[发明专利]基于时间关联的三维成像装置和成像方法

说明书

一种基于时间关联的三维成像装置和成像方法，该三维成像装置由激光器、光强调制器、激光扩束镜、接收望远镜、面阵探测器和工控机组成，基于该三维成像装置的时间关联三维成像方法的实现途径包括三步，第一步通过单次曝光成像获取目标的二维图像信息，第二步通过多次曝光探测及信号时间关联运算获取目标二维图像上每个像点的高程信息，最后将二维图像信息和对应像点的高程信息复合成目标的三维图像。本方法可用于构建大视场、高分辨、低成本的三维激光成像雷达。

技术领域

本发明涉及激光三维成像，特别是一种基于时间关联的三维成像装置及成像方法。

背景技术

随着科技的进步，三维成像正受到越来越多的重视和研究。三维图像所携带的丰富信息和其所具有的几何不变特性，使该技术如今已在城市规划、工业检测、自动导航和军事目标识别等领域发挥了巨大作用。在遥感观测领域，较为成熟的激光三维成像技术按照图像获取方式可以分为扫描成像和非扫描成像。

扫描成像利用激光照明和高灵敏点探测，逐点或逐行扫描获取目标上每个点的光强反射信息和距离信息，从而实现三维成像。该成像方式得益于辐照能量的集中和单点探测器的高灵敏性，通常具有很高的探测信噪比，但其成像分辨率却因远距离探测时激光束受大气扰动易于发散而导致成像分辨率较低。另外，扫描成像受扫描速率的限制，大视场扫描探测时成像速率较慢，不适合运动目标的三维信息获取。为克服扫描成像存在的分辨率低和成像速率慢等问题，将点探测器集成为面阵探测器，对目标进行大范围闪光照明及面探测可实现单次曝光成像。该成像方式在提取目标距离信息时通常有两种方式，一种是面阵探测器中的每个像素独立工作，独立完成对返回信号的强度及到达时间的信息提取，该方式受器件集成技术的限制，一般难以实现大规模的面探测器集成，从而影响成像视场；另一种测距技术则通过准确而快速的曝光，通过距离选通实现距离信息提取，比如现有的增强电荷耦合器件(ICCD)便可实现纳秒量级的曝光探测，但是该类器件成本高昂，尤其在红外波段更是难以实现，目前世界上仅有少数国家掌握该面阵探测器技术。

发明内容

针对上述激光三维成像存在的问题，本发明提出一种基于时间关联的三维成像装置及成像方法。该成像装置首先通过激光主动照明和焦平面曝光成像获取目标的二维图像信息；然后利用一系列光强随机涨落的时间调制光场辐照目标，并通过接受系统中的低速面阵探测器对目标返回光进行积分探测，多次探测过程结束后利用一系列接收到的返回光场与发射出去的时间调制光场之间的时间相关性来判断目标上每个像点的能量积分时间，将每个像点的能量积分时间映射到距离维度上获取目标的高程信息；最后结合目标的二维图像信息及二维图像上每个像点对应的高程信息复合出目标的三维图像。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于时间关联的三维成像装置，其特点在于，包括发射系统、接收系统和控制系统：

所述的发射系统包括激光器、光强调制器和激光扩束镜，所述的接收系统包括接收望远镜和面阵探测器，所述的控制系统为工控机，沿所述激光器的输出光路依次是所述的光强调制器和激光扩束镜，所述激光扩束镜将激光束整形扩束成空间均匀分布的光束并辐照到目标上，所述的接收望远镜将目标成像到所述面阵探测器的感光面上；所述的激光器、光强调制器和面阵探测器分别与所述的工控机相连，并在所述工控机的控制下同步协调工作。

所述的基于时间关联的三维成像装置的三维成像方法，该方法包括下列步骤：

1)在所述的工控机的控制下，所述的激光器、光强调制器和面阵探测器同步工作，所述的激光器输出的连续激光经所述的激光扩束镜整形扩束成空间分布相对均匀的光场后发射到目标上，所述的目标反射后进入所述的接收望远镜并被成像到所述的面阵探测器的感光面上，所述的面阵探测器获取目标的二维图像信息A(x,y)，其中A(x,y)的数值为归一化的目标反射系数，(x,y)表示二维图像上每个像点的坐标；

2)获取目标二维图像上每个像点的高程信息R(x,y)；