距离选通空间能量包络多脉冲延时积分整形方法技术

本发明专利技术公开了一种距离选通空间能量包络多脉冲延时积分整形方法，在选通成像器件一帧的曝光时间里，激光脉冲和选通脉冲形成M个脉冲对，通过对M个脉冲对按照目标距离选通空间能量包络几何特征进行选通延时编码调制实现不同距离处子空间采样区采样，进而实现在选通成像器件一帧曝光时间里M幅子图的帧内延时积分，最终输出一帧具有目标距离选通空间能量包络几何特征的距离选通切片图像。本发明专利技术适应性好、灵活性强，可解决脉宽不可调激光器难以实现不同形状距离选通空间能量包络的问题，并可解决矩形方波激光脉冲难以获得导致目标距离选通空间能量包络难以实现的问题，大大拓展了用于距离选通超分辨率三维成像的脉冲激光器的选择范围。

【技术实现步骤摘要】
距离选通空间能量包络多脉冲延时积分整形方法
本专利技术属于三维成像
，具体涉及一种距离选通空间能量包络多脉冲延时积分整形方法。
技术介绍
距离选通超分辨率三维成像是一种新的凝视型三维成像技术，由于具有作用距离远、像素数高(可大于1000×1000像素)、兼顾大景深及高距离分辨率的特点，使其在复杂环境下的目标探测、隐蔽／遮挡目标探测、地形地貌测绘、避障导航、智能监控等领域具有广泛的应用前景。距离选通超分辨率三维成像技术是由法德圣路易斯研究院MartinLaurenzis等人于2007年提出(MartinLaurenzis，FrankChristnachxr，andDavidMonnin，Long-rangethree-dimensionalactiveimagingwithsuperresolutiondepthmapping，Opt.Lett.，2007，Vol.32(21)，3146-3148)，该技术通过控制激光脉冲和选通脉冲间的延时，并设置激光脉冲的脉宽为选通脉冲的门宽的二分之一，在激光脉冲和选通脉冲间的卷积作用下获取具有梯形距离选通空间能量包络的选通切片图像，然后最少可通过两幅空间交叠的选通切片图像实现目标三维图像的反演。为进一步降低背景噪声的影响，提高三维成像的距离分辨率，2012年中国科学院半导体研究所王新伟等提出了一种基于三角形空间能量包络的距离选通超分辨率三维成像(中国专利技术专利，申请号201210430995.6)。与德法圣路易斯研究院提出的基于梯形空间能量包络的距离选通超分辨率三维成像不同，在该方法中激光脉冲的脉宽与选通脉冲的门宽相等，通过控制激光脉冲和选通脉冲的延时，在卷积作用下输出具有三角形空间能量包络的选通切片图像。同样地，该方法可最少通过两幅选通切片图像反演三维图像。无论是基于梯形空间能量包络还是三角形空间能量包络的距离选通超分辨率三维成像，均需激光脉冲和选通脉冲为矩形方波，从而通过脉冲卷积构造出规则的梯形或三角形空间能量包络。但是当前用于距离选通三维成像的ns级脉冲激光器的激光脉冲脉形大多为高斯型，或类高斯型，而非方波，从而难以获得规则的梯形或三角形距离选通空间能量包络。此外，为实现灵活的大景深的三维成像，需激光脉宽和选通门宽灵活可调。目前用于距离选通三维成像的选通成像器件的选通门宽均可调，但是脉冲激光器的脉宽则大多不可调或仅可微调，如532nm固体激光器，从而仅能通过调节选通门宽来匹配激光脉宽，实现特定景深的三维成像，大大限制了成像景深的灵活性，换言之，距离选通空间能量包络的景深无法灵活调节。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题针对上述现有技术存在的不足之处，本专利技术的主要目的在于提出一种距离选通空间能量包络多脉冲延时积分整形方法，可灵活输出具有不同形状、景深的距离选通空间能量包络的选通切片图像，满足距离选通超分辨率三维成像对不同形状空间能量包络的需求。(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提出一种距离选通空间能量包络多脉冲延时积分整形方法，该方法在选通成像器件一帧的曝光时间里，激光脉冲和选通脉冲形成M个脉冲对，每个脉冲对内含一个激光脉冲和一个选通脉冲，不同脉冲对内的激光脉冲和选通脉冲间的选通延时不同，每个脉冲对可对由选通延时确定的子空间采样区采样，相应形成一幅子图，通过对M个脉冲对按照目标距离选通空间能量包络几何特征进行选通延时编码调制实现不同距离处子空间采样区采样，进而实现在选通成像器件一帧曝光时间里M幅子图的帧内延时积分，在此积分过程中各子图的空间能量包络叠加生成目标距离选通空间能量包络，从而最终输出一帧具有目标距离选通空间能量包络几何特征的距离选通切片图像。根据本专利技术的一种具体实施方式，该方法采用窄脉冲激光器作为照明光源，采用选通成像器件作为探测器，通过时序控制器控制脉冲激光器和选通成像器件工作实现距离选通成像。根据本专利技术的一种具体实施方式，该选通延时是每个脉冲对内激光脉冲和选通脉冲间的延时。根据本专利技术的一种具体实施方式，所述子图是由单个脉冲对形成的，即通过控制一个激光脉冲和选通脉冲间的延时实现子空间采样区采样，形成一幅子图。根据本专利技术的一种具体实施方式，所述的子空间采样区是与子图对应的空间采样区，该子空间采样区的景深由激光脉宽和选通门宽共同决定，其大小为公式(1)中，d为子空间采样区景深，tl为激光脉宽，tg为选通门宽，c为真空中光传播的速度，n为光传输媒介的折射率，M个脉冲对中第m个脉冲对对应子空间采样区的选通距离Rsub，m为公式(2)中，τm为M个脉冲对中第m个脉冲对内激光脉冲和选通脉冲间的选通延时。根据本专利技术的一种具体实施方式，欲获取的距离选通切片图像对应的空间能量包络，具有三角形和梯形两种典型几何特征。根据本专利技术的一种具体实施方式，在选通成像器件一帧的曝光时间里，对M个脉冲对内的激光脉冲和选通脉冲按照目标距离选通空间能量包络几何特征进行选通延时调制，其中第m个脉冲对的选通延时满足以下关系τm＝τ+(m-1)δτ，m∈[1，M](3)公式(3)中，τ为初始选通延时，δτ为选通延时步进步长，当目标距离选通空间能量包络为三角形时，选通延时步进步长满足当目标距离选通空间能量包络为梯形时，选通延时步进步长满足公式(4)和(5)中，激光脉宽均小于选通门宽，公式(5)中，n为光传输媒介的折射率，DHead为梯形目标距离选通空间能量包络的上升沿景深大小，初始选通延时τ由以下公式确定公式(6)中，R为欲获取的具有目标距离选通空间能量包络特征的距离选通切片图像的选通距离。根据本专利技术的一种具体实施方式，在选通成像器件一帧的曝光时间里完成M幅子图积分，这些子图仅是中间过程图像，并不实际输出，而是与同一帧中的其它子图积分后最终仅输出一帧具有目标距离选通空间能量包络几何特的距离选通切片图像。根据本专利技术的一种具体实施方式，选通距离R为等效选通门宽tG为tG＝tg(8)等效激光脉宽tL为tL＝tl+(M-1)δt(9)距离选通切片图像的景深D为头信号区景深DHead为尾信号区景深DTail与头信号区景深大小一致，头信号区是指目标距离选通空间能量包络的上升沿，尾信号区是指目标距离选通空间能量包络的下降沿。(三)有益效果1、利用本专利技术，由于多脉冲延时积分整形方法采用帧内延时积分，子图为中间过程图像，并不实际输出，最终仅输出具有目标距离选通空间能量包络特征的距离选通切片图像，所以，该专利技术中的方法对于成像帧频无影响，并不会降低成像实时性。2、利用本专利技术，由于该整形方法通过对脉冲对进行选通延时编码，进而通过子图叠加积分获取不同形状的目标距离选通空间能量包络，所以，利用该专利技术中的方法可实现脉宽不可调激光器在距离选通超分辨率三维成像应用中不同形状距离选通空间能量包络的获取，大大拓展了用于距离选通超分辨率三维成像的脉冲激光器的选择范围，利于该三维成像技术更广泛的应用。3、利用本专利技术，由于最终输出的距离选通切片图像的距离选通空间能量包络等效于利用大脉宽方波激光脉冲与选通脉冲卷积产生，所以，该专利技术可实现利用窄脉冲激光器构造出具有等效脉宽的大脉宽方波激光脉冲，解决方波激光脉冲获取难的问题，提高了距离选通超分辨率三维成像的实用性。附图说明图1A～图1C为距离能量包络多脉冲延时积分整形方法的工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种距离选通空间能量包络多脉冲延时积分整形方法，其特征在于：在选通成像器件一帧的曝光时间里，激光脉冲和选通脉冲形成M个脉冲对，每个脉冲对内含一个激光脉冲和一个选通脉冲，不同脉冲对内的激光脉冲和选通脉冲间的选通延时不同，每个脉冲对可对由选通延时确定的子空间采样区采样，相应形成一幅子图，通过对M个脉冲对按照目标距离选通空间能量包络几何特征进行选通延时编码调制实现不同距离处子空间采样区采样，进而实现在选通成像器件一帧曝光时间里M幅子图的帧内延时积分，在此积分过程中各子图的空间能量包络叠加生成目标距离选通空间能量包络，从而最终输出一帧具有目标距离选通空间能量包络几何特征的距离选通切片图像。

【技术特征摘要】
1.一种距离选通空间能量包络多脉冲延时积分整形方法，其特征在于：在选通成像器件一帧的曝光时间里，激光脉冲和选通脉冲形成M个脉冲对，每个脉冲对内含一个激光脉冲和一个选通脉冲，不同脉冲对内的激光脉冲和选通脉冲间的选通延时不同，每个脉冲对可对由选通延时确定的子空间采样区采样，相应形成一幅子图，通过对M个脉冲对按照目标距离选通空间能量包络几何特征进行选通延时编码调制实现不同距离处子空间采样区采样，进而实现在选通成像器件一帧曝光时间里M幅子图的帧内延时积分，在积分过程中各子图的空间能量包络叠加生成目标距离选通空间能量包络，从而最终输出一帧具有目标距离选通空间能量包络几何特征的距离选通切片图像，该目标距离选通空间能量包络具有三角形或梯形的典型几何特征，一帧内选通延时步进步长的不同设置取决于目标距离选通空间能量包络的三角形或梯形几何特征的选取，其中，所述目标距离选通空间能量包络是指欲获取的距离选通切片图像对应的空间能量包络，在选通成像器件一帧的曝光时间里，对M个脉冲对内的激光脉冲和选通脉冲按照目标距离选通空间能量包络几何特征进行选通延时调制，其中第m个脉冲对的选通延时满足以下关系τm＝τ+(m-1)δτ，m∈[1,M](3)公式(3)中，τ为初始选通延时，δτ为选通延时步进步长，m、M均为自然数，当目标距离选通空间能量包络为三角形时，选通延时步进步长满足当目标距离选通空间能量包络为梯形时，选通延时步进步长满足公式(4)和(5)中，激光脉宽均小于选通门宽，tL为等效激光脉宽，tg为选通门宽，c为真空中光传播的速度，n为光传输媒介的折射率，DHead为梯形目标距离选通空间能量包络的上升沿景深大小，初始选...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新伟，崔伟，周燕，李友福，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11