[发明专利]基于时间关联的三维成像装置和成像方法

摘要

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。

主权项

1.一种基于时间关联的三维成像装置的三维成像方法，该装置包括发射系统、接收系统和控制系统，所述的发射系统包括激光器(1)、光强调制器(2)和激光扩束镜(3)，所述的接收系统包括接收望远镜(5)和面阵探测器(6)，所述的控制系统为工控机(7)，沿所述激光器(1)的输出光路依次是所述的光强调制器(2)和激光扩束镜(3)，所述激光扩束镜(3)将激光束整形扩束成空间均匀分布的光束并辐照到目标(4)上，所述的接收望远镜(5)将目标(4)成像到所述面阵探测器(6)的感光面上；所述的激光器(1)、光强调制器(2)和面阵探测器(6)分别与所述的工控机(7)相连，并在所述工控机(7)的控制下同步协调工作，其特征在于该方法包括下列步骤：1)在所述的工控机(7)的控制下，所述的激光器(1)、光强调制器(2)和面阵探测器(6)同步工作，所述的激光器(1)输出的连续激光经所述的激光扩束镜(3)整形扩束成空间分布相对均匀的光场后发射到目标(4)上，所述的目标(4)反射后进入所述的接收望远镜(5)并被成像到所述的面阵探测器(6)的感光面上，所述的面阵探测器(6)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)，具体过程是：在所述的工控机(7)的控制下，所述的激光器(1)、光强调制器(2)和面阵探测器(6)同步工作，所述的光强调制器(2)将所述的激光器(1)输出的连续激光调制成一系列光强随机涨落的矩形激光脉冲序列，即时间调制光场，并将第k个矩形激光脉冲经所述的激光扩束镜(3)发射到目标(4)上，第k个矩形激光脉冲辐照到目标(4)上反射进入所述的接收望远镜(5)并被成像到面阵探测器(6)的感光面上，所述的面阵探测器(6)在所述的工控机(7)的延时触发下记录返回光场的空间分布为其中在时间t∈(0,P]内服从随机分布，P为一个矩形激光脉冲的持续时间，M为探测过程中经所述的激光扩束镜(3)发射到目标(4)上的矩形激光脉冲个数；每个矩形激光脉冲的持续时间P、触发面阵探测器(6)的同步信号相对于触发光强调制器(2)的同步信号的延时Δτ和面阵探测器(6)的曝光开门时间Δs满足下列关系式：L_max和L_min分别表示成像装置到目标(4)的最远点的距离和最近点的距离，c为光在真空中的传播速度，所述的面阵探测器(6)的曝光设置使不同像点的返回光经历不同的积分时间；将所述的与按下列公式计算相关系数函数：其中，E(·)和σ(·)分别表示测量数据关于k次采样的均值运算和标准差运算，表示对像点(x,y)处的返回光场在0～t_g时间内能量积分的第k个光场强度，按下列公式计算：其中，t_g为对应于相关系数函数C(x,y,t_g)具有最大值的能量积分时间，即为面阵探测器(6)在像点(x,y)的能量积分时间t_g(x,y)，最后利用公式计算目标的高程信息R(x,y)：R(x,y)＝c×t_g(x,y)   (4)3)将所述的目标二维图像信息A(x,y)和对应像点的高程信息R(x,y)复合成目标的三维图像。