CN107121682A - 一种基于相位式激光测距的三维关联成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于相位式激光测距的三维关联成像方法，该方法包含以下步骤：激光光源发出正弦振幅调制的激光；激光照射在被二进制矩阵驱动的数字微镜阵列上，进行空间光调制；受振幅调制和空间分布调制的激光照射到物体上，并在物体表面发生漫反射；使用光电探测器对反射光进行接收得到与光源同频的正弦信号；使用正交解调对接收信号进行解调，得到一系列与数字微镜阵列调制矩阵相关的幅值与相位；并通过变量换元，将重建问题转化为线性方程组的求解问题；最后求解线性方程组并变换得到物体表面的漫反射矩阵与深度矩阵。本发明通过结合相位式激光测距和计算关联成像两种技术，可以同时获取目标物体的表面反射与深度信息，并提高成像质量。

Description

一种基于相位式激光测距的三维关联成像方法

【技术领域】

本发明涉及三维关联成像领域。

【背景技术】

激光测距是利用激光作为光源，用于实现距离测量。激光具有单色性好、方向性强、能量大等特点，可以用于高精度的光学测距场景。激光测距主要有脉冲式与相位式两种方法。脉冲式激光测距使用脉冲激光作为光源打向目标物体并在目标表面发生反射，并接受反射光脉冲；发射脉冲与接收脉冲的时间差即光子在光路上的飞行时间，依照飞行时间即可测量出物体距离；脉冲法激光测距往往精度较低。连续波相位式激光测距使用无线波段的频率对激光束进行幅度调制，并测定调制光往返测量线一次产生的相位延迟；再根据调制光调制信号的波长，解调出该相位延迟所代表的距离。连续波相位式激光测距一般精度较高。

关联成像技术(Shapiro,Jeffrey H.,and R.W.Boyd."The physics of ghostimaging."Quantum Information Processing 11.4(2012):949-993.)是基于光场的相关性，在非定域对物体信息进行重建的技术。传统关联成像将热光源或者赝热光分束，分别通过信号路和参考路。在信号路中，其中一束光照亮物体，并使用一个不具备空间分辨能力的桶探测器捕捉物体信息；在参考路中，另一束光通过一个具有空间分辨能力的探测器获取光场涨落信息。最后将信号路得到的光强分布和参考路中的光场涨落信息进行关联运算重建目标物体的像。这种成像方法具有抗干扰能力强，穿透散射介质成像等优点，缺点是光路和成像***复杂，对探测器性能要求高。

在关联成像中，参考光路及其阵列探测的构建对最终成像质量影响极大。计算关联成像 (Shapiro,Jeffrey H."Computational Ghost Imaging."Physical Review 78.6(2009):1-2.)提出了一种基于单路的关联成像方案，消除了参考光路阵列探测带来的影响。计算关联成像对光源进行已知的随机位相调制，并每隔固定时间更新调制形式；根据空间位相调制信息可以计算出参考光路瞬时的衍射光场信息，从而舍去参考光路的构建；利用计算而来的衍射光场信息与信号光路的探测输出进行关联从而恢复出目标。

三维成像技术目的在于获取目标物体的三维信息，在许多领域都具有重要的作用。随着关联成像的发展，三维关联成像技术的研究也逐渐受到重视，出现了基于热光场性质的三维关联成像、基于激光测距原理的三维关联成像、基于图像融合的三维关联成像(Sun,B.,et al. "3D computational imaging with single-pixel detectors."Science340.6134(2013):844-7.)等方法。

传统近场关联三维成像技术是利用热光关联成像的纵向相干(Liu,H.,andS.Han."Spatial longitudinal coherence length of a thermal source and itsinfluence on lensless ghost imaging."Optics Letters 33.8(2008):824-6.)，移动参考路的阵列探测器探测不同距离的热光光场，利用桶探测器探测值重建获取目标物体不同切平面的体表分布切片图像，从而实现热光相关断层成像(Liu, X.F.,et al."Thermallight optical coherence tomography for transmissive objects."Journal of theOptical Society of America A Optics Image Science&Vision 29.9(2012):1922.)。由于需要不断的调整参考路的阵列探测平面位置进行扫描式的探测并且重复测量过程，探测时间长，需要较高探测器采样速率的支持。在传统近场三维关联成像中，由于热光鬼成像中存在纵向相干性问题，热光场的纵向分辨率随着距离的增大而呈指数型增大，分辨率越大对应的分辨能力越差，因此利用热光场特性的三维关联光学成像适用于近场条件，而不适用于远场成像***。

由于利用热光场特性的三维关联成像不适合远场条件，因此远场三维关联成像一般结合激光测距实现三维信息的获取。比如利用脉冲激光光源作为关联成像光源进行距离探测的方法(Li,Enrong,et al."Structured image reconstruction for three-dimensional ghost imaging lidar." Optics Express 23.11(2015):14541.)。该方法使用脉冲型激光作为关联成像光源，脉冲光经过旋转毛玻璃调制后调制为散斑光场；经过光阑限制散斑场和分束，其中一束经过透镜调制为平行光照射于物体表面并被桶收集器接收，另一束经过透镜投影于CCD进行探测，关键在于使得同一光源平面同时投影在参考光路的CCD与信号路的物体平面；脉冲光的波前通过三维目标表面发生形变，不同深度位置的光子飞行距离和飞行时间不同；单脉冲的发射将对应得到不同的脉冲的接收信号，不同脉冲反应了不同距离的目标反射率分布信息；不同的脉冲分别与参考路探测信号进行关联运算得到不同切面的成像，并合成实现三维关联成像。该方法由于光子长距离飞行并且在三维物体表面发生漫反射，信号光将非常衰弱，需要极高光电探测效率的大面积探测器配合望远镜***才能捕捉信号；脉冲法激光测距精度往往较低，三维关联成像质量受限于该测距方法，精度较低。

如今三维关联成像技术仍然处于发展阶段，存在精度不高、信噪比较低、探测信号微弱、计算负担重等问题；本发明希望通过结合相位式激光测距和计算关联成像，提出一种精度高、信噪比高、能够探测微弱成像信号的三维关联成像方法。

【发明内容】

本发明的主要意图在于结合相位式激光测距和计算关联成像两种技术，可以同时获取目标物体的反射率与深度信息，实现三维关联成像。

激光光源发出正弦振幅调制的平行激光；平行激光照射在数字微镜阵列上；数字微镜阵列是一种基于MEMS技术的微镜阵列，微镜可以受电控制发生±12度的翻转，从而实现阵列型数字光开关；由二进制矩阵控制数字微镜阵列，并通过数字微镜阵列实现空间光调制，产生具有空间分布调制特性的平行光束；所需的平行光通过扩束镜扩束，此时调制光束同时存在振幅的调制和空间分布上的调制。

受空间分布调制和振幅调制的激光照射到物体表面，并在物体表面发生漫反射，反射光线中的相位信息包含了物体的深度信息，幅度信息包含了物体表面的漫反射率信息；在接收光路上存在一个光电探测器对物体的反射光进行收集探测，相当于对该方向上的反射光进行了积分；从离散的角度出发，光电探测器收集到的是在探测方向上的反射光总和，相当于一系列同频不同相不同幅的正弦调幅光的和；同时在数字微镜阵列保持不变的情况下，探测器最终接收的信号是一个与光源的调制频率同频的正弦信号。

该信号通过正交解调检测出相位差与幅值，此相位差和幅值包含了物体表面的漫反射率和深度的信息；数字微镜阵列多次调制，得到一系列上述的相位差与幅值；已知预设的数字微镜调制矩阵序列，并通过换元，可以将重建问题转化为两个线性方程组的求解问题，从而实现目标物体表面深度和漫反射信息的重建，即实现了三维关联成像。

【附图说明】

图1是本发明的仿真光路示意图。

后续图像是仿真内容：

图2是待测物体的漫反射矩阵和深度矩阵，分辨率为32×32；

图3是无噪声情况下的重建图像；

图4是加入相对于平均灰度8％的高斯噪声的重建图像，数字微镜阵列调制次数为2400 点；

图5和图6是重建图像PMSE与数字微镜阵列调制次数的关系图。

【具体实施方法】

步骤1：激光发射器发出调制频率为f，正弦部分幅度为I，偏置幅度为I₀的正弦调幅激光，其在传输距离为d处可表达为I₀+Icos(2πft-2πfd/c)，由于最终信号将参与相干解调，偏置幅度不影响解调结果，即其在传输距离为d处可表达为Icos(2πft-2πfd/c)。

步骤2：使用m×l大小的二进制矩阵B₁驱动数字微镜阵列，B₁(x,y)表达矩阵B₁在x行y列的值；同时正弦调幅激光照射在数字微镜阵列上发生空间分布调制，产生空间调制光，于传输距离d处可以表达为：x∈{1,2,…,m},y∈{1,2,…,l}；示例中取m＝32,l＝32。

步骤3：存在待测物体的表面，其受检测区域在空间分布上有深度特征，即物体表面距离探测***的信息，可以用矩阵D表示，D(x,y)表达矩阵D在x行y列的值；和在探测器方向上有空间分布的漫反射特征，即物体表面在探测器所在方向上的成像信息，可以用矩阵R表示， R(x,y)表达矩阵R在x行y列的值；且两个矩阵大小均为m×l；x∈{1,2,…,m},y∈{1,2,…,l}。

调制激光通过扩束照射在待探测物体的表面并发生漫反射；在不考虑光强值I的情况下，若使用不具备空间分辨率的光电探测器，所以其接收信号相当于对接收平面上的信号进行空间上的积分，进而相当于对离散的矩阵元素求和，可表达为式(1)：

将矩阵按行排列为一维数组，使用n代替(x,y)对矩阵进行遍历，可以得到式(2)：

其中：N＝m×l；A₁(n)＝R(n)·B₁(n)；

对于数字微镜阵列保持不变即二进制矩阵B₁保持不变的过程，探测信号维持一定正弦波形稳定，待解调信号可以表达为式(3)：

步骤4：使用进行换元，得到式(4)：

对该信号应用正交解调，可以得到正弦信号的相位φ₁与幅值L₁，则解调结果为式(5)：

步骤5：再通过使用M-1个二进制矩阵B₂,B₃,…,B_r,…,B_M，重复步骤2到步骤4，共可获得M个解调所得的幅值L₁,L₂,…,L_r,…,L_M和相位φ₁,φ₂,…,φ_r,…,φ_M；实例中M＝2400。暂不考虑多值问题，且约定φ_r在[0,π/2]之间，所以上述X_r、Y_r和L_r、φ_r的映射是双射，得到式(6)：

重建问题被转化为两个线性方程组(7)和(8)的求解问题：

分别解上述两个线性方程组，得最小二乘解[q₁,q₂,…,q_n,…,q_N]和[p₁,p₂,…,p_n,…,p_N]，并重新按行排列恢复成矩阵形式，得到矩阵Q和矩阵P，Q(x,y)表达矩阵Q在x行y列的值， P(x,y)表达矩阵P在x行y列的值，其与深度矩阵和漫反射矩阵有关系如式(9)：

将Q(x,y)和P(x,y)带入式(10)，就可以解出物体的深度矩阵和漫反射矩阵：

以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。

Claims (1)

1.一种基于相位式激光测距的三维关联成像方法，其主要特征在于：使用正弦调幅激光作为关联成像的光源；并使用数字微镜阵列进行调幅激光的空间分布调制；调制光经过待测物体表面的漫反射最终被光电探测器所接收；接收的信号最后通过正交解调、换元将重建问题转化为两个线性方程组的求解问题；求两个线性方程组的解并变换完成待测物体表面漫反射矩阵和深度矩阵的重建。其包括如下步骤：

步骤1：激光发射器发出调制频率为f的正弦调幅激光。

步骤2：使用m×l大小的二进制矩阵B₁驱动数字微镜阵列，正弦调幅激光照射在数字微镜阵列上发生空间调制，产生空间调制光并扩束。

步骤3：存在待测物体，其表面在空间分布上有深度特征，用深度矩阵D描述；以及漫反射特征，用漫反射矩阵R描述，矩阵大小均为m×l。激光照射在待探测物体的表面发生漫反射，并使用光电探测器接收；光电探测器所测信号在二进制矩阵B₁保持不变的时段中维持一定正弦波形稳定；使用正交解调对该信号进行解调得到该正弦波形的幅值L₁和相位φ₁。

步骤4：再使用一系列二进制矩阵B₂,B₃,…,B_r,…,B_M对数字微镜阵列进行驱动，重复步骤2与步骤3，可以获得共M点的上述幅值L₁,L₂,…,L_r,…,L_M和相位φ₁,φ₂,…,φ_r,…,φ_M。通过变换公式(1)：

将重建问题转化为两个线性方程组(2)和(3)的求解问题：

B_r(n)为矩阵B_r按行排列为一维数组后，索引值为n处的值，N＝m×l。

步骤5：分别解出上述方程组的最小二乘解[q₁,q₂,…,q_n,…,q_N]和[p₁,p₂,…,p_n,…,p_N]，并分别重新按行排列成大小为m×l的矩阵Q与P，最终使用式(4)通过Q与P重建出物体表面的漫反射矩阵R与深度矩阵D，Q(x,y)表达矩阵Q在x行y列的值，P(x,y)表达矩阵P在x行y列的值，R(x,y)表达矩阵R在x行y列的值，D(x,y)表达矩阵D在x行y列的值，从而实现同时获得深度信息和漫反射信息的三维关联成像。