一種基于同步觸發(fā)led和相機(jī)的主動成像方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于同步觸發(fā)LED和相機(jī)的主動成像方法與系統(tǒng)。數(shù)字處理器發(fā)出第一路控制信號控制發(fā)光二極管發(fā)出光脈沖，光脈沖經(jīng)目標(biāo)物體反射后再經(jīng)過成像鏡頭被外觸發(fā)相機(jī)接收，重復(fù)上述步驟2次到1億次后將目標(biāo)物體的圖像輸出。數(shù)字處理器第一路輸出與發(fā)光二極管相連，數(shù)字處理器第二路輸出與外觸發(fā)相機(jī)相連，發(fā)光二極管的光脈沖信號經(jīng)目標(biāo)物體反射后再經(jīng)成像鏡頭后被外觸發(fā)相機(jī)接收。本發(fā)明采用了成本低廉的發(fā)光二極管和外觸發(fā)相機(jī)，總體成本低廉；而且采用選通方式能有效消除后向散射光和雜散光的影響，降低霧、霾、雨、雪、煙和雜散光等各種惡劣天氣和工作環(huán)境對主動成像的干擾；總之本發(fā)明具有成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于同步觸發(fā)LED和相機(jī)的主動成像方法與系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及一種主動成像方法與系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于同步觸發(fā)LED和相機(jī) 的主動成像方法與系統(tǒng)?！颈尘凹夹g(shù)】[0002]目前的相機(jī)監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金融、交通和安全等領(lǐng)域。但是在霧、霾、雨、 雪等天氣條件下，或者在有煙、火等惡劣環(huán)境的干擾條件下，目前的普通相機(jī)監(jiān)控不能有效 進(jìn)行監(jiān)控。霧、霾、雨、雪、煙對主動成像的干擾主要是后向散射形式，火或車燈對探測照成 的干擾形式為雜散光形式。主動門選通成像技術(shù)可以有效克服后向散射和雜散光對探測造 成的干擾。主動門選通技術(shù)的特點(diǎn)是采用脈沖光的瞬間大功率抑制雜散光，利用探測器和 光源的延遲同步曝光來抑制后向散射光。傳統(tǒng)的主動成像系統(tǒng)需要增強(qiáng)CXDantensified CCD)相機(jī)和脈沖激光器及同步脈沖源，由于增強(qiáng)CCD和激光器的價(jià)格都非常昂貴，因此目 前缺乏廉價(jià)而可靠的監(jiān)控方式。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于同步觸發(fā)LED 和相機(jī)的主動成像方法與系統(tǒng)，能夠達(dá)到廉價(jià)可靠的主動監(jiān)控目的。[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一、一種基于同步觸發(fā)LED和相機(jī)的主動成像方法:1)數(shù)字處理器發(fā)出第一路控制信號控制發(fā)光二極管發(fā)出光脈沖；2)光脈沖經(jīng)目標(biāo)物體反射后再經(jīng)過成像鏡頭被外觸發(fā)相機(jī)接收；3)重復(fù)上述步驟I)?2)使得外觸發(fā)相機(jī)接收光脈沖2次到I億次后，將目標(biāo)物體的 圖像輸出。[0005]所述的步驟2)中的外觸發(fā)相機(jī)接收光脈沖的過程由數(shù)字處理器發(fā)出第二路控制 信號進(jìn)行控制。[0006]二、一種基于同步觸發(fā)LED和相機(jī)的主動成像系統(tǒng):包括數(shù)字處理器、發(fā)光二極管、成像鏡頭和外觸發(fā)相機(jī)，其特征在于:數(shù)字處理器第一 路輸出與發(fā)光二極管相連，數(shù)字處理器第二路輸出與外觸發(fā)相機(jī)相連，發(fā)光二極管的光脈 沖信號經(jīng)目標(biāo)物體反射后再經(jīng)成像鏡頭后被外觸發(fā)相機(jī)接收。[0007]所述的數(shù)字處理器為FPGA芯片、DSP或者嵌入式處理器。[0008]所述的發(fā)光二極管發(fā)出光脈沖的光波長范圍為300nm?llOOnm，發(fā)出光脈沖的寬 度范圍為10皮秒?10微秒。[0009]所述的成像鏡頭為透射式鏡頭、反射式鏡頭或折反式鏡頭。[0010]所述的外觸發(fā)相機(jī)為CCD相機(jī)或CMOS相機(jī)，具有外部觸發(fā)快門且最快響應(yīng)時(shí)間在 20皮秒?20微秒之間。[0011]本發(fā)明具有的有益效果是:本發(fā)明由于采用了成本低廉的發(fā)光二級管和外觸發(fā)相機(jī)，因此總體成本低廉。而且采 用選通方式而有效消除后向散射光和雜散光的影響，能夠有效降低霧、霾、雨、雪、煙和雜散 光等各種惡劣天氣和工作環(huán)境對主動成像的干擾；本發(fā)明具有成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)?！緦＠綀D】

【附圖說明】[0012]圖1是本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)框圖。[0013]圖2是本發(fā)明的探測時(shí)序原理圖。[0014]圖中:1、數(shù)字處理器，2、發(fā)光二極管，3、成像鏡頭，4、外觸發(fā)相機(jī)?！揪唧w實(shí)施方式】[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。[0016]如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括數(shù)字處理器1、發(fā)光二極管2、成像鏡頭3和外觸發(fā)相 機(jī)4 ;數(shù)字處理器I第一路輸出與發(fā)光二極管2相連,數(shù)字處理器I第二路輸出與外觸發(fā)相 機(jī)4相連，發(fā)光二極管2的光脈沖信號經(jīng)目標(biāo)物體反射后再經(jīng)成像鏡頭3后被外觸發(fā)相機(jī) 4接收。[0017]所述的數(shù)字處理器I為FPGA芯片、DSP或者嵌入式處理器。[0018]所述的發(fā)光二極管2發(fā)出光脈沖的光波長范圍為300nm?llOOnm，發(fā)出光脈沖的 寬度范圍為10皮秒?10微秒。[0019]所述的成像鏡頭3為透射式鏡頭、反射式鏡頭或折反式鏡頭。[0020]所述的外觸發(fā)相機(jī)4為CCD相機(jī)或CMOS相機(jī)，具有外部觸發(fā)快門且最快響應(yīng)時(shí)間 在20皮秒?20微秒之間。[0021]所述的數(shù)字處理器I為FPGA (Field-programmable gate array可現(xiàn)場編程陣 列)芯片、DSP (Digital Signal Processor數(shù)字信號處理器)或者嵌入式處理器。[0022]嵌入式處理器采用ARMS3C6410、TMS320EM64X等型號的常用嵌入式處理器。[0023]數(shù)字處理器I采用Altera公司的Cyclone系列FPGA，利用FPGA內(nèi)部的計(jì)數(shù)器 實(shí)現(xiàn)同步脈沖信號的發(fā)出，控制外觸發(fā)相機(jī)和發(fā)光二極管驅(qū)動器工作。發(fā)光二極管2采 用鼎公司的TK0H40IRP系列大功率LED及其驅(qū)動器，LED驅(qū)動器可以是T0RLABS公司的 DC2100LED驅(qū)動器。外觸發(fā)相機(jī)4采用Imaging Source公司的DMK系列相機(jī)。成像鏡頭3 采用AFTvision公司的VS系列光學(xué)變焦鏡頭。[0024]本發(fā)明的工作原理如下:由于光的具有一定的傳播速度，光由發(fā)光二極管發(fā)出后經(jīng)過目標(biāo)物體反射后回到相機(jī) 的時(shí)間ts如公式I所示:r, =ZS C(I)其中S為目標(biāo)物體到外觸發(fā)相機(jī)的距離，C為光速。[0025]數(shù)字處理器發(fā)出兩路控制信號，其中一路控制信號控制發(fā)光二極管發(fā)出光脈沖， 光脈沖被目標(biāo)物體反射后經(jīng)過成像鏡頭，由外觸發(fā)相機(jī)接收，該外觸發(fā)相機(jī)被數(shù)字處理器 輸出的另外一路控制信號所控制在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)光脈沖，外觸發(fā)相機(jī)在接收了多次光 脈沖后將圖像信號輸出。[0026]外觸發(fā)相機(jī)僅對在發(fā)光二極管發(fā)光后ts附近時(shí)刻的光進(jìn)行響應(yīng)。由于后向散射光發(fā)生的區(qū)域在系統(tǒng)和目標(biāo)物體之間，后向散射光到達(dá)外觸發(fā)相機(jī)的時(shí)刻小于ts，因此可 以有效降低后向散射光的影響。由于外觸發(fā)相機(jī)僅對在發(fā)光二極管發(fā)光后ts附近時(shí)刻的 光進(jìn)行響應(yīng)，雜散光一般是均勻分布在任意時(shí)刻或則隨機(jī)出現(xiàn)在某些時(shí)刻，因此不易被外 觸發(fā)相機(jī)所響應(yīng)，從而達(dá)到有效降低雜散光的效果。[0027]下面結(jié)合圖2探測時(shí)序原理圖對本發(fā)明具體工作過程做進(jìn)一步闡述:(I)數(shù)字處理器發(fā)出第一路控制信號控制LED發(fā)出窄的光脈沖，此時(shí)數(shù)字處理器不發(fā) 出第二路控制信號控制外觸發(fā)相機(jī)，即外觸發(fā)相機(jī)不工作。[0028](2)光脈沖處于往返途中時(shí)，在霧、霾、雨、雪、煙等惡劣天氣狀態(tài)下，會受到吸收、 散射、后向散射和和背景輻射等影響，尤其是強(qiáng)烈的后向散射光往往將有用的信號淹沒，使 接收器飽和而無法接收有用的光信號，這時(shí)外觸發(fā)相機(jī)是不響應(yīng)光脈沖的，這樣就擋住了 大氣中懸浮微粒引起的后向散射光。[0029](3)當(dāng)目標(biāo)反射的光脈沖到達(dá)外觸發(fā)相機(jī)時(shí)，數(shù)字處理器發(fā)出控制信號控制外觸 發(fā)相機(jī)工作，讓從目標(biāo)反射回來的光脈沖信號進(jìn)入外觸發(fā)相機(jī)。外觸發(fā)相機(jī)開啟時(shí)間根據(jù) 實(shí)際天氣情況確定，在晴朗條件下開啟時(shí)間大于脈沖時(shí)間，在霧霾雨雪惡劣天氣下則應(yīng)該 等于或小于光脈沖寬度。[0030](4)接收到從目標(biāo)反射回來的LED脈沖信號后，數(shù)字處理器停止發(fā)出第二路控制 信號，即外觸發(fā)相機(jī)不工作，使背景輻射等其他的干擾光不能進(jìn)入接收器。[0031](5)重復(fù)(I)至(4)的發(fā)射、接收過程η次，外觸發(fā)相機(jī)接受到η次圖像后輸出一 幅圖像。[0032]本發(fā)明方法包括如下步驟:1)數(shù)字處理器發(fā)出第一路控制信號控制發(fā)光二極管發(fā)出光脈沖；2)光脈沖經(jīng)目標(biāo)物體反射后再經(jīng)過成像鏡頭被外觸發(fā)相機(jī)接收；3)重復(fù)上述步驟I)?2)使得外觸發(fā)相機(jī)接收光脈沖2次到I億次后，在外觸發(fā)相機(jī) 上將目標(biāo)物體的圖像輸出。[0033]所述的步驟2)中的外觸發(fā)相機(jī)接收光脈沖的過程由數(shù)字處理器發(fā)出第二路控制 信號進(jìn)行控制。[0034]數(shù)字處理器采用Altera公司的Cyclone系列FPGA,利用FPGA內(nèi)部的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn) 同步脈沖信號的發(fā)出，控制外觸發(fā)相機(jī)和發(fā)光二極管驅(qū)動器工作。發(fā)光二極管采用鼎公司 的TK0H40IRP系列大功率LED及其驅(qū)動器，LED驅(qū)動器可以是T0RLABS公司的DC2100LED驅(qū) 動器。外觸發(fā)相機(jī)采用Imaging Source公司的DMK系列相機(jī)。成像鏡頭采用AFTvision 公司的VS系列光學(xué)變焦鏡頭。[0035]下面舉例該同步相機(jī)探測在45米至150米的樹木的具體工作過程:1)FPGA發(fā)出I個(gè)TTL觸發(fā)信號給發(fā)光二極管，發(fā)光二極管發(fā)出一個(gè)IOOns寬，能量為 IOOuJ的光脈沖照明樹木；FPGA在次觸發(fā)信號發(fā)出后經(jīng)過200ns后發(fā)出一個(gè)寬度為500ns 的TTL觸發(fā)信號給DMK系列相機(jī)的CCD感光積分信號輸入端。[0036]2)光經(jīng)過樹木反射后被VS系列光學(xué)變焦鏡頭收集到DMK系列相機(jī)的感光面上，由 于相機(jī)收到FPGA發(fā)出感光積分信號控制，僅能夠?qū)?5米到150米樹木返回的光信號響應(yīng)， 其他距離樹木返回的光信號不被相機(jī)響應(yīng)。[0037]3)由于一次積分返回的能量不足，F(xiàn)PGA重復(fù)以上過程1000次，此時(shí)(XD收集到足夠的光信號。然后FPGA發(fā)出一個(gè)寬度為10 μ s的TTL信號給DMK系列相機(jī)的讀出信號輸 入端，這樣CXD就將圖像信號輸出。[0038]上述【具體實(shí)施方式】用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的 精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于同步觸發(fā)LED和相機(jī)的主動成像方法，其特征包括以下步驟:1)數(shù)字處理器發(fā)出第一路控制信號控制發(fā)光二極管發(fā)出光脈沖；2)光脈沖經(jīng)目標(biāo)物體反射后再經(jīng)過成像鏡頭被外觸發(fā)相機(jī)接收；3)重復(fù)上述步驟I)?2)使得外觸發(fā)相機(jī)接收光脈沖2次到I億次后，將目標(biāo)物體的 圖像輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于同步觸發(fā)LED和相機(jī)的主動成像方法，其特征在于: 所述的步驟2)中的外觸發(fā)相機(jī)接收光脈沖的過程由數(shù)字處理器發(fā)出第二路控制信號進(jìn)行 控制。
3.用于實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的一種基于同步觸發(fā)LED和相機(jī)的主動成像系統(tǒng)，包 括數(shù)字處理器(I)、發(fā)光二極管(2)、成像鏡頭(3)和外觸發(fā)相機(jī)(4)，其特征在于:數(shù)字處理 器(I)第一路輸出與發(fā)光二極管(2)相連，數(shù)字處理器(I)第二路輸出與外觸發(fā)相機(jī)(4)相 連，發(fā)光二極管(2)的光脈沖信號經(jīng)目標(biāo)物體反射后再經(jīng)成像鏡頭(3)后被外觸發(fā)相機(jī)(4) 接收。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于同步觸發(fā)LED和相機(jī)的主動成像系統(tǒng)，其特征在于: 所述的數(shù)字處理器(I)為FPGA芯片、DSP或者嵌入式處理器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于同步觸發(fā)LED和相機(jī)的主動成像系統(tǒng)，其特征在于: 所述的發(fā)光二極管(2)發(fā)出光脈沖的光波長范圍為300nm?llOOnm，發(fā)出光脈沖的寬度范 圍為10皮秒?10微秒。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于同步觸發(fā)LED和相機(jī)的主動成像系統(tǒng)，其特征在于: 所述的成像鏡頭(3)為透射式鏡頭、反射式鏡頭或折反式鏡頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于同步觸發(fā)LED和相機(jī)的主動成像系統(tǒng)，其特征在于: 所述的外觸發(fā)相機(jī)(4)為CCD相機(jī)或CMOS相機(jī)，具有外部觸發(fā)快門且最快響應(yīng)時(shí)間在20皮 秒?20微秒之間。
【文檔編號】H04N5/232GK103561208SQ201310474458
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】嚴(yán)惠民, 張秀達(dá), 吳雨霖, 尹煜, 崔永勝 申請人:浙江大學(xué)