[发明专利]稀疏孔径压缩计算关联飞行时间的三维成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及稀疏孔径成像领域，特别涉及一种稀疏孔径压缩计算关联飞行时间的三维成像系统及方法。

背景技术

光子计数飞行时间测量技术与方法是当前激光雷达和三维成像重要关键技术之一，美国林肯国家实验室率先研制出基于时间飞行的单光计数三维成像技术，实现了战场环境下隐蔽机动装备的成像，主要利用光子通过森林灌木丛多次反射实现隐蔽物体的测量。目前该方面技术已应用于民用领域，在国内，景山公园的景观树木的情况探测和防护就采用相同的技术实现了三维景观成像。另外，在考古等领域，重建古董的表面三维图像，时间飞行三维图像测量技术也有重要的应用价值。

主动式的深度获取系统为时间飞行三维图像测量系统的一种，如激光雷达和飞行时间照相机，它能获得高精度的深度信息，但也牺牲了空间分辨率。激光雷达和飞行时间照相机都能测量出发射光脉冲与场景反射到达探测器的时间差，以此获取深度信息。在激光雷达中，其空间分辨率是通过机械二维激光单元的扫描和单光子点探测器的探测。而在飞行时间照相机中，其采用的二维阵列探测器携带有测距像素元，以获取场景的深度信息。但扫描时间损耗限制了激光雷达系统的空间分辨能力，而阵列探测器的制作工艺难度和读取速度也限制了飞行时间照相机的发展，目前飞行时间照相机的最大像素数也仅有320×240，其深度获取的精度也由光源的脉宽所决定。鉴于以上缺陷，亟待发展出一种全新的主动测距且高空间分辨率的传感测量系统，在完成基本三维成像功能的基础上进一步地降低设备成本和系统复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的三维成像系统空间分辨率与深度信息的精度无法兼顾的缺陷，从而提供一种高效、使用方便的稀疏孔径压缩计算关联飞行时间的三维成像系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种稀疏孔径压缩计算关联飞行时间的三维成像系统，包括脉冲光源发射单元19、扩束透镜18、第四准直透镜17、随机光学调制单元16、偏振光分束器15、第一透镜14、束斑合成单元13、稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元、全反射镜20、会聚收光透镜21、光探测器22、飞行时间相关单元和压缩计算关联算法模块26；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束反射单元包括至少三个反射镜组；一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路；所述飞行时间相关单元包括脉冲宽度调节单元23、可调延迟单元24和同步信号源25；

所述同步信号源25同步发出两路信号，一路为所述脉冲光源发射单元19提供触发信号，另一路则通过所述可调延迟单元24、脉冲宽度调节单元23为所述光探测器22提供门控信号；所述脉冲光源发射单元19在所述同步信号源25发出的触发信号的控制下发光，所发出的光经所述扩束透镜18扩束、第四准直透镜17准直后照射到所述随机光学调制单元16，所述随机光学调制单元16根据调制散斑光场对光进行随机调制，然后通过所述偏振光分束器15将调制后的光反射到所述第一透镜14；接着依次通过所述束斑合成单元13、光束反射单元、自由空间准直单元以及稀疏孔径单元传播到待测物体；待测物体反射所接收到的光，反向传播通过稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束反射单元，到达所述束斑合成单元13，在所述束斑合成单元13上实现稀疏孔径直接成像，然后通过所述第一透镜14将稀疏孔径直接成像映射到所述偏振光分束器15；所述偏振光分束器15将所接收的光通过所述全反射镜20后进入所述会聚收光透镜21，接着通过所述会聚收光透镜21聚焦到所述光探测器22；所述光探测器22在所述同步信号源25发出的门控信号的控制下采集光信号，输出测量数向量；所述随机光学调制单元16中的阵列单元每调制一次，由所述同步信号源25记录下每次所述光探测器22上光子到达时间以作为时间戳信息，并通过所述可调延迟单元24为所述光探测器22加载与先后两束聚集光子团到达时间的间隔等长的延迟信号，以控制所述光探测器22门控信号的延迟到达，在该延迟时间间隔内累计探测到达的所有光强，实现光电信号采集和AD转换，然后将时间戳信息加入所述测量数向量中，输入到压缩计算关联算法模块26；所述计算关联算法模块26计算出随机光学调制单元16上的调制散斑光场自由空间传播到物面上的光场分布，以得到最终测量矩阵，并根据所述时间戳信息、最终测量矩阵和测量数向量通过压缩计算关联算法重构反射物体的三维图像。