[发明专利]一种脉冲增益调制式单像素三维成像系统及方法

说明书

一种脉冲增益调制式单像素三维成像系统及方法，涉及三维成像技术，目的是为了满足三维成像技术的发展需求。本发明利用脉冲激光器作为照明光源，用光场调制器将发射光调制为空间随机分布的散斑光场去照明目标，用单元时间分辨探测器收集从目标上返回的所有光信号，利用探测器的调制增益对信号的时间信息进行编码，经积分器累积传给计算机进行保存，同时记录散斑光场的随机分布，多次改变随机散斑场，分别进行记录，最终可解算出目标的三维像。该方法不需要对信号进行高速采样，大大地减小了系统的硬件开销，同时提高了系统的成像速度，而且使系统的分辨率摆脱了高速采样带宽的限制。

技术领域

本发明涉及三维成像技术。

背景技术

目前常用的二维光学成像手段都是基于CCD、CMOS这样的阵列探测器。而三维光学成像(三维图像也称为距离图像，三维即X、Y、X三个维度)的实现目前仍是比较困难的问题。因为CCD、CMOS这样的成熟阵列都属于积分器件，只能探测光信号的强度，而无法分辨光信号的时间信息。而具有时间分辨能力的光探测器阵列如APD阵列的技术还不够成熟，不仅价格昂贵、而且目前商用的只有32*32这样的小阵列，很难实现高分辨的三维成像。今年来出现的单像素成像相机为这一需求提供了一条有希望的解决途径。目前大多数的单像素成像技术是面向二维成像的，少数三维单像素成像技术都需要对信号进行高速采样、后续要对大量的数据进行复杂的运算，极大地增加了系统的硬件开销，同时降低了系统的成像速度，而且系统的分辨率受到高速采样带宽的限制。

发明内容

本发明的目的是为了满足三维成像技术的发展需求，提供一种脉冲增益调制式单像素三维成像系统及方法。

本发明所述的一种脉冲增益调制式单像素三维成像系统包括脉冲激光器1、单元探测器2、光场调制器3、扩束光学系统4、发射/接收光学系统5、电压调制源6、放大器7和积分器8；

脉冲激光器1用于产生脉冲激光，所述脉冲激光通过扩束光学系统4扩束后入射至光场调制器3；

所述光场调制器3用于在计算机10产生的随机矩阵的控制下产生随机光场，该光场通过发射/接收光学系统5发射出去，对目标进行照明；

发射/接收光学系统5接收目标返回的光波；

单元探测器2用于对返回的光波进行光电转换；

电压调制源6用于在计算机10的控制下产生单调变化的增益调制信号，该调制信号用于对单元探测器2输出的探测信号进行调制；

调制后的探测信号经放大器7放大后再经积分器8进行积分，积分结果发送至计算机10。

本发明所述的一种脉冲增益调制式单像素三维成像方法为：

步骤一、光源产生的脉冲激光发射至光场调制器3上；

所述光场调制器3在计算机10产生的随机矩阵的控制下产生随机图样，进而产生随机光场，该光场用于对目标进行照明；

采用单元探测器2探测目标返回的光波；

步骤二、利用电压调制源6产生单调变化的增益调制信号，并利用该调制信号对单元探测器2输出的探测信号进行调制，信号强度与时间一一对应，相当于将接收信号的时间信息转化为强度信息；

步骤三、对调制后的探测信号放大后再积分；

计算机10每改变一次随机矩阵，便得到一个积分值；

多个随机矩阵构成随机散斑序列，多个积分值构成积分值序列；

将随机散斑序列与积分值序列进行相关运算或压缩感知运算，得到的图像矩阵为调制增益编码图像矩阵；