CN108051609A - 一种基于单光子雪崩探测器线阵相机的测速装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于单光子雪崩探测器线阵相机的测速装置及方法。使用单光子雪崩探测器为成像器件组成线阵相机用以速度测量，利用物体已知尺寸和其对应在图像中的纵向像素个数、相机单列拍摄积分时间以及相机拍摄角度来计算运动物体的速度。单光子雪崩探测器线阵的单元包括单光子雪崩探测器、淬灭和复位电路、计数器以及寄存器；单光子雪崩探测器的输出端依次连接淬灭和复位电路、计数器，计数器的输出端与寄存器连接；单光子雪崩探测器采用单光子雪崩二极管。本发明的装置和方法具有在光照较强的白天、光弱的黑夜和极端黑暗环境中均可以实现测速、且测速更加精确的显著优点。

Description

一种基于单光子雪崩探测器线阵相机的测速装置及方法

技术领域

本发明涉及一种运动目标的测速装置及方法，尤其是利用成像技术实现测速的方法。

背景技术

目前，针对运动目标主要的测速技术有微波雷达监测技术、激光检测技术、地感线圈测速和视频测速等。

微波雷达监测技术主要是利用多普勒效应(Doppler Effect)原理：当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机率。如此即可借由频率的改变数值，计算出目标与雷达的相对速度，但该技术接受和发射电磁波受外部信号影响较大，测得数据易受干扰。

激光检测技术是利用激光的飞行时间(TOF)计算物体两次距离传感器距离，从而计算出物体运动速度，但激光检测所需成本较高，且无记录物体其他信息功能，相对其他速度检测手段并无优势。地感线圈测速需要将线圈安装在地下，施工时会破坏路面，且易受环境影响发生变形，实际维修养护费用较高。

视频测速是基于成像手段，再利用图像处理的方式实现速度的测量，但视频测速手段受限于光照等外部条件，且视频数据量大，不利于数据实时处理。

现有的线阵相机测速***一般使用普通CCD或CMOS线阵作为成像器件进行速度的测量，但是普通CCD或CMOS采用A/D转换的方式进行数据读出，受模拟数字转换器(ADC)和器件满阱限制，其光强动态范围十分受限，需要改变相机感光度或是改变曝光时间来实现对不同环境光强的成像，当环境光强改变十分快速时，CCD和CMOS可能会由于感光度改变不及时而出现数据丢失的现象。

发明内容

本发明针对现有测速方法的不足，提出一种基于单光子雪崩探测器(SPAD)线阵相机的测速装置及方法。

本发明的装置采用的技术方案如下：

一种基于单光子雪崩探测器线阵相机的测速装置，将线阵相机与待拍摄物体呈一定角度放置，用于扫描拍摄移动中的物体；所述线阵相机包括单光子雪崩探测器线阵，所述单光子雪崩探测器线阵包括多个并行排列的探测器单元；所述探测器单元包括单光子雪崩探测器、淬灭和复位电路、计数器以及寄存器；所述单光子雪崩探测器的输出端依次连接淬灭和复位电路、计数器，所述计数器的输出端与寄存器连接；所述单光子雪崩探测器采用单光子雪崩二极管。

进一步地，所述单光子雪崩探测器线阵为一条，或者为多条组成的多级成像线阵。

进一步地，所述淬灭和复位电路采用被动淬灭形式或者主动淬灭形式。

本发明的方法采用的技术方案如下：

一种基于单光子雪崩探测器线阵相机的测速方法，使用单光子雪崩探测器为成像器件组成线阵相机用以速度测量，利用物体已知尺寸和其对应在图像中的纵向像素个数、相机单列拍摄积分时间以及相机拍摄角度来计算运动物体的速度v，具体公式为：

其中，t为线阵相机拍摄一列图像的积分时间；θ为线阵相机镜头中心线与拍摄水平面的夹角；y为运动物体中的已知尺寸信息，n为已知尺寸信息对应的图像的像素个数。

本发明利用单光子雪崩探测器(SPAD)线阵相机检测移动物体速度，具有以下显著优点：

1)积分时间更加方便可调，有利于提高纵向分辨率，所测速度更加精确。

2)动态范围极大，可以在不改变镜头通光量的情况下实现高动态范围成像，在光照较强的白天和光弱的黑夜均可以实现测速功能。

3)在完全无光的极端黑暗环境中，可以通过照射近红外光补光，在对人眼无害的情况下实现对物体速度的监测。

附图说明

图1为本发明单光子雪崩二极管基本器件结构示意图；

图2为本发明单光子雪崩探测器单元结构示意图；

图3为本发明实施例中单光子探测器被动淬灭的电路结构示意图；

图4为本发明实施例中单光子探测器主动门控淬灭的电路结构示意图；

图5为本发明线阵相机测试运动物体速度方法的原理示意图；

图6为本发明实施例中使用SPAD线阵俯视拍摄运动汽车成像图；

图7为本发明实施例中使用SPAD线阵平视拍摄远处车辆成像图。

具体实施方式

在以下详细说明中，将结合附图以及实施结果对本发明的工作原理、装置及工作方法进行详细的说明。

本实施例将SPAD线阵相机与待拍摄物体呈一定角度放置的方式扫描拍摄移动中物体，通过计算已知物体尺寸及对应成像所占尺寸之间的关系得到物体的移动速度。所用的测速装置为使用单光子雪崩探测器线阵做成的线阵相机，单光子雪崩探测器线阵包括多个探测器单元，探测器单元包括单光子雪崩探测器、淬灭和复位电路、计数器以及寄存器，单光子雪崩探测器的输出端依次连接淬灭和复位电路、计数器，计数器的输出端通过传输门对应连接寄存器，如图2所示。

其中，单光子雪崩探测器结构如图1所示，核心器件为工作电压为高于雪崩点的盖革模式雪崩二极管，淬灭和复位电路可以采用大电阻(如图3)或主动门控电路实现(如图4)，将光子的到来转换为脉冲。计数器和寄存器实现对脉冲的计数和存储，实现以光子计数的方式进行成像。将多个上述结构并行排列，就构成了单光子雪崩探测器成像线阵，再在芯片***加以相应行选电路控制数据读出，就可以实现线阵。以上述芯片为核心成像器件，经过外壳设计、电路板设计、上位机和下位机的控制程序编写完成本实施例的线阵相机。相机的控制***通过ALTERA公司cyclone系列芯片实现；数据传输通过USB协议传输至PC端，并由后端Matlab软件进行图像处理；数字电平供电由USB电源提供；SPAD的器件击穿电压约为10.2V，采用12V的过压电压进行高压供电；镜头为购买Edmund光学5.6mm焦距/f数＝2的光学镜头。相机具有扫描成像或固定拍摄移动物体的功能，本实施例中主要使用该相机固定拍摄移动物体的功能。

本实施例的测速方法如图5所示，包括以下步骤：

1)将线阵相机安置于镜头中心线与拍摄水平面呈θ夹角的位置；

2)设置SPAD线阵相机拍摄一列图像的积分时间为t；

3)设运动目标中有一已知的高度信息y，其对应的图像的像素个数为n；

4)运动目标的运动速度可下式得到

由上式可知，仅需知道已知的高度信息y与其对应图像所占像素个数n、相机拍摄一列积分时间t、镜头中心线与水平面夹角θ，即可计算物体速度。

当然，利用物体已知尺寸测量物体速度的方法并不仅限于上述利用已知物体高度的方式进行的速度测试，还包括已知物体其他三维信息进行测速的方法，例如利用长度信息也可以计算物体速度。

如图6所示为SPAD线阵相机俯视拍摄汽车行进中的图像。SPAD单列所用积分时间为6ms，拍摄高度约4m，拍摄地点与汽车横向距离20m，计算可知镜头拍摄中心线与水平面夹角为θ＝arccot(0.2)＝12.5°。我国标准车牌尺寸为440×140(mm)，同时车牌成像所占像素个数为6个，故可计算出车辆的行进速度为70km/h。

如图7所示为SPAD线阵相机平视拍摄道路交通的图像，利用成像距离、已知物体尺寸如车轮尺寸、以及已知物体如车轮成像所占像素个数也可以计算出车辆的运动速度，这里不再赘述。

Claims (4)

1.一种基于单光子雪崩探测器线阵相机的测速装置，其特征在于，线阵相机与待拍摄物体呈一定角度放置，用于扫描拍摄移动中的物体；所述线阵相机包括单光子雪崩探测器线阵，所述单光子雪崩探测器线阵包括多个并行排列的探测器单元；所述探测器单元包括单光子雪崩探测器、淬灭和复位电路、计数器以及寄存器；所述单光子雪崩探测器的输出端依次连接淬灭和复位电路、计数器，所述计数器的输出端与寄存器连接；所述单光子雪崩探测器采用单光子雪崩二极管。

2.根据权利要求1所述的一种基于单光子雪崩探测器线阵相机的测速装置，其特征在于，所述单光子雪崩探测器线阵为一条，或者为多条组成的多级成像线阵。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于单光子雪崩探测器线阵相机的测速装置，其特征在于，所述淬灭和复位电路采用被动淬灭形式或者主动淬灭形式。

4.一种基于单光子雪崩探测器线阵相机的测速方法，其特征在于，使用单光子雪崩探测器为成像器件组成线阵相机用以速度测量，利用物体已知尺寸和其对应在图像中的纵向像素个数、相机单列拍摄积分时间以及相机拍摄角度来计算运动物体的速度v，具体公式为：

<mrow> <mi>v</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>y</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>cot</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow>

其中，t为线阵相机拍摄一列图像的积分时间；θ为线阵相机镜头中心线与拍摄水平面的夹角；y为运动物体中的已知尺寸信息，n为已知尺寸信息对应的图像的像素个数。