获得高速目标的运动轨迹，所以，该发明可利用低频成像器件获得高速目标的运动轨迹，同时，不影响成像器件的帧频。

4、利用本发明，由于采用了距离选通成像和时间延时积分，所以，该发明可给出目标的距离信息和运动轨迹，通过建立感兴趣观察区三维空间与二维像平面的对应关系，就可获得目标的运动参数。

5、利用本发明，由于获取的目标图像为光的强度图像，且***仅接收来自感兴趣观察区的信号，所以，本发明与合成孔径激光雷达相比，受大气等因素影响小。

附图说明

图1是闪光追迹成像***：(a)选通门关闭不成像，(b)选通门开启成像

图2是闪光追迹成像技术工作原理：(a)工作时序，(b)工作场景示意图，(c)-(f)与脉冲对对应的子图，(g)成像器件输出的图像

图3是闪光追迹成像技术的理论模型：(a)***模型(b)透视投影模型

图4是闪光追迹成像实验结果：(a)实验场景示意图，(b)目标静态图，(c)背景图，(d)高速摄影实验结果，(e)闪光追迹成像实验结果

图中主要元件符号说明：

1脉冲激光器，2选通成像器件(配有选通门的CCD)，3控制器，4图像处理及显示装置(计算机)，5脉冲激光，6目标，7背景，8大气等环境影响因素，9目标回波信号，10激光脉冲，11选通脉冲，12CCD曝光时间，13脉冲对，14闪光追迹成像***，15小球，16感兴趣观察区，17目标样本，18像平面，19羽毛球，20背景靶

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在此公开本发明结构实施例和方法的描述。可以了解的是并不意图将本发明限制在特定公开的实施例中，而是本发明可以通过使用其它特征，元件方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。

闪光追迹成像***主要由脉冲激光器1、选通成像器件2、控制器3、图像处理及显示装置4和伺服云台组成，如图1所示。脉冲激光器脉宽为ns级激光器，为***的照明光源，用于照亮场景；选通成像器件2配有选通门，可由外部电触发信号控制门的开关；控制器3主要是实现激光器和选通门的同步控制，以及时间延迟积分的时序控制；图像处理及显示装置4用于采集图像，并对图像进行处理，同时，作为命令输入端向控制器3发送指令，该装置可基于计算机实现；伺服云台主要是调节***的方位角度，用于锁定目标6。

工作中，激光器发射一脉冲激光5，脉冲激光5传至目标6，形成向后的目标回波信号9。当目标回波信号9传至选通成像器件2时，选通门开启，CCD收集来自目标6的信号，生成目标图像。在激光传播过程中，选通门一直处于关闭状态，这样可以屏蔽来自大气等的环境噪声，仅使感兴趣观察区16的信号被接收，通过控制选通门的选通脉冲11和激光脉冲10之间的延时来实现不同距离目标的成像。观察距离由选通脉冲11和激光脉冲10间的延时τ确定其中，c为光速。而感兴趣观察区16的景深d主要由激光脉宽t_L和选通门宽t_g确定，其大小为

对于运动目标而言，为了获取其运动轨迹，闪光追迹成像采用了时间延时积分。该延时积分主要是通过频闪成像实现的，即在一帧的曝光时间里多次曝光，每次选通门开启曝光均与激光照射感兴趣观察区16形成的目标回波信号9相匹配。

***的工作时序如图2(a)所示，激光脉冲序列和选通脉冲序列之间存在特定的匹配关系，每个激光脉冲10对应一个选通脉冲11，形成一个脉冲对13。在一个脉冲对13里，可通过调节激光脉冲10和选通脉冲11之间延时实现距离选通成像，在空间中形成一感兴趣观察区16，实现不同距离目标的观察，如图2(b)所示。

很显然，在闪光追迹成像技术中成像器件一帧的曝光时间12里可包含多个脉冲对13。该特点使得工作中当感兴趣观察区16的第一个回波信号到达CCD后产生电荷不直接输出，而是与同一帧其他脉冲对13形成的目标回波信号9累积，这样在一帧的曝光时间12里可接收目标形成的多个回波信号。由于不同脉冲对之间存在延时，且目标是运动的，因此，不同脉冲对形成的目标回波信号所对应的成像器件的感光像元不一致，可理解为每个脉冲对形成一幅运动目标的子图，不同时刻下，不同子图中运动目标占据的像元区不同。自然，当成像器件一帧累积完成后，其输出图像为多幅子图的叠加。

以自由落体的小球为例，如图2(a)所示，在成像器件一帧的曝光时间12里包含4个脉冲对13。当小球15自由落体时，不同的脉冲对13对应不同的子图，如图2(c)-(f)，在时间延迟积分模式下，该4幅子图叠加形成图2(g)，作为一帧图像输出，直接给出了小球15的运动轨迹图像。需说明的是，闪光追迹成像技术中的时间延时积分是帧内积分，因此，对CCD的帧频无影响。

闪光追迹成像可直接获取目标的运动轨迹。为获取目标的运动参数，需建立感兴趣观察区16三维空间与二维像平面18的对应关系。如图3(a)所示，f为成像器件的焦距，C为焦点，以C点为原点建立了笛卡尔坐标系，该坐标系的XY平面与像平面18平行。因为像平面18位于焦点之后，所以，图像中目标的位置与真实的三维空间位置相反。为了便于分析，我们将成像平面18和感兴趣观察区16放在了焦点的同侧，如图3(b)所示，这样可以避免处理图像平面18中被反转的位置，易建立感兴趣观察区16三维空间与二维像平面18的对应关系。其关系为

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right)=\frac{Z}{f}\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)---\left(1\right)$

公式(4)中X，Y和Z为真实三维空间中X轴，Y轴和Z轴坐标，x和y为目标在二维像平面18对应的X轴和Y轴坐标。公式(4)表明，X向和Y向的距离精度依赖于Z向的距离精度。由于观察景深距***较远，对于(X，Y，Z)处目标到***的距离R＝(X²+Y²+Z²)^1/2≈Z，因此，我们可认为同一Z平面上的各点到***的距离相等为R。Z向距离由选通门与激光的延迟时间决定，具体为

$Z=R=\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}---\left(2\right)$

***中成像器件其X和Y向的像元分辨率为i、j，如图3(c)所示。则目标距离为Z时，X向和Y向空间分辨率I，J为

$\left(\begin{array}{c}I\\ J\end{array}\right)=\frac{Z}{f}\left(\begin{array}{c}i\\ j\end{array}\right)---\left(3\right)$

通过闪光追迹成像技术可获得如图3(c)目标的运动轨迹：小球15从a位置运动到b，然后运动到c位置。从图3(c)中可得到在a、b、c三个位置的目标小球形心的像素坐标(x_p，a，y_p，a)、(x_p，b，y_p，b)和(x_p，c，y_p，c)，则相应的真实空间坐标可由公式(4)给出

$\left(\begin{array}{c}{X}_n\\ Y_n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}I& 0\\ 0& J\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}{x}_{p,n}\\ y_{p,n}\end{array}\right)$ (n＝a，b，c，…)       (4)

从上面的分析可发现，通过公式(2)和(4)便可获得运动目标的空间坐标(X，Y，Z)。

如我们所知，速度为一矢量，在直角坐标系中目标的速度可表示为

$\stackrel{\→}{v}=v_X\stackrel{\→}{i}+v_Y\stackrel{\→}{j}+v_Z\stackrel{\→}{k}=\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{dt}}\stackrel{\→}{i}+\frac{\mathrm{dY}}{\mathrm{dt}}\stackrel{\→}{j}+\frac{\mathrm{dZ}}{\mathrm{dt}}\stackrel{\→}{k}---\left(5\right)$

公式中，为目标的速度，是一矢量，v_X、v_Y和v_Z为投影在X轴、Y轴和Z轴上速度分量，是标量。和分别为X轴、Y轴和Z轴的单位矢量。

由于子帧周期为定值，因此，图像记录下了等时间间隔Δt下不同时刻的小球15位置。对于直线运动中目标的位移矢量与运动轨道完全重合，而在曲线运动中，当Δt很小时，目标的位移和轨道可近似地看作重合。因此，在通过采集的图像研究目标的运动速度时，可以利用微分技术把曲线运动看作是由多个直线运动组成。因此，在采集了目标的运动轨迹后，便可获得目标的速度参数。以小球运动到a点为例，其瞬时速度为

$\left(\begin{array}{c}{v}_{X,a}\\ v_{Y,a}\\ v_{Z,a}\end{array}\right)=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}\left(\begin{array}{c}{X}_b-X_a\\ Y_b-Y_a\\ Z_b-Z_a\end{array}\right)---\left(6\right)$

相应的，我们可获得小球在b点的位置小球的瞬时加速度为

$\left(\begin{array}{c}{a}_{X,b}\\ a_{Y,b}\\ a_{Z,b}\end{array}\right)=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}\left(\begin{array}{c}{v}_{X,b}-v_{X,a}\\ v_{Y,b}-v_{Y,a}\\ v_{Z,b}-v_{Z,a}\end{array}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\Δt}}^2}\left(\begin{array}{c}{X}_c-2X_b+X_a\\ Y_c-{2Y}_b+Y_a\\ Z_c-{2Z}_b+Z_a\end{array}\right)---\left(7\right)$

当选通脉宽和激光器脉宽比较小时，可认为一帧图像中各位置的Z轴坐标相等，Z_a≈Z_b≈Z_c。因此，通过一帧图像主要获得了目标X向和Y向的速度分量。当Z向速度分量较小时，闪光追迹成像技术可通过扫描的方式，提高目标Z向距离精度，进而提高测速精度。

在闪光追迹成像***中，CCD输出的图像是多幅子图的叠加，具体为：一帧对应一幅图像，一帧中包含多个子帧，每个子帧对应一幅子图。很显然，一个子帧对应一个脉冲对。当子图含有目标时，我们称子图中的目标为目标样本17。定义子帧帧频α为每帧对应的子帧数量，即CCD一帧曝光时间12里的有效曝光次数。在有效曝光里面，选通门开启，目标的信号被采集，并在CCD上积分。很显然，子帧帧频决定了运动轨迹图像中目标样本的数量。很容易发现，上面提到的时间间隔Δt即为***子帧的周期。对于给定的成像器件，目标样本越多，则时间间隔Δt越小，目标的瞬时速度越准确。子帧帧频大小为

α＝t_i·RF         (8)

公式(8)中，RF为脉冲激光器的重复频率，t_i为CCD(CCD为***的成像器件)一个工作周期内曝光时间，如图2(a)所示。

当脉冲激光器的工作周期远大于CCD一帧的信号读取和转移时间t_r时，子帧帧频可简化为

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{RF}}{\mathrm{FPS}}---\left(9\right)$

公式(9)中，FPS为成像器件帧频。

从上面的理论分析中可以发现，欲确定目标的运动参数，至少需要3个目标样本，则相应的子帧帧频的最小值应为3。需说明的是，并不是每幅子图都可采集到目标，在子帧图像中存在空白子帧，因此，子帧帧频应大于3，以便增加有效子帧的数量，增加图像的信息。在实际应用中，同一类型的动目标其速度往往具有一定的特征，即其速度在一定的区间内，因此，针对特定应用目标，由公式(4)和(6)可判断***中激光器的重复频率和成像器件的帧频参数的设定的合理性。

本实施例的具体步骤如下：

(1)计算机4作为显示器和参数设置平台，按照预测目标6的运动特征设置***参数。参数主要包括：激光器的脉宽、重复频率、选通门的工作频率、CCD的帧频、脉冲对13中选通脉冲11与激光脉冲10之间的延时，伺服云台参数等。参数设定后指令传给脉冲激光器1、CCD2、控制器3和伺服云台。

(2)控制器3按照计算机4指令产生***的工作时序，并将时序控制信号分发给脉冲激光器1及选通成像器件2。

(3)脉冲激光器1按照控制器3发出的指令调整工作参数，产生与时序驱动器给出的激光脉冲驱动序列对应的激光脉冲10序列，对感兴趣观察区16进行照明。同时，选通门按照控制器3发出的指令调整工作频率和选通门宽，并按照时序驱动器给出的选通脉冲驱动序列和预设的延时开启关闭，仅让感兴趣观察区16的信号进入到CCD2中。

(4)当目标6进入感兴趣观察区16后，在脉冲激光的照明下产生相应的回波信号，该回波信号经过开启的选通门被CCD2接收。在完成一帧的延时积累后，CCD2输出图像至计算机4。CCD为视频输出，采集的图像均被传至计算机。

(5)计算机4接收来自CCD2的图像，并对其进行处理分析，获取目标6的运动特征，并对其进行分析。按照分析结果自动对***的初始设置的工作参数进行调整，重复(2)-(5)，这样，便可通过初始参数的调整提高目标运动参数测量精度，当满足测量要求后，即完成参数测量。

对于闪光追迹成像技术，本发明搭建了***原理样机，进行了初步实验。实验结果如图4所示。在图4的实验中，观察目标为羽毛球19，其静态图像为图4(b)。图4(c)为背景靶20所成图像。实验场景如图4(a)所示，羽毛球在闪光追迹成像***14和背景靶20间做落体运动。图4(d)为采用高速摄影获得图像，从实验结果可以发现，目标淹没在背景中，很难发现。图4(e)为采用闪光追迹成像获得羽毛球下落的轨迹图像。在图4(e)中，由于闪光追迹成像中采用了距离选通成像，因此，***仅对感兴趣观察区16的目标进行了成像，目标后的背景靶20被滤除，可以清楚获得羽毛球19的下落轨迹，为进一步获取目标的运动参数提供了原始数据。此实验仅为初步实验结果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法，其特征在于，该方法基于距离选通成像技术，采用脉冲激光器作为照明光源，采用配有选通门的CCD作为成像器件，并通过时间延时积分的工作方式来实现运动目标运动轨迹的成像。

2.根据权利要求1所述的获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法，其特征在于，所述时间延时积分是通过激光频闪成像实现的，成像器件一帧包含多个子帧，每个子帧对应一个脉冲对，而每个脉冲对则由一个激光脉冲和一个选通脉冲构成，通过调节脉冲对内选通脉冲和激光脉冲间的延时可实现距离选通成像。

3.根据权利要求2所述的获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法，其特征在于，在激光频闪成像过程中，当感兴趣观察区的第一个回波信号到达CCD后，其感生的电荷不直接输出，而是与同一帧其他脉冲对形成的目标回波信号累积，这样在一帧的曝光时间里可接收目标形成的多个回波信号；由于不同脉冲对之间存在延时，且目标是运动的，因此，不同脉冲对形成的目标回波信号所对应的成像器件的感光像元不一致，可理解为每个脉冲对形成一幅运动目标的子图，形成一个目标样本，不同时刻下，不同子图中运动目标占据的像元区不同，即目标样本不重合；因此，当成像器件一帧累积完成后，其输出图像为多幅子图的叠加，这样便可直接在一帧图像中获得由目标样本形成的运动轨迹；然后，通过建立感兴趣观察区三维空间与二维像平面间的对应关系，可反演出目标的三维运动参数，该参数包括目标的空间位置、速度和加速度。

4.根据权利要求3所述的获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法，其特征在于，所述建立感兴趣观察区三维空间与二维像平面间的对应关系，是以成像器件的焦点为坐标原点建立笛卡尔坐标系，该坐标系的XY平面与成像平面平行；为避免处理图像中目标位置与其真实三维空间位置相反的问题，采用透视投影模型，将成像平面和感兴趣观察区放在焦点的同侧，建立感兴趣观察区三维空间与二维图像的对应关系如下

$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right)=\frac{Z}{f}\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)---\left(1\right)$

公式(1)中，f为成像器件的焦距，X、Y和Z为真实三维空间中X轴、Y轴和Z轴坐标，x和y为目标在二维像平面对应的X轴和Y轴坐标；X向和Y向的距离精度依赖于Z向的距离精度；由于观察景深距***较远，对于(X，Y，Z)位置的目标到***的距离R＝(X²+Y²+Z²)^1/2≈Z，因此，可认为同一Z平面上的各点到***的距离相等为R；Z向距离由选通门与激光的延迟时间决定，具体为

$Z=R=\frac{c\·\mathrm{\τ}}{2}---\left(2\right)$

公式(2)中，c为光速，τ为观察距离由选通脉冲和激光脉冲间的延时。

5.根据权利要求2所述的获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法，其特征在于，所述频闪成像，是CCD在一帧的曝光时间里多次曝光，每次选通门开启曝光均与激光照射感兴趣观察区形成的回波信号相匹配；激光脉冲序列和选通脉冲序列之间存在特定的匹配关系，每个激光脉冲对应一个选通脉冲，形成一个脉冲对；在一个脉冲对里，可通过调节激光脉冲和选通脉冲之间延时实现距离选通成像，在空间中形成一感兴趣观察区，实现不同距离目标的观察。

6.根据权利要求1所述的获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法，其特征在于，所述距离选通成像技术中，激光器发射一激光脉冲，激光脉冲传至目标，形成向后的回波信号；当回波信号传至成像器件时，选通门开启，CCD收集来自目标的信号，生成目标的图像；在激光传播过程中，选通门一直处于关闭状态，这样可屏蔽来自大气等的环境噪声，仅使感兴趣观察区的信号被接收，通过控制选通门的选通脉冲和激光脉冲之间的延时来实现不同距离目标的成像；观察距离由选通脉冲和激光脉冲间的延时τ确定

其中，c为光速；而感兴趣观察区的景深d主要由激光脉宽t_L和选通门宽t_g确定，其大小为

7.根据权利要求3所述的获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法，其特征在于，目标空间位置是指目标在运动过程中某一时刻所处在真实三维空间的位置(X，Y，Z)，通过闪光追迹成像技术可获得目标的运动轨迹，进而获得目标在像平面的形心像素坐标(x_p，n，y_p，n)；成像器件的X和Y向的像元分辨率为i和j，则目标距离为Z_n时，X向和Y向空间分辨率I、J为

$\left(\begin{array}{c}I\\ J\end{array}\right)=\frac{Z_n}{f}\left(\begin{array}{c}i\\ j\end{array}\right)---\left(3\right)$

则相应的X轴和Y轴的真实空间坐标可由公式(4)给出

$\left(\begin{array}{c}{X}_n\\ Y_n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}I& 0\\ 0& J\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}{x}_{p,n}\\ y_{p,n}\end{array}\right)---\left(4\right)$

通过公式

和

便可获得运动目标的空间坐标(X_n，Y_n，Z_n)。

8.根据权利要求3所述的获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法，其特征在于，目标的速度是指目标的瞬时速度，由于采用频闪成像，子帧周期为定值，因此，图像记录下等时间间隔Δt下不同时刻的目标位置；对于直线运动，目标的位移矢量与运动轨道完全重合，而在曲线运动中，当Δt很小时，目标的位移和轨道可近似地看作重合；因此，在通过采集的图像获取目标的运动速度时，可以利用微分思想把曲线运动看作是由多个直线运动组成；因此，在采集了目标的运动轨迹后，便可获得目标的速度参数；则位置(X_n，Y_n，Z_n)目标的瞬时速度为

$\left(\begin{array}{c}{v}_{X,n}\\ v_{Y,n}\\ v_{Z,n}\end{array}\right)=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}\left(\begin{array}{c}{X}_{n+1}-X_n\\ Y_{n+1}-Y_n\\ Z_{n+1}-Z_n\end{array}\right)---\left(5\right)$

公式(5)中，v_X，n、v_Y，n和v_Z，n为投影在X轴、Y轴和Z轴上速度分量，(X_n+1，Y_n+1，Z_n+1)为目标自(X_n，Y_n，Z_n)位置运动Δt时间间隔后目标的位置。

9.根据权利要求3所述的获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法，其特征在于，目标的加速度是指目标的瞬时加速度，位置(X_n，Y_n，Z_n)目标的的瞬时加速度为

$\left(\begin{array}{c}{a}_{X,n}\\ a_{Y,n}\\ a_{Z,n}\end{array}\right)=\frac{1}{\mathrm{\Δ}{t}^2}\left(\begin{array}{c}{X}_{n+1}-2X_n+X_{n-1}\\ Y_{n+1}-{2Y}_n+Y_{n-1}\\ Z_{n+1}-2Z_n+Z_{n-1}\end{array}\right)---\left(6\right)$

公式(6)中，a_X，n、a_Y，n和a_Z，n为投影在X轴、Y轴和Z轴上加速度分量，(X_n-1，Y_n-1，Z_n-1)为目标自(X_n，Y_n，Z_n)位置时间前移Δt所对应时刻目标所处位置；当选通脉宽和激光器脉宽比较小时，可认为一帧图像中各位置的Z轴坐标相等，Z_a≈Z_b≈Z_c；因此，通过一帧图像主要获得了目标X向和Y向的速度分量；当Z向速度分量较小时，闪光追迹成像技术可通过扫描的方式提高目标Z向距离精度，进而提高测速精度。

10.根据权利要求1所述的获取动目标运动参数的闪光追迹成像方法，其特征在于，目标的运动轨迹是指在一幅图像中不同时刻下采集的多个目标样本形成的可反应目标运动路径的轨迹，在成像器件一帧的曝光时间里，采用激光频闪对不同时刻下运动到不同位置的目标成像，从而形成多个目标样本，进而反应目标的运动路径；在目标样本相互分立的前提下，一幅图像中目标样本数量越多，则越能反应目标真实的运动轨迹，而目标样本的数量主要由子帧帧频α决定；其中，子帧帧频α是指每帧对应的子帧数量，CCD一帧曝光时间里的有效曝光次数便是子帧帧频，其大小为

α＝t_i·RF                                       (7)

公式(7)中，RF为脉冲激光器的重复频率，t_i为CCD一个工作周期内曝光时间；公式

和

中的时间间隔Δt即为子帧的周期；当脉冲激光器的工作周期远大于CCD一帧的信号读取和转移时间t_r时，子帧帧频可简化为

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{RF}}{\mathrm{FPS}}---\left(8\right)$

公式(8)中，FPS为成像器件帧频；欲确定目标的运动参数，至少需要3个目标样本，则相应的子帧帧频的最小值应为3；由于在子图中存在空白子图，因此，子帧帧频应大于3，以便增加有效子图的数量，增加图像的信息。

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