專利名稱：在3d成像系統(tǒng)中測定距離的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在三維成像系統(tǒng)中測定距離。
背景技術：
激光技術，例如LADAR(激光檢測和測距)或“LIDAR” (光檢測和測距)，目前正被應用于在三維成像系統(tǒng)中對目標進行成像。經(jīng)常來自激光源的光射向感興趣的目標。然后來自該目標的反射光聚集并聚焦在一個或多個光電檢測器上。例如，通過測定發(fā)射的光脈沖從發(fā)射源到目標并返回到檢測器的往返傳播時間， LADAR系統(tǒng)能測定到目標的距離。然而，使這種系統(tǒng)適合對遠程目標進行成像對可用裝置的靈敏度和速率構成了挑戰(zhàn)。在美國專利No. 5，446,5 (19卯)中，Mettner等人描述了放置在成像平面上以檢測兩維圖像幀的陣列檢測器，該圖像幀能被進一步處理以增強圖像。如果聚集了足夠的光并且所述目標的反射能夠區(qū)別于噪聲，那么該目標就能夠被這種系統(tǒng)識別。在一些激光成像系統(tǒng)中，掃描器或接收器掃描過目標，并且多激光脈沖用來探測所述目標的輪廓。這種方法的一個實施例在2004年5月11日授予Dimsdale等人的美國專利No. 6，734，849中示出。在美國專利No. 5,892,575(1999)中，Marino在另一方面公開了一種使用以非線性蓋革(Geiger)模式工作的單片光檢測器陣列進行場景(scene)成像的系統(tǒng)。在由該專利公開的一個無掃描器的實施方案中，處理器對目標場景成像，該目標場景成像是基于由光電檢測器陣列在陣列上多個位置處接收的目標反射的光子的往返傳播時間。迄今為止的方法比較復雜，因此制造和維修昂貴。所需要的是一種解決上述問題以及當閱讀以下描述時變得顯而易見的其它問題的用于成像的系統(tǒng)和方法。


圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的成像系統(tǒng)；圖2-4圖示了成像系統(tǒng)的其它實施方案；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的檢測器和計時電路；圖6圖示了能夠用在圖5的計時電路中的內插器；
圖7圖示了在圖5的計時電路中的Nutt內插法；圖8圖示了在圖5的計時電路中的兩個內插器電路的串聯(lián)；圖9圖示了基于模擬的電壓讀數(shù)的時間內插法；以及圖10-12圖示了根據(jù)本發(fā)明的共振器/衰減器。
具體實施例方式在以下優(yōu)選實施方案的詳細描述中，參考形成本文一部分的附圖，并且通過圖解示出了可以實施本發(fā)明的具體實施方案。應該理解在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可以使用其它的實施方案并且可以進行結構變化。在圖1中示出了用于創(chuàng)建目標場景101的高分辨率三維圖像的代表性系統(tǒng)100。 脈沖光源102、典型地為激光器，指向目標場景101。一些光從場景反射回來。檢測器陣列 104接收來自部分場景的光。從所述系統(tǒng)到單個檢測器的視場(field of view)中的部分場景101的距離是由從光照射所述場景部分以及然后返回到探測器104所需的時間來測定的。在圖1所示的實施方案中，成像系統(tǒng)100包括激光器102，光學器件103，檢測器陣列104，計時電路106，處理器108，存儲器110和顯示器112。在一個實施方案中(諸如圖1 中所示)，系統(tǒng)100還包括以下面將描述的方式用于校準系統(tǒng)100的共振器/衰減器114。 系統(tǒng)100測量來自每個兩維像素陣列的一個或多個目標的反射激光脈沖的往返時間，提供了毫米級精度和分辨率的圖像。在一個實施方案中，諸如圖2中所示，系統(tǒng)100包括連接到激光器132的脈沖發(fā)生器130。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生由激光器132轉變?yōu)楣饷}沖的電子脈沖。如果從電子脈沖的產(chǎn)生到光脈沖的產(chǎn)生的時間是可重復的，那么能夠從由脈沖發(fā)生器130電子脈沖的產(chǎn)生來測定傳輸時間。否則，就可以基于由激光器132產(chǎn)生光脈沖來測定傳輸時間。系統(tǒng)100測量來自每個一維或兩維像素陣列的一個或多個目標的反射激光脈沖的往返時間，提供了具有毫米級精度和分辨率的圖像。在圖2所示的實施方案中，光學器件 134和檢測器136接收從目標101反射的光。每個檢測器136與計時電路138連接。在一個實施方案中，每一個計時電路138包括多個內插器。光脈沖朝目標101傳輸以便一部分光脈沖作為反射脈沖從該目標反射。反射脈沖通過光學器件134并落在檢測器136上。光脈沖從目標101反射并到達檢測器136的一個或多個檢測器的時間用來測定到目標101的距離。在一個實施方案中，檢測反射脈沖的到達包括將該反射脈沖在預定時間間隔上進行積分以測定反射脈沖的特征，以及記錄表示該反射脈沖何時到達檢測器136的數(shù)值。然后以傳輸時間、接收時間和反射脈沖特征的函數(shù)的方式計算出距離。如上所述，在使用電脈沖激勵激光器132和激光器132發(fā)射光脈沖之間經(jīng)常有不可測定的延遲。在這種情況下，傳輸時間必須從發(fā)射光脈沖開始計算。在一個實施方案中， 系統(tǒng)100包括檢測器140和計時電路142，該檢測器和計時電路可以用來測定光脈沖的傳輸時間。圖3中示出了一個這樣的實施方案。在另一個實施方案中，如圖4中所示，所述光脈沖的一部分射向檢測器136。該部分光脈沖使用檢測器136和計時電路138以測定光脈沖的傳輸時間和振幅。
在一個實施方案中，檢測器陣列104和計時器陣列106作為兩種芯片的混合來實現(xiàn)，即檢測器陣列連接到處理電子單元陣列。在一個芯片上的每個檢測器連接另一個芯片上其各自的處理-電子單元。這限定了圖像中的一個三維像素。該陣列上的每一個處理-電子單元包含相同且唯一的積分電路，該積分電路能夠存儲一個或多個反射-脈沖的傳輸時間以及相關的反射-脈沖能量或峰值振幅。所有像素的傳輸時間和脈沖振幅信息可優(yōu)選地在激光脈沖之間讀出。在替代實施方案中，檢測器陣列和它們相關的處理-電子單元分布于整個積分電路。雖然這具有提供接收光子的表面面積的比率更小的缺點，但是由于兩個芯片不需匹配， 因而生產(chǎn)該實施方案可以經(jīng)濟地多。任何脈沖激光雷達系統(tǒng)的核心原理是測量發(fā)射脈沖和接收反射脈沖之間的時間。 光以其傳播介質中的光速Cm傳播。從而對于一個距離d米的目標來說，往返時間是t = 2d/ cm。在空氣中大概是6. 7pSec/mm，所以在毫米級分辨率的脈沖激光雷達中的根本問題是將時間測量到幾皮秒的精度。一些技術已經(jīng)成功的在單像素系統(tǒng)中實施毫米級測量，但是由于各種原因，將它們應用于傳感器陣列仍然有些困難。雖然已經(jīng)做了大量的在聚焦平面陣列中將時間間隔測量到毫米級精度的嘗試，但是迄今為止，所有嘗試都達不到此目標的要求。圖5中示出可以用于圖1-4的系統(tǒng)100的計時電路138。返回的光被檢測器150 檢測并被轉換為電信號。該電信號被跨阻放大器(TIA)152放大，然后由鑒別器IM轉變成適合觸發(fā)觸發(fā)器的信號。當檢測到第一脈沖時，觸發(fā)器156的輸出為高，并且僅僅當檢測到第二脈沖時，觸發(fā)器158的輸出為高。兩脈沖的到達時間由時間轉換器160和162轉換成數(shù)字信號并通過多路復用器168讀出。在一個實施方案中，計時電路138包括門控積分器164和166。通過在從稍微早于脈沖開始直到稍微晚于脈沖結束之間、將該信號積分，測定兩脈沖的振幅。在更容易執(zhí)行的替代實現(xiàn)中，可以采用峰值檢測器而不是門控積分器。雖然執(zhí)行更簡單，但是由于脈沖峰值不是脈沖能量的一個好的單調指示物，因此峰值檢測器很可能提供較差的性能，特別是當檢測器在非線性區(qū)域內工作的時候。當在脈沖超過閾值的時刻之間進行相關計時測量、以及在要求的精度顯著小于脈沖上升時間的時候，脈沖強度的測量在進行精確的距離測量中是關鍵的。當從目標返回的脈沖越大，超越閾值就越快，并且這產(chǎn)生了明顯短的距離(測距誤差)。諸如由門控積分器所提供的精確的脈沖強度測量提供了一種用于在距離測量中校正這種明顯誤差的有效裝置。在替代的實施方案中，峰值檢測器可以用來估計脈沖強度；然而這提供了精確度小得多的距離校正-特別是當檢測器在飽和區(qū)工作的時候。在單像素激光雷達實現(xiàn)中，通過引入幾個納秒的延遲線，所述門控積分器可以在被接收的脈沖到達前被觸發(fā)。然而，在陣列實現(xiàn)中，禁止在每個像素引入這種延遲線。在一個實施方案中，如圖5中所示，一對門控積分器塊(block) 164和166用于每個起始和終止脈沖。在一個這樣的實施方案中，每個門控積分器包括一對交替動作以找到這些脈沖中的每個脈沖的強度的門控積分器。在一個這樣的實施方案中，每個門控積分器能在至少與將被觀測到的最長的脈沖一樣長時間的時間內進行積分。當檢測到返回脈沖時，積分器之間的交替停止，并且最后的積分脈沖用來校正距離測量。在一個實施方案中，當反射脈沖到達檢測器136時，它們的長度在1-20納秒之間。在這樣的一個實施方案中， 可以設計在具有10納秒重疊的20納秒間積分的門控積分器164和166。下面將描述一種測定光脈沖的傳輸時間的方法。測量兩個脈沖之間的時間間隔最簡單的方法是當所述第一脈沖到達時啟動計數(shù)器，當?shù)诙}沖到達時停止計數(shù)器并記錄計數(shù)值。該計數(shù)值乘以時鐘周期就是所述時間。該方法的基本問題是為了具有1毫米的分辨率，時鐘頻率必須接近200吉赫(GHz)。對于大的傳感器陣列來說這既不經(jīng)濟也不實用。計時電路138兩倍或多倍的延長所述時間間隔，以便可以使用更合適的時鐘頻率以獲取預期的精度。在一個實施方案中，每個時間轉換器160和162都包括至少一個內插器。內插器測量在異步事件和隨后的主時鐘脈沖之間的時間。在一個實施方案中，每個內插器都包括以與放電不同的速率對電容器充電的內插器電路180。圖6中示出了內插器電路180的實施例。圖7示出了時序圖的實例。這個內插器的基本概念是當所述第一脈沖到達的時候，在電容器上創(chuàng)建線性充電斜率，在固定量的主時鐘脈沖之后這個電容器開始以不同的速率放電，并且啟動在主時鐘脈沖上的記數(shù)器直到該電容器到達其初始狀態(tài)。執(zhí)行本過程的儀器前面被稱為Nutt內插
ο在工作中，計時電路138計算在第一脈沖到達和第二脈沖到達之間的主時鐘的時鐘脈沖的數(shù)量。此外，內插器應用于每一脈沖來測量兩脈沖之間的時間以獲得幾倍于主時鐘脈沖精度的精度。如果從所述第一脈沖到隨后的主時鐘脈沖的時間是TA，從所述第二脈沖到隨后的主時鐘脈沖的時間是Tb，并且在這兩個可選擇的時鐘脈沖間的時間是T。，那么在兩脈沖之間總的時間將是T = TA+TC-TB。Tc將以整數(shù)個主時鐘脈沖被精確地測量。時間間隔1\和Tb能被一對將所述時間有效延長潛在的大因子的內插器估計，使得可以使用相同的主時鐘計數(shù)得以精確測量。如圖6中所示，在觸發(fā)事件(諸如脈沖)到達之前，積分電容器182被上方的電流源184保持在高電平。當啟動時，觸發(fā)器186等待脈沖并且啟動粗略計數(shù)器(coarse counter)。當脈沖到達的時候，觸發(fā)器186計時，并且依次使積分電容器180由下方的電流源185高速放電，并且啟動精密計數(shù)器(fine counter)。當觸發(fā)器188的跳變通過同步觸發(fā)器188和190傳播時，然后積分電容器182再次被上方的電源184充電。當比較器192 的輸出端顯示積分電容器回到其初始水平時，精密計數(shù)器被禁用。在一個內插器實施方案中，兩個或多個分離的內插器電路180串聯(lián)，當前述電容器返回到閾值時，一個內插器電路180觸發(fā)放電。圖8中示出了用于具有兩個內插器電路 180的內插器的時序圖的實例。在一個這樣的實施方案中，內插器包括五個或六個串聯(lián)的內插器電路180 ；當前述電容器返回到閾值時，一個內插器電路180觸發(fā)放電。在一個五內插器電路的實施方案中，時鐘以100兆赫工作且為每個電容器充電的速率是放電速率的8-16倍(對應于3或4 比特)。如果充電速率是放電速率的8倍，這種實施方案導致放電速率的8~5或32，768倍的總內插速率。例如內插電容器可以是849fF的數(shù)量級，放電/充電電流大約是200-800nA。不管強度測量的數(shù)值是否與峰值檢測或門控積分器相一致，它都可以在像素上數(shù)字化并作為數(shù)字值被多路復用或者它可以作為片外(off-chip)模數(shù)轉換器的模擬電壓被多路復用。正如被用來測量內插電壓一樣，幾乎相同的電路足以將所述強度數(shù)字化，計數(shù)器將測定將所存儲的電壓減少到初始數(shù)值需要多長時間。替代的方法是提供一種計時內插的單斜率測量法，保存內插器上的電壓直到執(zhí)行了所有的像素測量。在那點上，使用模擬多路復用器而不是在雙斜率器件中提供的數(shù)字多路復用器，可以將內插值復用到芯片外。然后這些數(shù)值可以被片外模數(shù)轉換器轉換。在圖 9中示出了用于這種方法的時序圖的實例。當檢測到脈沖時，電容器將以固定的速率充電直到隨后的主時鐘脈沖跳變。在電容器上的電壓值將與該脈沖和該時鐘沿之間的時間成正比。在這種情況下，多路復用器將模擬電壓傳輸?shù)叫酒?。在單斜率計時內插器的情況下，可優(yōu)選使用模擬多路復用器以將內插器和強度測量傳送到片外。如上所述，系統(tǒng)100還可以包括用于校準系統(tǒng)100的共振器/衰減器114。使用單個像素進行高精度測量的一個阻礙是在工作中可能出現(xiàn)的電路特性的變化，包括激光脈沖特性的變化，環(huán)境條件的變化和老化。此外，在陣列內單個像素可能表現(xiàn)不同，并且它們表現(xiàn)的變化可以不隨環(huán)境條件或時間而變化。而且，當檢測器在飽和區(qū)工作時，強度測量可以不成線性。因此，加入允許系統(tǒng)在整個陣列內校正這樣表現(xiàn)的元件是重要的。在一個實施方案中，增加了光纖共振器/衰減器以描述單像素的特性及其以脈沖特性、環(huán)境條件和老化的函數(shù)方式的變化，以及其在所述陣列內特性變化的特征。該裝置的主要功能是向接收器提供已知距離的信號，基本上模擬了當提供測試目標并在儀器的范圍內時該接收器將會經(jīng)歷的情況。當在校準模式中時，該儀器將被提供一系列來自共振器/ 衰減器114的脈沖，并且從該儀器獲得的測量結果將隨后用于調整來自真實目標的測量。共振器/衰減器114的機械結構可以如圖10中所示。共振器/衰減器114包括可變衰減器200、光纖耦合器202、光纖共振器204和光纖準直儀206。來自激光器102的小脈沖樣本通過可變衰減器200到光纖耦合器202。該衰減器200允許模擬寬范圍的返回信號振幅，并且測定其對明顯的往返時間延遲的影響。還可以設置該衰減器以防止激光脈沖通過這條路徑到達檢測器陣列104 ；如果那樣的話到達檢測器陣列的僅有的能量是來自正被測量的遠程目標。在一個實施方案中，使用光纖208和的耦合器210裝配光纖衰減器204，如圖 11中所示。如果激光脈沖的帶寬足夠小，那么光纖208可以是多模光纖，但是如果光纖的帶寬足夠大而導致在預期的光纖長度上相比于要求的計時精度產(chǎn)生顯著偏移，那么光纖需要是單模光纖。耦合器210在兩輸出端口之間以任何方便的分布方式分布輸入的脈沖。例如，傳送到50-50耦合器的輸入端的脈沖將向每個輸出端口發(fā)送一半的能量，所以該能量的一半將被傳送到探測器陣列，并且另一半將被傳送到耦合器的輸入端，延遲與連接的光纖的長度成正比。這將持續(xù)的重復，向光纖準直儀206傳送脈沖序列。光纖準直儀204將出現(xiàn)的激光脈沖耦合到檢測器陣列104上。出現(xiàn)的脈沖優(yōu)選地同時到達檢測器陣列中的每個像素，但是如果整個陣列上到達的時間變化是幾何決定并可重復的，那么也是可以接受的。在替代的實施方案中，多光纖束212用來模擬多個時間延遲?？梢允褂门c系統(tǒng)工作以獲得數(shù)據(jù)時、檢測器所經(jīng)歷的近似相同的一組距離來選擇這些光纖。圖12中示出了這種方法。最后，在第三實施方案中，光纖共振器是端部具有涂層以便其部分反射的單模光纖或多模光纖。相對于其它方法，這種方法具有兩個明顯的缺點1)第一脈沖比隨后的必須兩次穿過光纖的脈沖到達更快；以及幻輸入端面上的反射涂層將削弱所有的脈沖并且將其反射回激光器102。來自共振器/衰減器114的脈沖的數(shù)量和間隔將取決于共振器的特定結構。然而， 該間隔在光纖的特定溫度下將非常穩(wěn)定。對應于這些脈沖間的間隔的有效光纖長度能夠描述為溫度的函數(shù)。替代地，可以利用其傳播幾乎和溫度無關的光纖，雖然這種光纖可能更難制造并且制造成本更高。在使用中，校準儀校正現(xiàn)場測量目標的明顯的距離走動。在構架系統(tǒng)的時候，計時電路106或138將用來測定來自共振器/衰減器114的脈沖的明顯的距離走動。記錄這些數(shù)值。可以假設共振器/衰減器114中的光纖將不會隨時間而改變其長度或折射率。然后，當測量新目標的時候，該目標的測量距離將根據(jù)校準的明顯的距離走動而更改。例如， 如果校準儀測量表明正測量的所有時間間隔都長了 . 5%，那么實際目標的測量也增加相同的量。校準儀也可以用來測定由于返回強度變化的測量距離變化。由于來自校準儀的脈沖的間隔與強度無關，所以可以改變衰減并且可以記錄脈沖強度測量和時間間隔測量。這可以用來生成測量的強度和測量的時間的比較的表格。然后該表格可以用作對于真實目標測量的修正，以便只要傳感器的環(huán)境條件保持不變，那么不同強度但是相同距離的目標會顯示具有相同的距離。當環(huán)境確實改變的時候，必須獲取新的修正表格。這個程序顯著的增加了系統(tǒng)的分辨率和精度。已經(jīng)描述了使用部分涂層的單模光纖來校正掃描單檢測器雷達系統(tǒng)(例如參見專利6，246, 468)。然而，當使用窄頻率激光的時候，多模光纖提供了足夠的精度，產(chǎn)生了更加經(jīng)濟和可制造的元件。在激光脈沖上升時間與預期精度可比的情況下，不再需要距離走動校正(range walk compensation)，并且不再需要脈沖強度測量。當接收檢測器陣列以如上述Marino中的非線性Geiger模式工作時，單個的接收光子在接收器中就能產(chǎn)生狀態(tài)轉移。在這種情況下，接收脈沖強度的測量僅能在統(tǒng)計基礎上測定。然而，如果脈沖足夠大而被探測到的概率很大，那么最有可能的是接收的光子在激光的上升時間出現(xiàn)。因此，如果激光脈沖的上升時間與所預期的精度可比，那么不再需要脈沖強度測量來校正任何明顯的距離走動。因而為了達到5mm的分辨率，上升時間少于35皮秒的激光脈沖將足以確保不再需要距離走動修正。當所述列陣用于測量位于相機中心的球的內部時，所有的像素都應該報告相同的距離。此外，這對于任何尺寸的球狀體都是正確的。然而，計時偏移和標度的變化將導致測量偏離這種理想狀態(tài)?？梢蚤_發(fā)每一像素的偏移和修正表格，并且通常這可以利用任何已知表面在多于一個距離處來實現(xiàn)。通常，在兩個或多個距離處測量一個平整表面，然后將測量的結果應用于在隨后測量中的所有像素。然而，如果在工廠中創(chuàng)建了修正表格，該修正不太可能隨時間和溫度而保持恒定達到毫米級的精度，主要因為隨著溫度和老化元件參數(shù)的變化。必須周期地應用該程序。然而，該程序不能方便地應用于現(xiàn)場，因為合適的平整表面不太可能方便地可用。即使合適的固定設備可用，也不知道應該何時或每隔多久應用所述的固定裝置。此外，需要系統(tǒng)操作者執(zhí)行特定的程序，并且其將來的結果將取決于遵循該程序的好壞程度。由于元件的幾何結構不會改變，所以該共振器陣列每次將相同的脈沖延遲模式施加于檢測器陣列。可以用現(xiàn)場評估該陣列均勻性的時刻的明顯差異、來補充對整個陣列的明顯差異的單次工廠校準，并且當這些修正的總和應用于真實目標的時候，所述修正的總和能被應用于每個像素。盡管計時內插器被設計成對異步事件和系統(tǒng)時鐘脈沖之間的經(jīng)過時間進行精確、 線性測量，但是真實的電路僅可以提供近似值。當試圖進行具有皮秒精度的測量并且當內插率大的時候，所述差異變得非常重要。如果脈沖到達時間與系統(tǒng)時鐘不一致，那么可以非常精確的測定每個像素的非線性特征。如果是那樣的話，進行測量，其產(chǎn)生一個潛在內插值的概率將與相關脈沖到達分配給所述內插值的相關時隙的概率成正比。所以如果將時鐘周期之間的時間T分成M 個具有端點t。，. . .，tm的時隙，對所有像素的大量時間測量將導致時間測量的分布Ink ；k =1...M}，其中內插值在這些時隙中；即在每種情況下，隨增量Iii,我們看到內插值t，t^ < t <、。如果內插器完全成線性，那么這種分布將是均勻的；就分布不均勻來說，可以
期望將來測量的線性化，以傳送較高的精度。如果測量的全部數(shù)量是w，那么落在
k
第k個時隙中的測量比的近似數(shù)值是nk/N?；谶@些評論有幾種類似并合理的方法來修正將來的測量，但是切合實際的(并且成功的)方法是為每個新內插值分配與該內插值在其中發(fā)生的時隙的中心相關的時間。因此，一組切合實際的近似修正因子可以估計為 τ
k K當進行將來計時測量且在系統(tǒng)時鐘值之間的內插值位于、和tk之間的時候，數(shù)值G將用于替換該內插值。接下來將討論斜率校正(slope compensation)。當所測量的表面不垂直于激光雷達的時候，必須進行另外的計算以增強系統(tǒng)的精度。例如，如果在目標對象上的輸出激光束直徑為5mm，但是到達相對于法線傾角為60度的表面上，返回脈沖將分布在接近9mm范圍的區(qū)域內。因而，返回脈沖可能長達58皮秒，即使輸出脈沖是瞬間的。通常，計算出的距離在所觀察的返回點內的某處。如果預期距離是該點的中心，通常的情況正是如此，必須知道表面法線以為脈沖寬度增加而調整距離走動，否則距離走動修正將比所需要的小大約加長的脈沖量。使用兩步驟過程以獲得傾斜表面上增強的距離信息。盡管會低估到傾斜表面的距離，但是如果相鄰樣本在同樣的區(qū)域內，那么將能很好地估計這些表面的法線。因此，未修正的數(shù)據(jù)可以獲取表面法線的好的估計值。那么在第二步驟，根據(jù)該法線估計通過增加所述第一距離估計可以測定到所述激光點中心的距離。接下來將討論過采樣，在一些情況下，在獲得數(shù)據(jù)之后可以增強距離圖像以及相關的強度圖像的空間分辨率。這對于由激光雷達陣列獲取的距離圖像和由故意過采樣的激光掃描儀獲取的距離圖像來說都是正確的。用于距離圖像增強的算法類似于已經(jīng)用在數(shù)字攝影中的算法。假設o(x，y)表示與目標相關的距離分布，并且假設r(x，y)表示與所述目標的模糊圖像相關的距離分布。我們假設圖像所經(jīng)歷的模糊是線性的、空間不變的變換，可由一個已知的空間不變的點分布函數(shù)s(x，y)描述。那么目標與圖像關聯(lián)由以下公式表示r(x, y) = / / ο ( ξ，η) s (χ- ξ , y- η) d ξ d η基于測量的距離圖像r(x，y)和已知的點分布函數(shù)s (x，y)，我們設法獲得ο (x，y) 的估計值0(υ)。利用頻域中的目標和圖像之間的關系，
權利要求
1.一種對三維目標成像的方法，包括 在成像平面中安裝檢測器陣列；將所述檢測器陣列中的每一個檢測器連接到具有一個或多個內插器的計時電路，其中，每個內插器包括一個或多個內插器電路，其中每個內插器電路以與其放電不同的速率對電容器充電；朝目標傳輸光脈沖，以便所述光脈沖的一部分作為反射脈沖從所述目標反射，其中，傳輸所述光脈沖包括記錄第一數(shù)值，其中所述第一數(shù)值表示所述光脈沖何時被朝所述目標傳輸；檢測所述反射脈沖到達所述檢測器陣列中的一個或多個檢測器，其中，檢測所述反射脈沖的到達包括測定表示所述反射脈沖的振幅的反射脈沖特征；以及記錄第二數(shù)值，其中，所述第二數(shù)值表示所述反射脈沖何時到達所述檢測器； 以所述第一數(shù)值和第二數(shù)值以及所述反射脈沖特征的函數(shù)的方式計算到所述目標的距離；接收所述三維目標的一組空間測量； 測定所述目標的表面法線的近似值； 基于所述表面法線估計距離修正；以及將所述距離修正應用于所述一組測量。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中測定所述目標的表面法線的近似值包括以未修正的距離數(shù)據(jù)的函數(shù)的方式估計所述表面法線，并且其中估計距離修正包括確定將距離測量改變多少以使所計算的距離測量更接近對于所估計的表面法線預期的距離測量。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中測定反射脈沖特征包括在預定時間間隔內對所述反射脈沖進行積分。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中測定反射脈沖特征包括檢測峰值振幅。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中記錄第二數(shù)值包括監(jiān)控所述檢測器以檢測所述反射脈沖何時超過閾值，記錄對應于所述反射脈沖超過所述閾值的檢測時間，并且以所述反射脈沖特征的函數(shù)的方式修正所述檢測時間。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中兩個或更多個內插器電路串聯(lián)，并且其中記錄第二數(shù)值包括在所述反射脈沖到達所述檢測器時啟動第一內插器電路以及在所述第一內插器電路達到預定電壓后啟動第二內插器電路。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中傳輸光脈沖包括將所述光脈沖的一部分指向檢測器，并且其中記錄第一數(shù)值包括檢測所述光脈沖的所述部分到達所述檢測器。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中記錄第二數(shù)值包括在所述反射脈沖到達所述檢測器時啟動所述內插器電路中的一個，并且捕獲電路電壓，該電路電壓表示在隨后的時鐘沿上所述第一電容器上的電荷。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中啟動所述內插器電路中的一個包括以第一速率將該內插器電路的電容器放電直到隨后的主時鐘的跳變。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中啟動所述內插器電路中的一個包括 以第一速率將該內插器電路的電容器放電直到隨后的主時鐘的跳變；以及捕獲該內插器電路的電容器兩端的電壓。
11.一種用于制成目標的三維圖像的系統(tǒng)，包括激光器，其中所述激光器產(chǎn)生光脈沖并將所述光脈沖投射到目標上，以便所述光脈沖作為反射脈沖被反射；檢測器陣列，其中所述檢測器陣列包括多個檢測器，其中所述檢測器被定向以接收所述反射脈沖；連接到所述檢測器陣列的計時電路，其中所述計時電路測定所述反射脈沖何時到達所述檢測器陣列上的檢測器，其中所述計時電路包括一個或多個內插器，其中每個內插器包括一個或多個內插器電路，其中每個內插器電路以與其對電容器放電不同的速率對所述電容器充電；以及連接到所述計時電路的處理器，其中所述處理器將所述光脈沖傳輸時間計算為在所述光脈沖被投射到所述目標上以及從所述目標反射的脈沖到達所述檢測器陣列上的檢測器之間的時間，以測定到所述目標的距離；其中所述處理器以所計算的傳輸時間的函數(shù)的方式計算到所述目標的距離；并且其中所述處理器通過以下所述修正所計算的距離測量接收所述三維目標的一組空間測量；測定所述目標的表面法線的近似值；基于所述表面法線估計距離修正；以及將所述距離修正應用于所述一組測量。
12.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述處理器通過以未修正的距離數(shù)據(jù)的函數(shù)的方式估計所述目標的表面法線來測定所述表面法線的近似值，并且其中所述處理器通過確定將距離測量改變多少以使所計算的距離測量更接近對于所估計的表面法線預期的距離測量來估計距離修正。
13.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中每個內插器電路包括 可以被設置成預定初始狀態(tài)的計時電容器；用于在檢測到脈沖時以第一預定速率對所述電容器充電的裝置；以及用于以第二預定速率對所述電容器放電直到所述電容器返回到其初始狀態(tài)的裝置。
14.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述計時電路包括用于存儲表示所述反射脈沖的峰值的數(shù)值的裝置。
15.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述計時電路包括用于存儲表示所述反射脈沖的積分的數(shù)值的裝置。
16.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述檢測器陣列還包括用于在所述激光器和檢測器陣列之間耦合共振器/衰減器的裝置。
17.一種修正三維目標的距離測量的方法，包括以下步驟 實施所述三維目標的一組空間測量；測定所述目標的表面法線的近似值； 基于所述表面法線估計距離修正；以及將所述距離修正應用于所述一組測量。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中測定所述目標的表面法線的近似值包括以未修正的距離數(shù)據(jù)的函數(shù)的方式估計所述表面法線，并且其中估計距離修正包括確定將距離測量改變多少以使所計算的距離測量更接近對于所估計的表面法線預期的距離測量。
全文摘要
一種對目標成像的系統(tǒng)和方法。在成像平面中安裝檢測器陣列。所述陣列檢測器中的每個檢測器都連接到具有內插器的計時電路，其中所述內插器包括以與放電不同的速率對第一電容器充電的第一電路。光脈沖朝目標傳輸，以便所述光脈沖的一部分作為反射脈沖從所述目標反射，并且記錄表示何時所述光脈沖朝所述目標傳輸?shù)牡谝粩?shù)值。所述反射脈沖在一個或多個檢測器上被檢測，并且記錄所述脈沖的脈沖特征和表示何時所述反射脈沖到達所述檢測器的第二數(shù)值。然后以所述第一和第二數(shù)值以及反射脈沖的特征的函數(shù)的方式計算到所述目標的距離。
文檔編號G01S7/486GK102411145SQ201110240920
公開日2012年4月11日 申請日期2005年7月6日 優(yōu)先權日2004年7月6日
發(fā)明者J·迪米斯戴爾 申請人:拓普康定位系統(tǒng)公司