專利名稱：距離子區(qū)間數(shù)指數(shù)增長型的三維成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維成像或稱成像測距技術(shù)，尤其是涉及一種距離子區(qū)間數(shù)指數(shù)增長型的三維成像方法。

背景技術(shù)：
激光雷達(dá)在軍事、國民經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用潛力和實(shí)用價(jià)值，而面陣成像三維測距激光雷達(dá)更是發(fā)展的重要方向之一。面陣激光雷達(dá)的測量法有連續(xù)光源測量法和脈沖光源門選通測量法，連續(xù)光源測量法速度快、測距精度高，但由于后向散射干擾而探測距離短；脈沖光源門選通測量法則能有效抑制后向散射光和背景干擾從而進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測。
2005年，丹麥的Andersen等人發(fā)明了時(shí)間切片的門選通技術(shù)，基于不同選通下已知距離目標(biāo)的光強(qiáng)得到距離-光強(qiáng)曲線，然后對待測場景進(jìn)行同樣的選通掃描，最后根據(jù)曲線求出每點(diǎn)待測目標(biāo)的距離。特點(diǎn)是多幅圖像平均精度較高，缺點(diǎn)是要處理多幅圖像，成像速度慢。[1]Joachim F.Andersen，Jens Busck，andHenning Heiselberg.Pulsed Raman fiber laser and multispectral imaging in threedimensions.APPLIED OPTICS.2006.Vol.45，NO.24；6198-6204。
2007年，法德圣路易士研究院的Laurenzis等人發(fā)明了一種超分辨率距離精度的三維主動成像方法。利用高質(zhì)量矩形光脈沖和門選通，可以獲得梯形的距離-光強(qiáng)關(guān)系。然后根據(jù)梯形的形狀參數(shù)可以獲得目標(biāo)信息，用兩幅圖像得到三維圖像。該方法優(yōu)點(diǎn)是可用于遠(yuǎn)距離大景深目標(biāo)的快速三維圖像，成像速度快。但其探測子區(qū)間隨著探測次數(shù)呈線性變化，即每增加一次探測，只增加一個(gè)探測子區(qū)間。[2]Martin Laurenzis，F(xiàn)rank Christnacher，and David Monnin.Long-rangethree-dimensional active imaging with superresolution depth mapping.OPTICSLETTERS.2007.Vol.32，No.21；3146-3148。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種距離子區(qū)間數(shù)指數(shù)增長型的三維成像方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是 本發(fā)明利用光脈沖配合接收器選通門進(jìn)行多次門選通成像獲得多幅二維光強(qiáng)圖像，每幅光強(qiáng)圖像是在不同的門選通或光脈沖的時(shí)序下獲得的，根據(jù)這些光強(qiáng)圖像中同一像素的相對光強(qiáng)關(guān)系能夠確定像素對應(yīng)目標(biāo)的距離子區(qū)間，距離子區(qū)間數(shù)隨著門選通成像次數(shù)增加呈指數(shù)增長變化，由不同門選通成像獲得的光強(qiáng)圖的同一像素光強(qiáng)的比值關(guān)系算出該像素對應(yīng)目標(biāo)在距離子區(qū)間內(nèi)的相對位置，通過確定每個(gè)像素對應(yīng)目標(biāo)的距離子區(qū)間和在距離子區(qū)間內(nèi)的相對位置可以確定每個(gè)像素的絕對距離，從而得到一幅三維圖像。
所述不同的門選通或光脈沖的時(shí)序，是通過二進(jìn)制編碼方式設(shè)計(jì)門選通的時(shí)序，或通過二進(jìn)制編碼方式設(shè)計(jì)光脈沖的時(shí)序。
所述門選通或光脈沖，其光脈沖發(fā)射時(shí)間和門選通時(shí)間具有時(shí)間差，該時(shí)間差由欲探測的最近距離和光速決定。
所述多次門選通成像，其選通次數(shù)為n，n由欲探測的最近距離，最遠(yuǎn)距離和測距精度決定，且n最小次數(shù)為3。
本發(fā)明具有的有益效果是 本發(fā)明利用距離子區(qū)間數(shù)指數(shù)增長型的三維成像方法，可以在測距精度不變的情況下，有效增大景深范圍；或在景深范圍不變的情況下，有效增大測距精度。



圖1是單次門選通探測示意圖。
圖2是2次門選通探測光強(qiáng)-距離圖。
圖3是3次門選通探測光強(qiáng)-距離圖。
圖4是n＝3時(shí)其中一種符合要求的選通門時(shí)序排列圖、一個(gè)單位時(shí)間光脈沖及該光脈沖經(jīng)過該選通門成像獲得的光強(qiáng)-距離圖。
圖5是n＝3時(shí)其中一種符合要求的光脈沖時(shí)序排列圖、一個(gè)單位時(shí)間選通門及該光脈沖經(jīng)過該選通門成像獲得的光強(qiáng)-距離圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
一、測距原理 在脈沖光源門選通測量法中，為了有效減小背景光輻射和后向散射光的影響，可以使接收器處于門選通方式并設(shè)法使光脈沖發(fā)出時(shí)間與門選通時(shí)間具有時(shí)間差，該時(shí)間差由欲探測的最近距離和光速決定。光脈沖與門選通的時(shí)間差在附圖中以

表示。
激光雷達(dá)探測器某點(diǎn)接收到的光強(qiáng)為 其中，k為與光源、成像系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)反射率有關(guān)的常數(shù)，α(z)為衰減系數(shù)，T為整個(gè)觀測過程探測器的積分時(shí)間，z為目標(biāo)距離，c為真空中的光速，P(t-2z/c)為光脈沖功率-時(shí)間函數(shù)，G(t)為接收器增益的功率-時(shí)間函數(shù)。
若有兩個(gè)不同的接收器增益函數(shù)G1(t)和G2(t)，那么對同一目標(biāo)點(diǎn)接收到的光強(qiáng)為 將公式(3)除以公式(2)得到 由于光脈沖功率P1(t)、P2(t)和接收器增益G1(t)、G2(t)均可控，即已知。理論上從公式(4)可以求出目標(biāo)的位置Z。
測距原理附圖1所示。光脈沖是理想矩形強(qiáng)度且為單位時(shí)間寬度τ；接收器選通門也是理想矩形，即恒定增益，時(shí)間寬度為τ′(τ′＝2τ)。激光器發(fā)出光脈沖，到達(dá)門選通起始距離Z0＝cτd/2進(jìn)入門選通區(qū)域進(jìn)行門選通成像，門選通步進(jìn)距離為Δz＝cτ/2，目標(biāo)反射的光強(qiáng)和距離的關(guān)系將形成一個(gè)梯形，梯形斜坡區(qū)(包括上升坡區(qū)和下降坡區(qū))的時(shí)間和梯形平頂區(qū)的時(shí)間是一樣的。通過平頂區(qū)可以獲得目標(biāo)的反射率等強(qiáng)度信息，而從斜坡區(qū)則可以得到距離信息。
經(jīng)過2次門選通探測，結(jié)合附圖2中的光強(qiáng)-距離圖，利用門選通起始距離、門選通光強(qiáng)和門選通步進(jìn)距離，可算出像素對應(yīng)目標(biāo)的絕對位置。設(shè)ZA、ZB分別是為第1次和第2次的門選通起始位置，門選通步進(jìn)距離均為Δz＝cτ/2，IB，1是第1次選通獲得的下降坡區(qū)強(qiáng)度，IA，2是第2次選通獲得的上升坡區(qū)強(qiáng)度，IA，1、IB，2分別是第1次和第2次選通獲得的平頂區(qū)強(qiáng)度。則求解像素對應(yīng)目標(biāo)的對位置的公式如下 由上升坡區(qū)和平頂區(qū)計(jì)算像素對應(yīng)目標(biāo)的絕對位置 由下降坡區(qū)和平頂區(qū)計(jì)算像素對應(yīng)目標(biāo)的絕對位置 結(jié)合附圖2和附圖3可以看出從2次門選通探測變?yōu)?次門選通探測，增加一次探測則增加一個(gè)距離子區(qū)間C。由上可以得出每增加一次門選通，增加一個(gè)距離子區(qū)間，即距離子區(qū)間數(shù)隨著門選通成像次數(shù)呈線性變化。
二、距離子區(qū)間數(shù)隨著門選通成像次數(shù)增加呈指數(shù)增長變化 1、相關(guān)概念及條件 1.1、定義兩相鄰的距離子區(qū)間的交接部分為臨界處。探測中不可避免的誤差導(dǎo)致獲得的光強(qiáng)有一定誤差，采用二進(jìn)制的編碼可以有效抑制這些誤差造成的影響。為了使探測范圍內(nèi)所有不同的距離子區(qū)間能夠被區(qū)分，要求各個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)唯一。由于臨界處的光強(qiáng)要么接近最大值，要么接近零值，因此可以將最大值附近光強(qiáng)定義為1，接近零值光強(qiáng)定義為0。這樣多次門選通成像獲得的多個(gè)光強(qiáng)關(guān)系中的同一個(gè)臨界處光強(qiáng)狀態(tài)可以組成取值為0或1的有序集。通過二進(jìn)制編碼方式設(shè)計(jì)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)，可以得到各距離子區(qū)間的光強(qiáng)-距離圖；根據(jù)各距離子區(qū)間的光強(qiáng)-距離圖又可以反推得到門選通或光脈沖的時(shí)序-時(shí)間圖。即采用二進(jìn)制編碼方式設(shè)計(jì)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)，可以達(dá)到二進(jìn)制編碼方式設(shè)計(jì)門選通或光脈沖的不同時(shí)序狀態(tài)的目的。
以下在距離子區(qū)間內(nèi)用0表示截止?fàn)顟B(tài)，無光強(qiáng)；1表示全通狀態(tài)，光強(qiáng)最大；X表示半通狀態(tài)，光強(qiáng)線性變化(即梯形斜坡區(qū)，包含上升坡區(qū)和下降坡區(qū))。
定義n次門選通成像探測每個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)通過二進(jìn)制編碼以n維列向量表示 a0(n)＝
Tn×1 a1(n)＝
Tn×1 a2(n)＝
Tn×1 … am(n)＝[11…11]Tn×1 其中T代表向量轉(zhuǎn)置，下同；m代表n維列向量個(gè)數(shù)，二進(jìn)制編碼m為理論上限值2n。
1.2、考慮到完全無光則無法區(qū)分門選通區(qū)域外的目標(biāo)距離，因此排除完全無光狀態(tài)a0(n)。
1.3、根據(jù)測距原理公式(5)和(6)，要求任一距離子區(qū)間多次探測中必有一次產(chǎn)生一個(gè)平頂光強(qiáng)區(qū)，則相鄰兩個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)均為最大值，即相鄰兩個(gè)列向量組成的n行×2列矩陣中必有一行內(nèi)的元素均為1；要求任一距離子區(qū)間多次探測中必有一次產(chǎn)生一個(gè)梯形斜坡光強(qiáng)區(qū)X，則相鄰兩個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)從0變?yōu)?或從1變?yōu)?，即相鄰兩個(gè)列向量組成的n行×2列矩陣中必有一行內(nèi)的一個(gè)元素為1，一個(gè)元素為0。
2、證明對目標(biāo)進(jìn)行多次門選通成像探測，距離子區(qū)間數(shù)隨著門選通成像次數(shù)增加呈指數(shù)增長變化。當(dāng)門選通成像次數(shù)為n時(shí)，其中n由欲探測的最近距離，最遠(yuǎn)距離和測距精度決定且n最小次數(shù)為3，距離子區(qū)間數(shù)N(n)＝2n-1。
2.1當(dāng)門選通成像次數(shù)為1，即n＝1時(shí)，二進(jìn)制編碼得N(1)＝0；當(dāng)門選通成像次數(shù)為2，即n＝2時(shí)，二進(jìn)制編碼得N(2)＝2。距離子區(qū)間數(shù)均不符合指數(shù)關(guān)系，不做考慮。
2.2當(dāng)門選通成像次數(shù)為3，即n＝3時(shí)，距離子區(qū)間個(gè)數(shù)N(3)＝23-1＝7。取n＝3，則二進(jìn)制編碼后所有臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)以3維列向量分別表示如下 a0(3)＝
T3×1 a1(3)＝
T3×1 a2(3)＝
T3×1 a3(3)＝
T3×1 a4(3)＝[100]T3×1 a5(3)＝[101]T3×1 a6(3)＝[110]T3×1 a7(3)＝[111]T3×1 n＝3時(shí)所有臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)以矩陣表示如下 (i)根據(jù)條件1.2，其中第一個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)a0(3)＝
T3×1屬于完全無光狀態(tài)，不能使用，故共有7個(gè)不同臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)。
(ii)根據(jù)條件1.3，排列得到其中一種組合，用矩陣表示 (iii)在矩陣最后添上第一列，這樣得到8個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)。首尾兩向量之外的區(qū)域(圖4、5中的H區(qū)域)光強(qiáng)狀態(tài)不定，故不能確定探測目標(biāo)位置。規(guī)定首尾兩向量之間的區(qū)域(附圖4、5中的A-G區(qū)域，不包括首尾兩向量)為測量區(qū)域。8個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)之間有7個(gè)距離子區(qū)間，最后得到一種符合所有條件的臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)組合矩陣 2.3設(shè)當(dāng)門選通成像次數(shù)為n時(shí)，距離子區(qū)間數(shù)為N(n)＝2n-1。根據(jù)要求得到其中一種符合所有條件的組合矩陣A0′(n)，則不考慮測量區(qū)域問題的組合矩陣為A0(n)。
設(shè)矩陣A0(n)第一列向量和最后一列向量分別為ai(n)和aj(n)，所以這兩個(gè)列向量符合條件1.3。
則當(dāng)門選通成像次數(shù)為(n+1)時(shí)，在每個(gè)n維列向量中增加第(n+1)行，并賦值0或1。再結(jié)合狀態(tài)

可以得到由A0(n)變化的矩陣 其中θ1×(m-1)＝
1×(m-1)，e1×(m-1)＝[1…1]1×(m-1) 因?yàn)锳0(n)符合所有相關(guān)條件，可以看出

和

也均符合所有相關(guān)條件；然而第m列向量

卻不符合條件1.3，它與第(m-1)列向量

沒有一行取值均為1。
交換第m列

與第(m+1)列

則交換后的第(m-1)列

與第m列

符合條件1.3，交換后的第m列

與第(m+1)列

也符合條件1.3?；谄渌幸卜蠗l件1.3，所以矩陣A0(n+1)第m列和第(m+1)列交換得到的矩陣A0′(n+1)為門選通成像次數(shù)(n+1)時(shí)符合所有條件的其中一種組合矩陣。最后考慮到測量區(qū)域問題，在A0′(n+1)的最后添上第一列

得到 最后的組合矩陣A0″(n+1)。
故當(dāng)門選通成像次數(shù)為(n+1)時(shí)，由A0″(n+1)維數(shù)得到距離子區(qū)間個(gè)數(shù) N(n+1)＝2×N(n)+1＝2m+1＝2×2n-1＝2n+1-1 2.4根據(jù)條件2.1，2.2和2.3歸納得到 當(dāng)門選通成像次數(shù)為n時(shí)，距離子區(qū)間數(shù)N(n)＝2n-1。
其中n由欲探測的最近距離，最遠(yuǎn)距離和測距精度決定且n最小次數(shù)為3。欲探測的最近距離和最遠(yuǎn)距離差值不變的情況下，要達(dá)到更高的測距精度，需要更多的門選通次數(shù)，即n越大；測距精度不變的情況下，要使欲探測的最近距離和最遠(yuǎn)距離差值更大，也需要更多的門選通次數(shù)，即n越大。
三、具體實(shí)施例 實(shí)施例1 1、當(dāng)門選通成像次數(shù)為3，即n＝3時(shí)，距離子區(qū)間個(gè)數(shù)N(3)＝23-1＝7。取n＝3，則二進(jìn)制編碼后所有臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)以3維列向量分別表示如下a0(3)＝
T3×1 a1(3)＝
T3×1 a2(3)＝
T3×1 a3(3)＝
T3×1a4(3)＝[100]T3×1 a5(3)＝[101]T3×1 a6(3)＝[110]T3×1 a7(3)＝[111]T3×1 n＝3時(shí)所有臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)以矩陣表示如下 (i)根據(jù)條件1.2，其中第一個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)a0(3)＝
T3×1屬于完全無光狀態(tài)，不能使用，故共有7個(gè)不同臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)。
(ii)根據(jù)條件1.3，排列得到其中一種組合，用矩陣表示 (iii)在矩陣最后添上第一列，這樣得到8個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)。首尾兩向量之外的區(qū)域(圖4、5中的H區(qū)域)光強(qiáng)狀態(tài)不定，故不能確定探測目標(biāo)位置。規(guī)定首尾兩向量之間的區(qū)域(附圖4、5中的A-G區(qū)域，不包括首尾兩向量)為測量區(qū)域。8個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)之間有7個(gè)距離子區(qū)間，最后得到一種符合所有條件的臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)組合矩陣 2、當(dāng)門選通成像次數(shù)為3時(shí)，利用上述1中的組合矩陣A0′(3)表示的臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)出選通門的不同時(shí)序狀態(tài)，得到選通門的時(shí)間-時(shí)序圖，如附圖4。利用一個(gè)單位時(shí)間τ的矩形強(qiáng)度光脈沖，通過上述設(shè)計(jì)的不同時(shí)序狀態(tài)的接收器選通門進(jìn)行3次門選通成像獲得3幅光強(qiáng)圖。
3、根據(jù)這些光強(qiáng)圖像中同一像素的相對光強(qiáng)關(guān)系能夠確定像素對應(yīng)目標(biāo)的距離子區(qū)間，距離子區(qū)間數(shù)與門選通成像次數(shù)呈指數(shù)關(guān)系。當(dāng)門選通成像次數(shù)為3，即n＝3時(shí)，距離子區(qū)間個(gè)數(shù)N(3)＝23-1＝7。
4、基于附圖4中的3幅光強(qiáng)-距離圖，根據(jù)不同門選通成像獲得的光強(qiáng)圖的同一像素光強(qiáng)的比值關(guān)系算出該像素對應(yīng)目標(biāo)在距離子區(qū)間內(nèi)的相對位置，通過確定每個(gè)像素對應(yīng)目標(biāo)的距離子區(qū)間和在距離子區(qū)間內(nèi)的相對位置可以確定每個(gè)像素對應(yīng)目標(biāo)的絕對距離，從而得到一幅三維圖像。
設(shè)三次測量的光強(qiáng)分別為I1、I2、I3，設(shè)最小接近零值的光強(qiáng)為σ，每個(gè)距離子區(qū)間的距離均為D，則根據(jù)公式(5)和(6)對目標(biāo)的絕對位置做如下計(jì)算 1)I1＜σ且I3＞σ 若I3＞I2+σ則在A區(qū)域，距離為
若|I3-I2|＜σ則在AB區(qū)域，距離為Z＝ZB 若I2＞I3+σ則在B區(qū)域，距離為
2)I1＜σ且I3＜σ則在BC區(qū)域，距離為Z＝ZC 3)I1＞σ且I3＜σ 若I2＞I1+σ則在C區(qū)域，距離為
若|I1-I2|＜σ則在CD區(qū)域，距離為Z＝ZD 若I1＞I2+σ則在D區(qū)域，距離為
若|I3-I2|＜σ則在DE區(qū)域，距離為Z＝ZE 4)I1＞σ且I3＞σ 若I1＞I2+σ且|I3-I2|＜σ則在E區(qū)域，距離為
若|I1-I3|＜σ則在EF區(qū)域，距離為Z＝ZF 若I1＞I2+σ且I3＞I2+σ則在F區(qū)域，距離為
若|I3-I1|＜σ則在FG區(qū)域，距離為Z＝ZG 若I3＞I1+σ，則在G區(qū)域，距離為
其中Zi(i＝A、B、C、D、E、F、G)為距離子區(qū)間i的門選通起始位置。
5、當(dāng)門選通成像次數(shù)為n次時(shí)，n大于3且n由欲探測的最近距離，最遠(yuǎn)距離和測距精度決定。利用具體實(shí)施方式
二中的證明過程推導(dǎo)出n次時(shí)符合所有條件的組合矩陣A0′(n)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出門選通的不同時(shí)序狀態(tài)，得到門選通的時(shí)間-時(shí)序圖。再利用一個(gè)單位時(shí)間τ的矩形強(qiáng)度光脈沖，通過上述設(shè)計(jì)的不同時(shí)序狀態(tài)的接收器門選通進(jìn)行n次門選通成像獲得n幅光強(qiáng)圖。結(jié)合具體實(shí)施方式
一中的測距原理和3次門選通成像的目標(biāo)距離求解，計(jì)算n次時(shí)像素對應(yīng)目標(biāo)的絕對距離，得到一幅三維圖像。
實(shí)施例2 1、當(dāng)門選通成像次數(shù)為3，即n＝3時(shí)，距離子區(qū)間個(gè)數(shù)N(3)＝23-1＝7。取n＝3，則二進(jìn)制編碼后所有臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)以3維列向量分別表示如下a0(3)＝
T3×1 a1(3)＝
T3×1 a2(3)＝
T3×1 a3(3)＝
T3×1a4(3)＝[100]T3×1 a5(3)＝[101]T3×1 a6(3)＝[110]T3×1 a7(3)＝[111]T3×1 n＝3時(shí)所有臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)以矩陣表示如下 (i)根據(jù)條件1.2，其中第一個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)a0(3)＝
T3×1屬于完全無光狀態(tài)，不能使用，故共有7個(gè)不同臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)。
(ii)根據(jù)條件1.3，排列得到其中一種組合，用矩陣表示 (iii)在矩陣最后添上第一列，這樣得到8個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)。首尾兩向量之外的區(qū)域(圖4、5中的H區(qū)域)光強(qiáng)狀態(tài)不定，故不能確定探測目標(biāo)位置。規(guī)定首尾兩向量之間的區(qū)域(附圖4、5中的A-G區(qū)域，不包括首尾兩向量)為測量區(qū)域。8個(gè)臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)之間有7個(gè)距離子區(qū)間，最后得到一種符合所有條件的臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)組合矩陣 2、當(dāng)門選通成像次數(shù)為3時(shí)，利用上述1中的組合矩陣A0′(3)表示的臨界處的光強(qiáng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)出光脈沖的不同時(shí)序狀態(tài)，得到光脈沖的時(shí)間-時(shí)序圖，如附圖5。利用上述設(shè)計(jì)的不同時(shí)序狀態(tài)的光脈沖，通過一個(gè)單位時(shí)間τ的接收器選通門進(jìn)行3次門選通成像獲得3幅光強(qiáng)圖。
3、根據(jù)這些光強(qiáng)圖像中同一像素的相對光強(qiáng)關(guān)系能夠確定像素對應(yīng)目標(biāo)的距離子區(qū)間，距離子區(qū)間數(shù)與門選通成像次數(shù)呈指數(shù)關(guān)系。當(dāng)門選通成像次數(shù)為3，即n＝3時(shí)，距離子區(qū)間個(gè)數(shù)N(3)＝23-1＝7。
4、基于附圖5中的3幅光強(qiáng)-距離圖，根據(jù)不同門選通成像獲得的光強(qiáng)圖的同一像素光強(qiáng)的比值關(guān)系算出該像素對應(yīng)目標(biāo)在距離子區(qū)間內(nèi)的相對位置，通過確定每個(gè)像素對應(yīng)目標(biāo)的距離子區(qū)間和在距離子區(qū)間內(nèi)的相對位置可以確定每個(gè)像素對應(yīng)目標(biāo)的絕對距離，從而得到一幅三維圖像。
設(shè)三次測量的光強(qiáng)分別為I1、I2、I3，設(shè)最小接近零值的光強(qiáng)為σ，每個(gè)距離子區(qū)間的距離均為D，則根據(jù)公式(5)和(6)對目標(biāo)的絕對位置做如下計(jì)算 1)I1＜σ且I3＞σ 若I3＞I2+σ則在A區(qū)域，距離為
若|I3-I2|＜σ則在AB區(qū)域，距離為Z＝ZB 若I2＞I3+σ則在B區(qū)域，距離為
2)I1＜σ且I3＜σ則在BC區(qū)域，距離為Z＝ZC 3)I1＞σ且I3＜σ 若I2＞I1+σ則在C區(qū)域，距離為
若|I1-I2|＜σ則在CD區(qū)域，距離為Z＝ZD 若I1＞I2+σ則在D區(qū)域，距離為
若|I3-I2|＜σ則在DE區(qū)域，距離為Z＝ZE 4)I1＞σ且I3＞σ 若I1＞I2+σ且|I3-I2|＜σ則在E區(qū)域，距離為
若|I1-I2|＜σ則在EF區(qū)域，距離為Z＝ZF 若I1＞I2+σ且I3＞I2+σ則在F區(qū)域，距離為
若|I3-I1|＜σ則在FG區(qū)域，距離為Z＝ZG 若I3＞I1+σ，則在G區(qū)域，距離為
其中Zi(i＝A、B、C、D、E、F、G)為距離子區(qū)間i的門選通起始位置。
5、當(dāng)門選通成像次數(shù)為n次時(shí)，n大于3且n由欲探測的最近距離，最遠(yuǎn)距離和測距精度決定，利用具體實(shí)施方式
二中的證明過程推導(dǎo)出n次時(shí)符合所有條件的組合矩陣A0′(n)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出光脈沖的不同時(shí)序狀態(tài)，得到光脈沖的時(shí)間-時(shí)序圖。再利用上述設(shè)計(jì)的不同時(shí)序狀態(tài)的光脈沖，通過一個(gè)單位時(shí)間τ的接收器選通門進(jìn)行n次門選通成像獲得n幅光強(qiáng)圖。結(jié)合具體實(shí)施方式
一中的測距原理和3次門選通成像的目標(biāo)距離求解，計(jì)算n次時(shí)像素對應(yīng)目標(biāo)的絕對距離，得到一幅三維圖像。
權(quán)利要求
1.一種距離子區(qū)間數(shù)指數(shù)增長型的三維成像方法，其特征在于利用光脈沖配合接收器選通門進(jìn)行多次門選通成像獲得多幅二維光強(qiáng)圖像，每幅光強(qiáng)圖像是在不同的門選通或光脈沖的時(shí)序下獲得的，根據(jù)這些光強(qiáng)圖像中同一像素的相對光強(qiáng)關(guān)系能夠確定像素對應(yīng)目標(biāo)的距離子區(qū)間，距離子區(qū)間數(shù)隨著門選通成像次數(shù)增加呈指數(shù)增長變化，由不同門選通成像獲得的光強(qiáng)圖的同一像素光強(qiáng)的比值關(guān)系算出該像素對應(yīng)目標(biāo)在距離子區(qū)間內(nèi)的相對位置，通過確定每個(gè)像素對應(yīng)目標(biāo)的距離子區(qū)間和在距離子區(qū)間內(nèi)的相對位置可以確定每個(gè)像素的絕對距離，從而得到一幅三維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種距離子區(qū)間數(shù)指數(shù)增長型的三維成像方法，其特征在于所述不同的門選通或光脈沖的時(shí)序，是通過二進(jìn)制編碼方式設(shè)計(jì)門選通的時(shí)序，或通過二進(jìn)制編碼方式設(shè)計(jì)光脈沖的時(shí)序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種距離子區(qū)間數(shù)指數(shù)增長型的三維成像方法，其特征在于所述門選通或光脈沖，其光脈沖發(fā)射時(shí)間和門選通時(shí)間具有時(shí)間差，該時(shí)間差由欲探測的最近距離和光速決定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種距離子區(qū)間數(shù)指數(shù)增長型的三維成像方法，其特征在于所述多次門選通成像，其選通次數(shù)為n，n由欲探測的最近距離，最遠(yuǎn)距離和測距精度決定，且n最小次數(shù)為3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種距離子區(qū)間數(shù)指數(shù)增長型的三維成像方法。利用光脈沖配合接收器選通門進(jìn)行多次門選通成像獲得多幅二維光強(qiáng)圖像，每幅光強(qiáng)圖像是在不同的門選通或光脈沖的時(shí)序下獲得的，根據(jù)這些光強(qiáng)圖像中同一像素的相對光強(qiáng)關(guān)系能夠確定像素對應(yīng)目標(biāo)的距離子區(qū)間，距離子區(qū)間數(shù)隨著門選通成像次數(shù)增加呈指數(shù)增長變化，由不同門選通成像獲得的光強(qiáng)圖的同一像素光強(qiáng)的比值關(guān)系算出該像素對應(yīng)目標(biāo)在距離子區(qū)間內(nèi)的相對位置，通過確定每個(gè)像素對應(yīng)目標(biāo)的距離子區(qū)間和在距離子區(qū)間內(nèi)的相對位置可以確定每個(gè)像素的絕對距離，從而得到一幅三維圖像。本發(fā)明在測距精度不變的情況下，有效增大景深范圍；或在景深范圍不變的情況下，有效增大測距精度。
文檔編號G01S17/89GK101788673SQ20101010637
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月2日
發(fā)明者張秀達(dá), 上官王聘, 嚴(yán)惠民 申請人:浙江大學(xué)