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CN111766604B - 一种复合测距方法及系统 - Google Patents

一种复合测距方法及系统 Download PDF

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CN111766604B CN202010517348.3A CN202010517348A CN111766604B CN 111766604 B CN111766604 B CN 111766604B CN 202010517348 A CN202010517348 A CN 202010517348A CN 111766604 B CN111766604 B CN 111766604B
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Abstract

本发明公开了一种复合测距方法及系统，本发明采用主被动复合的测距方法，基于激光回波偏振调制的主动测距，只探测指定距离范围内的绝对距离，所需功率较低，基于场景光偏振特性的被动测距，不需要激光照明即可得到所有像素点的相对距离，两者结合得到三维图像，具有成本低、探测距离范围大、功耗低和距离与图像像素级融合等优点。

Description

一种复合测距方法及系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种复合测距方法及系统。
背景技术
目前，三维成像在地形测绘、航空航天、无人驾驶等领域都有迫切需求，其中主动测距的激光雷达方法成为研究热点，已进行了大量的研究和应用，现有的测距原理主要是通过测量光的飞行时间(TOF)推导出绝对距离，主要分直接TOF和间接TOF方法，但现有测距设备具有成本高、探测距离范围小等缺点，从而限制了其推广应用。
发明内容
本发明提供了一种复合测距方法及系统，以解决现有的测距设备成本高、探测距离范围小等问题。
第一方面，本发明提供了一种复合测距方法，该方法包括：将接收到的场景光与激光分离，按照不同曝光时间进行成像，其中，一种是基于场景光的偏振特性成像进行被动测距，并基于场景光的偏振特性进行二维成像，另一种是基于激光回波偏振调制成像进行主动测距，根据主动测距结果标定并优化被动测距结果，以进行像素级测距，并将二维图像与像素级测距得到的距离相融合得到三维图像。
可选地，按照不同曝光时间进行成像，包括：按照第一预设数量帧进行第一曝光成像，根据成像结果进行所述被动测距和二维成像、按照第二预设数量帧进行第二曝光成像，根据成像结果进行所述主动测距。
可选地，基于场景光的偏振特性进行二维成像，包括：根据曝光成像结果得到各像素点间隔45度的4个角度偏振态的强度；根据所述4个角度偏振态的强度，计算像素点总光强度，得到二维图像。
可选地，所述基于场景光的偏振特性成像进行被动测距，包括：根据曝光成像结果得到各像素点间隔45度的4个角度偏振态的强度；根据所述4个角度偏振态的强度得到各像素点的斯托克斯矩阵；根据像素点的直角、极坐标关系和所述斯托克斯矩阵，得到三维空间中各像素点所在表面的法向量；根据所述法向量、偏振信息、大气衰减特性，计算所有像素点的相对距离。
可选地，基于激光回波偏振调制成像进行主动测距，包括：按照预设时间函数施加调制电压，将激光回波偏振调制为椭圆偏振光；根据曝光成像结果得到各像素点间隔90度的2个角度偏振态的强度；根据所述2个角度偏振态的强度，得到所述2个偏振态的相位差；根据所述相位差，得到各像素点偏振调制的调制电压；根据所述调制电压的预设时间函数和各像素点的所述调制电压，得到预设距离范围内像素点的绝对距离。
可选地，根据主动测距结果标定并优化被动测距结果，以进行像素级测距，包括：根据所述主动测距预设距离范围内像素点的绝对距离，优化所述被动测距各像素点所在表面的法向量，以优化所述所有像素点的相对距离；根据所述主动测距预设距离范围内像素点的绝对距离，对所述被动测距对应像素点进行标定，得到基准点绝对距离；根据所述基准点绝对距离，所述优化的所有像素点相对距离，预设数量历史帧的三维图像结果，求解当前帧所有像素点绝对距离的最优解。
可选地，将二维图像与像素级测距得到的距离相融合得到三维图像，包括：
将所述二维图像和所述所有像素点绝对距离最优解融合，得到三维图像。
第二方面，本发明提供了一种复合测距系统，该系统包括：
接收器，用于接收场景光和激光回波；
分光器，用于将所述接收器接收到的场景光与激光回波分离；
被动测距光路处理单元，用于将所述场景光传播到感光元件；
主动测距光路处理单元，用于激光发射和对激光回波的偏振调制；
感光元件，用于对场景光和调制激光进行预设帧数、预设曝光时间的曝光成像；
数据处理单元，用于根据所述感光元件对所述被动测距光路处理单元的成像结果进行被动测距和二维成像，根据所述感光元件对所述主动测距光路处理单元的成像结果进行主动测距，根据主动测距结果标定并优化被动测距结果，以进行像素级测距，并将二维图像与像素级测距得到的距离相融合得到三维图像。
可选地，所述主动测距光路处理单元进一步包括：
激光发射器，用于发射所述主动测距的激光光源；
线偏振片，用于滤除所述激光回波的杂波；
偏振调制器，用于对所述滤波后的激光回波进行偏振调制，并传播至所述感光元件。
可选地，所述感光元件以2X2个像元作为一个单元，每个单元均分别获取0度、90度、45度和135度的线偏振光强度。
本发明有益效果如下：
本发明采用主被动复合的测距的方法，基于激光回波偏振调制进行主动测距，探测指定距离范围内的绝对距离，所需功率较低，基于场景光偏振特性进行被动测距，不需要激光照明即可得到所有像素点的相对距离，两者结合得到三维图像，具有成本低、探测距离范围大、功耗低和距离与图像像素级融合等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的主被动复合测距系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的感光元件2X2个像元的偏振结构示意图；
图3为本发明实施例提供的数据处理流程。
具体实施方式
本发明实施例的主动测距的激光雷达只探测指定距离范围内的绝对距离，而被动测距不需要激光照明即可得到所有像素点的相对距离，因此本发明实施例的复合测距系统具有成本低、探测距离范围大、功耗低和距离与图像像素级融合等优点。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
本发明实施例提供了一种复合测距方法，如图1所示，该方法包括：
将接收到的场景光与激光分离，按照不同曝光时间进行成像，其中，一种是基于场景光的偏振特性成像进行被动测距，并基于场景光的偏振特性进行二维成像，另一是基于激光回波偏振调制成像进行主动测距，根据主动测距结果标定并优化被动测距结果，以进行像素级测距，并将二维图像与像素级测距得到的距离相融合得到三维图像。
具体来说，本发明实施例是将光学镜头接收到的场景内反射或辐射光与激光分为两路，一路基于反射或辐射光偏振特性解算进行被动测距和二维成像，另一路基于激光回波偏振调制进行主动测距，根据所述主动测距结果标定并优化所述被动测距结果实现像素级测距，最后将二维图像与距离融合得到三维图像。
总体来说，本发明实施例核心思想就是主动测距的激光雷达只探测指定距离范围内的绝对距离，而被动测距不需要激光照明即可得到所有像素点的相对距离，因此本发明实施例的复合测距系统的功耗低，进而降低了本发明实施例的复合测距系统的整体成本，通过被动测距增大探测距离范围，通过测距与成像共用感光元件实现距离与图像像素级融合，从而大大提升了用户体验。
具体实施时，本发明实施例中，按照不同曝光时间进行成像，包括：
按照第一预设数量帧进行第一曝光成像，即长曝光成像，根据成像结果进行所述被动测距和二维成像、按照第二预设数量帧进行第二曝光成像，即，短曝光成像，最后根据成像结果进行所述主动测距。
需要说明的是，本发明实施例中第一预设数量帧、第二预设数量帧，以及第一曝光成像的曝光时间、第二曝光成像的曝光时间都可以任意设定，本发明对此不作具体限定。
本发明实施例中，所述基于场景光的偏振特性进行二维成像，包括：根据曝光成像结果得到各像素点间隔45度的4个角度偏振态的强度，根据所述4个角度偏振态的强度，计算像素点总光强度，得到二维图像。
其中，所述基于场景光的偏振特性成像进行被动测距，包括：根据曝光成像结果得到各像素点间隔45度的4个角度偏振态的强度；根据所述4个角度偏振态的强度得到各像素点的斯托克斯矩阵；根据像素点的直角、极坐标关系和所述斯托克斯矩阵，得到三维空间中各像素点所在表面的法向量；根据所述法向量、偏振信息、大气衰减特性，计算所有像素点的相对距离。
如图2所示，本发明实施例中的感光元件2X2个像元作为一个单元，每个单元均分别获取0度、90度、45度和135度的线偏振光强度。
进一步地，本发明实施例中，所述基于激光回波偏振调制成像进行主动测距，包括：按照预设时间函数施加调制电压，将激光回波偏振调制为椭圆偏振光；根据曝光成像结果得到各像素点间隔90度的2个角度偏振态的强度；根据所述2个角度偏振态的强度，得到所述2个偏振态的相位差；根据所述相位差，得到各像素点偏振调制的调制电压；根据所述调制电压的预设时间函数和各像素点的所述调制电压，得到预设距离范围内像素点的绝对距离。
具体实施时，本发明实施例中所述根据主动测距结果标定并优化被动测距结果，以进行像素级测距，包括：根据所述主动测距预设距离范围内像素点的绝对距离，优化所述被动测距各像素点所在表面的法向量，以优化所述所有像素点的相对距离；根据所述主动测距预设距离范围内像素点的绝对距离，对所述被动测距对应像素点进行标定，得到基准点绝对距离；根据所述基准点绝对距离，所述优化的所有像素点相对距离，预设数量历史帧的三维图像结果，求解当前帧所有像素点绝对距离的最优解。
本发明实施例中，所述将二维图像与像素级测距得到的距离相融合得到三维图像，包括：将所述二维图像和所述所有像素点绝对距离最优解融合，得到三维图像。
下面将通过一个具体的例子对本发明实施例所述的方法进行说明：
如图1所示，本发明实施例的复合的测距系统包括：
接收器(具体可以是光学镜头等)，用于接收场景光和激光回波；
分光器(具体可以是滤波片等)，用于将所述接收器接收到的场景光与激光回波分离；
被动测距光路处理单元，用于将所述场景光传播到感光元件；
主动测距光路处理单元，用于激光发射和对激光回波的偏振调制；
感光元件，用于对场景光和调制激光进行预设帧数、预设曝光时间的曝光成像，具体来说，是对场景内可见光和调制激光，进行预设帧数、预设曝光时间的曝光成像，得到0、45、90、135度的线偏振光强度；
数据处理单元，用于根据所述感光元件对所述被动测距光路处理单元的成像结果进行被动测距和二维成像，根据所述感光元件对所述主动测距光路处理单元的成像结果进行主动测距，根据主动测距结果标定并优化被动测距结果，以进行像素级测距，并将二维图像与像素级测距得到的距离相融合得到三维图像。
具体来说，本发明实施例中的数据处理单元是根据4个角度偏振强度计算所有像素点的相对距离和二维成像；根据2个角度的偏振强度计算预设距离范围内像素点的绝对距离；根据所述绝对距离标定并优化相对距离计算所有像素点绝对距离；融合二维图像和距离数据得到三维的RGB-D图像。
需要说明的是，本发明实施例中主动测距方法测量50m以内的绝对距离，被动测距方法测量所有像素点的相对距离。
如图3所示，本发明实施例中，激光发射器波段选用808nm，发散角25*25度，重频20Hz、脉宽1us；光学镜头焦距30mm，光学口径15mm；感光元件选用CCD相机，接收视场角25度，有效像素数为1024×1024，像元尺寸为13um×13um，工作波段为380-840nm，A/D转换器16bit，第1帧长曝光成像和被动测距，第2帧短曝光主动测距，如此循环。
本发明实施例中，第1帧被动测距时，光学镜头接收的入射光，采用808nm波段滤光片，在45度滤光片和反射镜的作用下，入射光中场景可见光经过4次反射直接输入CCD相机。
为满足单帧成像，将CCD相机的2X2像元合为一组，分别在每个像元前加上0、45、90、135度线偏振片，从而实现1次成像得到四个偏振方向的强度图I0、I45、I90、I135，偏振结构如图2所示。
CCD相机像元前加的线偏振片，0度和90度、45度和135度分别在2X2一组的对角线上，可得到1024×1024的可见光图像和距离图像。
计算各像素点0度和90度的偏振强度和I0+I90即为入射光的总光强，得到可见光二维图像。
进一步地，根据4个偏振态得到各像素点的斯托克斯矩阵
Figure BDA0002530639610000071
其中第4项中的
Figure BDA0002530639610000072
表示相位延迟
Figure BDA0002530639610000073
的强度图，但第4项为圆偏振光的强度，计算时可忽略不计。
根据直角、极坐标关系，结合斯托克斯矩阵，得到三维空间中各像素点所在表面的法向量。
Figure BDA0002530639610000074
其中，u和v分别为图像像素坐标,d为对应坐标像素点的距离，θ和
Figure BDA0002530639610000075
分别为法向量的天顶角和方位角。
结合法向量、偏振信息、大气衰减特性，可计算出所有像素点的相对距离
Figure BDA0002530639610000081
其中，β表征测量时的天气条件，Iairlight表示探测接收到的无目标区域的光强度信息，E∞表示为无穷远处的照度信息，P表示当前目标点的偏振信息。
第2帧主动测距时，激光发射器发射的线偏振方向为0度，以20Hz的频率发射脉冲式激光。
采用808nm波段的滤光片，通过光学镜头后入射光在45度滤波片处一分为二，激光器发射的808nm波段的入射光透过滤光片，其他光反射。
激光回波透过滤光片后，通过0度的线偏振片，去除非0度的背景光，提高系统的信噪比。
回波的线偏振光沿z轴方向传播进入偏振调制器，偏振调制器采用KD*P电光晶体，孔径30mm，半波电压3.4KV。
对晶体施加z轴方向的调制电压，从激光发射的0s到0.35us时间内，线性增加调制电压从0至3.4KV，将激光回波调制成椭圆偏振光。
从CCD相机成像的4个偏振态强度中，选取45度和135度两个偏振分量的强度I′45和I′135。
第2帧数据中包括场景光和激光回波，但由于曝光时间极短，场景光的影响可忽略不计，激光路两个偏振分量的强度近似为I′45和I′135。
通过偏振分量的强度计算出此时椭圆偏振光两分量的相位差
Figure BDA0002530639610000082
根据电光晶体的电光调制特性，得到t时刻的调制电压
Figure BDA0002530639610000083
通过飞行时间，得到距离
Figure BDA0002530639610000091
由于采用16bit的CCD相机，测距系统的距离分辨率约为0.12m。
回波光束强度I＝I′45+I′135。
通过主动测距的绝对距离求导，得到0-50m区域内各点所在平面的法向量，由此优化所有像素点的法向量，从而优化被动测距的相对距离，并通过最小二乘的方式解出基准点的绝对距离。
根据被动测距所有像素点的相对距离和优化求解的基准点绝对距离计算出所有像素点的绝对距离，当系统主动测距小于等于3帧时，此为最终绝对距离，当系统主动测距大于3帧后，结合前三轮主被动测距结果进行集束调整，得到最终绝对距离。图像去噪后融合可见光与距离数据，得到RGB-D图像。
本发明至少具有以下优点：
1、本发明采用主被动复合的测距方法，主动测距的激光雷达只探测指定距离范围内的测距，所需功率较低，而被动测距不需要激光照明，因此具有功耗低、人眼安全和成本低的特点；
2、本发明通过被动测距得到所有像素点的相对距离，不同焦距下的光学镜头，可在不同距离范围内进行成像、测距，因此探测距离不受主动测距光源的功率等因素限制，具有探测距离范围大的特点；
3、本发明选用的感光元件技术方案成熟，感光元件的有效像素数高，因此具有图像分辨率高的特点；
4、本发明测距、成像共用一个面阵感光元件，通过短曝光主动测距、长曝光成像和被动测距，因此图像与距离图像可做到像素级融合；
5、本发明的感光元件分别采集1帧主动测距的偏振强度图像和1帧被动测距的偏振强度图像，即可得到三维图像，因此具有输出帧频大的特点；
6、本发明两种测距方式共用光学镜头、感光元件，光学镜头与感光元件之间将主被动光路分开各自处理，处理技术相对成熟，因此具有结构简单、易集成的特点；
7、本发明利用主动测距的绝对距离标定、优化被动测距的相对距离，因此具有抗干扰能力强的特点。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (9)

1.一种复合测距方法，其特征在于，包括：
将接收到的场景光与激光分离，按照不同曝光时间进行成像，其中，一种是基于场景光的偏振特性成像进行被动测距，并基于场景光的偏振特性进行二维成像，另一种是基于激光回波偏振调制成像进行主动测距，根据主动测距结果标定并优化被动测距结果，以进行像素级测距，并将二维图像与像素级测距得到的距离相融合得到三维图像；
其中，根据主动测距结果标定并优化被动测距结果，以进行像素级测距，包括：根据所述主动测距预设距离范围内像素点的绝对距离，优化所述被动测距各像素点所在表面的法向量，以优化所有像素点的相对距离；根据所述主动测距预设距离范围内像素点的绝对距离，对所述被动测距对应像素点进行标定，得到基准点绝对距离；根据所述基准点绝对距离，所述优化的所有像素点相对距离，预设数量历史帧的三维图像结果，求解当前帧所有像素点绝对距离的最优解。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照不同曝光时间进行成像，包括：
按照第一预设数量帧进行第一曝光成像，根据成像结果进行所述被动测距和二维成像、按照第二预设数量帧进行第二曝光成像，根据成像结果进行所述主动测距。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于场景光的偏振特性进行二维成像，包括：
根据曝光成像结果得到各像素点间隔45度的4个角度偏振态的强度；
根据所述4个角度偏振态的强度，计算像素点总光强度，得到二维图像。
4.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述基于场景光的偏振特性成像进行被动测距，包括：
根据曝光成像结果得到各像素点间隔45度的4个角度偏振态的强度；
根据所述4个角度偏振态的强度得到各像素点的斯托克斯矩阵；
根据像素点的直角、极坐标关系和所述斯托克斯矩阵，得到三维空间中各像素点所在表面的法向量；
根据所述法向量、偏振信息、大气衰减特性，计算所有像素点的相对距离。
5.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，基于激光回波偏振调制成像进行主动测距，包括：
按照预设时间函数施加调制电压，将激光回波偏振调制为椭圆偏振光；
根据曝光成像结果得到各像素点间隔90度的2个角度偏振态的强度；
根据所述2个角度偏振态的强度，得到所述2个偏振态的相位差；
根据所述相位差，得到各像素点偏振调制的调制电压；
根据所述调制电压的预设时间函数和各像素点的所述调制电压，得到预设距离范围内像素点的绝对距离。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，将二维图像与像素级测距得到的距离相融合得到三维图像，包括：
将所述二维图像和所述所有像素点绝对距离最优解融合，得到三维图像。
7.一种复合测距系统，其特征在于，包括：
接收器，用于接收场景光和激光回波；
分光器，用于将所述接收器接收到的场景光与激光回波分离；
被动测距光路处理单元，用于将所述场景光传播到感光元件；
主动测距光路处理单元，用于激光发射和对激光回波的偏振调制；
感光元件，用于对场景光和调制激光进行预设帧数、预设曝光时间的曝光成像；
数据处理单元，用于根据所述感光元件对所述被动测距光路处理单元的成像结果进行被动测距和二维成像，根据所述感光元件对所述主动测距光路处理单元的成像结果进行主动测距，根据主动测距结果标定并优化被动测距结果，以进行像素级测距，并将二维图像与像素级测距得到的距离相融合得到三维图像；
所述数据处理单元还用于，根据所述主动测距预设距离范围内像素点的绝对距离，优化所述被动测距各像素点所在表面的法向量，以优化所有像素点的相对距离；根据所述主动测距预设距离范围内像素点的绝对距离，对所述被动测距对应像素点进行标定，得到基准点绝对距离；根据所述基准点绝对距离，所述优化的所有像素点相对距离，预设数量历史帧的三维图像结果，求解当前帧所有像素点绝对距离的最优解。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述主动测距光路处理单元进一步包括：
激光发射器，用于发射所述主动测距的激光光源；
线偏振片，用于滤除所述激光回波的杂波；
偏振调制器，用于对滤波后的激光回波进行偏振调制，并传播至所述感光元件。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述感光元件以2×2个像元作为一个单元，每个单元均分别获取0度、90度、45度和135度的线偏振光强度。
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