CN106791781A - 一种连续波相位测量式单像素三维成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种连续波相位测量式单像素三维成像系统及方法，涉及三维成像技术，目的是为了满足三维成像技术的发展需求。光场调制器将发射光调制为空间随机分布的散斑光场去照明目标，单元探测器收集从目标上返回的所有光信号，将接收信号与发射信号进行混频，经积分器累积后发送给计算机进行保存，同时计算机记录散斑光场的随机分布，多次改变随机散斑场，分别进行记录，最终可解算出目标的三维像。本发明所述的系统及方法不需要对信号进行高速采样，大大地减小了系统的硬件开销，同时提高了系统的成像速度，而且使系统的分辨率摆脱了高速采样带宽的限制。

Description

一种连续波相位测量式单像素三维成像系统及方法

技术领域

本发明涉及三维成像技术。

背景技术

目前常用的二维光学成像手段都是基于CCD、CMOS这样的阵列探测器。而三维光学成像(三维图像也称为距离图像，三维即X、Y、X三个维度)的实现目前仍是比较困难的问题。因为CCD、CMOS这样的成熟阵列都属于积分器件，只能探测光信号的强度，而无法分辨光信号的时间信息。而具有时间分辨能力的光探测器阵列如APD阵列的技术还不够成熟，不仅价格昂贵、而且目前商用的只有32×32这样的小阵列，很难实现高分辨的三维成像。今年来出现的单像素成像相机为这一需求提供了一条有希望的解决途径。目前大多数的单像素成像技术是面向二维成像的，少数三维单像素成像技术都需要对信号进行高速采样、后续要对大量的数据进行复杂的运算，极大地增加了系统的硬件开销，同时降低了系统的成像速度，而且系统的分辨率受到高速采样带宽的限制。

发明内容

本发明的目的是为了满足三维成像技术的发展需求，提供一种连续波相位测量式单像素三维成像系统及方法。

本发明所述的一种连续波相位测量式单像素三维成像系统包括连续激光器1、单元探测器2、光场调制器3、扩束光学系统4、发射/接收光学系统5、连续信号源6、混频器7、积分器8和相位延迟器9；

连续信号源6用于产生两路相同的正弦信号，一路正弦信号用于驱动连续激光器1，使连续激光器1的发射光强按照该正弦信号的频率变化；另一路正弦信号发送给相位延迟器9；

连续激光器1的发射光经扩束光学系统4扩束后，入射至光场调制器3上；

所述光场调制器3用于在计算机10产生的随机矩阵的控制下产生随机光场，该光场通过发射/接收光学系统5发射出去，对目标进行照明；

发射/接收光学系统5接收目标返回的光波；

单元探测器2用于对返回的光波进行光电转换；

混频器7用于对连续信号源6产生的正弦信号和单元探测器2输出的探测信号进行混频；

积分器8用于对混频器7输出的混频信号进行积分，并将产生的积分信号发送至计算机10；

相位延迟器9用于对连续信号源6产生的正弦信号进行相位延迟，并将相位延迟后的正弦信号发送至混频器7。

本发明所述的一种连续波相位测量式单像素三维成像方法为：

步骤一、对光源产生的连续光进行正弦调制，使正弦调制后的光入射至光场调制器3上；

所述光场调制器3在计算机10产生的随机矩阵的控制下产生随机图样，进而产生随机光场，该光场用于对目标进行照明；

采用单元探测器2探测目标返回的光波；

对正弦调制信号和单元探测器2输出的探测信号进行混频，对混频后的信号进行积分，得到积分值；

计算机10每改变一次随机矩阵，便得到一个积分值；

多个随机矩阵构成随机散斑序列，多个积分值构成积分值序列；

将随机散斑序列与积分值序列进行相关运算或压缩感知运算，得到二维图像；

所述二维图像中每个像素的强度公式为：

其中A为强度，P₀为发射信号(即连续信号源6产生的正弦信号)的幅值，P₁为探测信号(即单元探测器(2)的输出信号)的幅值，m为调制深度，φ为探测信号的相位；A可以根据二维图像获得，A、P₀和m为已知，P₁和φ为未知，

步骤二、将正弦调制信号进行不同的相位延迟，重复步骤一，得到多个强度公式，求解多个强度公式构成的方程组，得到每个像素的φ值；

步骤三、利用公式计算每个像素的距离，其中R为所述距离，c为光速，f为正弦调制信号的频率，所有像素的距离数据构成三维图像。

光场调制器3将发射光调制为空间随机分布的散斑光场去照明目标，用单元时间分辨探测器(即单元探测器2)收集从目标上返回的所有光信号，将接收信号与发射信号(即连续信号源6产生的正弦调制信号)进行混频，经积分器累积后发送给计算机10进行保存，同时计算机10记录散斑光场的随机分布，多次改变随机散斑场，分别进行记录，最终可解算出目标的三维像。本发明所述的系统及方法不需要对信号进行高速采样，大大地减小了系统的硬件开销，同时提高了系统的成像速度，而且使系统的分辨率摆脱了高速采样带宽的限制。

附图说明

图1为实施方式一所述的一种连续波相位测量式单像素三维成像系统的原理框图，其中11表示发射光场，12表示接收光场；

图2为实施方式二中发射信号和接收信号的波形图；

图3为实施方式二中三维图像解算过程的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种连续波相位测量式单像素三维成像系统，包括连续激光器1、单元探测器2、光场调制器3、扩束光学系统4、发射/接收光学系统5、连续信号源6、混频器7、积分器8和相位延迟器9；

连续信号源6用于产生正弦信号，该正弦信号用于驱动连续激光器1，使连续激光器1的发射光强按照该正弦信号的频率变化；

连续激光器1的发射光经扩束光学系统4扩束后，入射至光场调制器3上；

所述光场调制器3用于在计算机10产生的随机矩阵的控制下产生随机光场，该光场通过发射/接收光学系统5发射出去，对目标进行照明；

发射/接收光学系统5接收目标返回的光波；

单元探测器2用于对返回的光波进行光电转换；

混频器7用于对连续信号源6产生的正弦信号和单元探测器2输出的探测信号进行混频；

积分器8用于对混频器7输出的混频信号进行积分，并将产生的积分信号发送至计算机10；

相位延迟器9用于对连续信号源6产生的正弦信号进行相位延迟，并将相位延迟后的正弦信号发送至混频器7。

本实施方式利用连续激光器1作为照明光源，单元探测器2采用具有时间分辨能力的器件如APD，光电倍增管等。光场调制器3可选用液晶空间光调制器或数字微镜阵列(DMD)等。连续信号源6可产生各种频率的正弦波信号，本实施方式中，频率为MHz以上。

上述三维成像系统分为发射和接收两个部分。发射部分由连续激光器1、连续信号源6、扩束光学系统4、光场调制器3和发射/接收光学系统5组成。连续信号源6产生一定频率的正弦信号驱动连续激光器1，使连续激光器1发射光的强度按照调制频率变化。连续激光器1出射的激光束经扩束光学系统4扩束后，直接打在光场调制器3上。光场调制器3是发射系统的核心部件，用于实现对发射光场发射图样的控制。本方案中通过计算机10产生随机矩阵(矩阵中的每个元素与最终三维图像的每个像素相对应，随机矩阵中的每个元素随机变化)，并实时将随机矩阵传输到光场调制器3的内存中，令光场调制器3实时更新随机图样，从而使发射光场产生随机分布的散斑图样，用这样的随机光场实现对目标的照明。系统的接收部分由单元探测器2、混频器7、积分器8、相位延迟器9和发射/接收光学系统5构成。目标上散射的光被发射/接收光学系统5接收，并汇聚到单元探测器2上进行光电转换。单元探测器2可选用高增益的高速雪崩二极管APD。单元探测器2输出的信号与发射信号(即连续信号源6产生的正弦波信号)依次通过混频器7和积分器8，相当于将两个信号进行相乘后进行积分，获得的积分值是两信号延迟的函数。

成像原理：

连续信号源6对连续激光器1产生的连续光进行正弦调制，正弦调制后的光入射至光场调制器3上；光场调制器3在计算机10产生的随机矩阵的控制下产生随机图样，进而产生随机光场，该光场用于对目标进行照明；单元探测器2探测目标返回的光波；对正弦调制信号和单元探测器2输出的探测信号进行混频，对混频后的信号进行积分，得到积分值；

计算机10每改变一次随机矩阵，便得到一个积分值；

多个随机矩阵构成随机散斑序列，多个积分值构成积分值序列；

将随机散斑序列与积分值序列进行相关运算或压缩感知运算，得到二维图像；

所述二维图像中每个像素的强度公式为：

其中A为强度，P₀为发射信号(连续信号源6产生的正弦信号)的幅值，P₁为探测信号的幅值，m为调制深度，φ为探测信号的相位；A可以根据二维图像获得，A、P₀和m为已知，P₁和φ为未知，

将正弦调制信号进行相位延迟，按照同样的方法得到另一个强度公式，求解两个强度公式构成的方程组，得到每个像素的φ值；

利用公式计算每个像素的距离，其中R为所述距离，c为光速，f为正弦调制信号的频率；

将每个像素的距离信息融合到步骤一得到的二维图像中，得到三维图像。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种连续波相位测量式单像素三维成像方法为：

步骤一、对光源产生的连续光进行正弦调制，使正弦调制后的光入射至光场调制器3上；

所述光场调制器3在计算机10产生的随机矩阵的控制下产生随机图样，进而产生随机光场，该光场用于对目标进行照明；

采用单元探测器2探测目标返回的光波；

对正弦调制信号和单元探测器2输出的探测信号进行混频，对混频后的信号进行积分，得到积分值；

计算机10每改变一次随机矩阵，便得到一个积分值；

多个随机矩阵构成随机散斑序列，多个积分值构成积分值序列；

将随机散斑序列与积分值序列进行相关运算或压缩感知运算，得到二维图像；

所述二维图像中每个像素的强度公式为：

其中A为强度；P₀为发射信号(即连续信号源6产生的正弦信号)的幅值；P₁为探测信号(即单元探测器2的输出信号)的幅值，该信号为多帧信号的平均幅值，反映了目标的反射率；m为调制深度；φ为探测信号的相位；A可以根据二维图像获得，A、P₀和m为已知，P₁和φ为未知，

步骤二、将正弦调制信号进行不同的相位延迟，重复步骤一，得到多个强度公式，求解多个强度公式构成的方程组，得到每个像素的φ值；

步骤三、利用公式计算每个像素的距离，其中R为所述距离，c为光速，f为正弦调制信号的频率，根据所有像素的距离数据得到三维图像。所有像素的距离数据构成的矩阵为三维图像矩阵。

本实施方式所述的方法可以采用实施方式一所述的三维成像系统实现。

如图2所示，发射信号为正弦波，由于目标与三维成像系统之间有一定的距离，因此探测信号相对于发射信号有大小为φ的相位延迟，根据相位延迟与距离的关系可以计算出每个像素距离三维成像系统的距离。

光场调制器每改变一次随机图样，积分器完成一次信号积分并输给计算机。经过成百上千次的图样改变和信号积分，最终通过将图样数据和积分数据进行数学运算，就可将目标的相位编码图像(即步骤一得到的二维图像)解算出来。对于该种调制方式，需要多幅不同的相位编码图像才可以将目标的三维距离像解算出来。具体的解算流程如下，对于每个像素，假定：

发射信号为：

P_T＝P₀[1+msin(ωt)]

接收信号为：

P_R＝P₁[1+msin(ωt+φ)]

混频后为：

对多个整数周期的混频信号积分平均后的输出值为：

其中A、P₀、m已知，P₁和φ未知，求解出φ，即可换算出目标的距离：

为了求得φ，至少需要两个方程(1)，可以将发射信号进行多个固定位相的延迟，再和接收信号混频，又得到多个方程(1)，进行联合求解得到φ。实际中，多采用延迟π/2、π、3π/2来建立方程，四个方程进行联合求解。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述方法的进一步限定，本实施方式中，随机矩阵中每个元素的取值为0或1。

P₁反映了目标的反射率，因此可以认为发射信号不同相位延迟下P₁的值不变。随机矩阵的某个元素取0时，对应的像素点无光照。限定元素的取值为0或1时，数据处理效率最高。

Claims (3)

1.一种连续波相位测量式单像素三维成像系统，其特征在于，包括连续激光器(1)、单元探测器(2)、光场调制器(3)、扩束光学系统(4)、发射/接收光学系统(5)、连续信号源(6)、混频器(7)、积分器(8)和相位延迟器(9)；

连续信号源(6)用于产生正弦信号，该正弦信号用于驱动连续激光器(1)，使连续激光器(1)的发射光强按照该正弦信号的频率变化；

连续激光器(1)的发射光经扩束光学系统(4)扩束后，入射至光场调制器(3)上；

所述光场调制器(3)用于在计算机(10)产生的随机矩阵的控制下产生随机光场，该光场通过发射/接收光学系统(5)发射出去，对目标进行照明；

发射/接收光学系统(5)接收目标返回的光波；

单元探测器(2)用于对返回的光波进行光电转换；

混频器(7)用于对连续信号源(6)产生的正弦信号和单元探测器(2)输出的探测信号进行混频；

积分器(8)用于对混频器(7)输出的混频信号进行积分，并将产生的积分信号发送至计算机(10)；

相位延迟器(9)用于对连续信号源(6)产生的正弦信号进行相位延迟，并将相位延迟后的正弦信号发送至混频器(7)。

2.一种连续波相位测量式单像素三维成像方法，其特征在于，该方法为：

步骤一、对光源产生的连续光进行正弦调制，使正弦调制后的光入射至光场调制器(3)上；

所述光场调制器(3)在计算机(10)产生的随机矩阵的控制下产生随机图样，进而产生随机光场，该光场用于对目标进行照明；

采用单元探测器(2)探测目标返回的光波；

对正弦调制信号和单元探测器(2)输出的探测信号进行混频，对混频后的信号进行积分，得到积分值；

计算机(10)每改变一次随机矩阵，便得到一个积分值；

多个随机矩阵构成随机散斑序列，多个积分值构成积分值序列；

将随机散斑序列与积分值序列进行相关运算或压缩感知运算，得到二维图像；

所述二维图像中每个像素的强度公式为：

$A=P_0{P}_1\[1+\frac{1}{2}{m}^{2}cos\left(\mathrm{\φ}\right)\]$

其中A为强度，P₀为发射信号即连续信号源(6)产生的正弦信号的幅值，P₁为探测信号即单元探测器(2)的输出信号的幅值，m为调制深度，φ为探测信号的相位；A可以根据二维图像获得，A、P₀和m为已知，P₁和φ为未知，

步骤二、将正弦调制信号进行不同的相位延迟，重复步骤一，得到多个强度公式，求解多个强度公式构成的方程组，得到每个像素的φ值；

步骤三、利用公式计算每个像素的距离，其中R为所述距离，c为光速，f为正弦调制信号的频率，根据所有像素的距离数据得到三维图像。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，随机矩阵中每个元素的取值为0或1。