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浙江大学硕士论文三维测距成像的并行鉴相接收系统研究中文摘要 摘要 r ， 一土三维测距成像技术作为一种新型成像技术，可以广泛应用于工业无损检测，交通 、 智能避障，军事目标识别等领域，拓展各种智能系统获取环境信息的能力。厂 本论文介绍了基于并行相关鉴相原理的三维测距成像系统的基本原理，鉴相接收 子系统设计等方面内容。并且通过一系列实验验证了正弦波与方波并行相关鉴相测距 原理的可行性，基于c c d 的并行相关鉴相器的可靠性，以及基于m c p 像增强器和 c c d 摄像机的三维成像鉴相接收子系统的实用性。同时本论文还为进一步应用三维 测距成像技术提出了发展的方向。 、 本论文分为几个部分详细介绍了课题的研究内容。第一部分是对三维成像的几种 常用方法的总结和比较，并且对这些方法的基本原理，应用范围等方面进行了讨论。 第二部分着重讨论本课题选择的正弦波与方波信号并行相关鉴相测距成像的方法。第 三部分本课题所设计的三维测距成像系统的关键性器件如m c p 像增强器，c c d 图像 传感器的性能以及在系统中的独特功能进行了分析。第四部分介绍了本课题中三维测 距成像鉴相子系统的设计。对于系统各个部分的功能和实现方法进行了充分探讨。第 五部分是对所设计的系统的进行测试的部分实验数据和系统误差的分析。 关键词：三维测距成像，时间飞行法，并行相关鉴相，高速信号处理器，电荷耦合 群_ 弋勰 浙江大学硕士学位论文三维测距成像的并行鉴相接收系统研究 英文摘要 t h r e ed i m e n s i o n a lr a n g ei m a g et e c h n i q u e sa r ea tai m p o r t a n te v o l u t i o n a r ys t a g ei n i n d u s t r yc o u n t r i e si nt e r m so fa p p l i c a t i o n ss u c ha sn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，r e v e r s ev i r t u a l r e a l i t y , v e h i c l ea u t oa v o i d a n c ea n dt a r g e ti d e n t i f i c a t i o ni nm i l i t a r y t h e yh a v et h ep o t e n t i a l t oi m p r o v et h e s e i n t e l l i g e n ts y s t e m s a b i l i t yt oa c q u i r ee n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ft h r e ed i m e n s i o n a lr a n g ei m a g i n g t e c h n i q u e sa n d t h e i rr e c e i v es y s t e mb a s e do nc o r r e l a t i v ep h a s ed i s c r i m i n a t o r i nt h i sp a p e r w ea l s op r o v i d es o m ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st op r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h r e ed i m e n s i o n a l r a n g ei m a g i n g ，t h er e l i a b i l i t y o fc o r r e l a t i v ep h a s ed i s c r i m i n a t o rb a s e do nc c d ，t h e p r a c t i c a b i l i t y o fr a n g ei m a g er e c e i v e s y s t e mb a s e do nm c pi m a g ei n t e n s i f i e ra n dt h e i m p r o v e m e n t s o f t h es y s t e m t h i sp a p e rc a nb ed i v i d e di n t of i v ep a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，w es u m m a r i z e ds e v e r a lt h r e e d i m e n s i o n a li m a g i n gt e c h n i q u e s c h a r a c t e r i s t i c sa n dm a d eac o m p a r ea m o n gt h e m i nt h e s e c o n dp a r t ，t h ed i s c u s s i o nf o c u s e do nt h ep r i n c i p l eo fs i n ew a v ea n ds q u a r ew a v e c o r r e l a t i v ep h a s ed i s c r i m i n a t i o np r i n c i p l e i nt h et h i r dp a r tw e a n a l y z e d t h ep e r f o r m a n c eo f t h i ss y s t e m sk e yd e v i c e s ，s u c ha sm c p i m a g ei n t e n s i f i e r , c c di m a g ed e v i c e ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r i nt h ef o r t h p a r tw et h o r o u g h l yi n t r o d u c e t h ed e s i g ni t e m so ft h er e c e i v es y s t e m i nt h ef i f t hp a r t ，w ep r o v i d es o m ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rt e s t i n gt h es y s t e ma n da n a l y z e d i t se r r o r k e yw o r d ：t h r e ed i m e n s i o n a lr a n g ei m a g i n g ，t i m e o ff l i g h t ，c o r r e l a t i v ep h a s e d i s c r i m i n a t i o n ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , c c d ，m i c r o - c h a n n e l p a n e li m a g ei n t e n s i f i e r 浙江大学硕士学位论文三维测距成像的并行鉴相接收系统研究第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 引言 当科学技术发展到一定程度的时候，人们对于记录和再现现实环境的要求越来越 高。并努力将目前探测技术的进展与各种环境参数结合起来最终达到了对环境的全面 监测。在各种环境的参数中，相当重要的一个内容是空间的信息。现实生活中的空间 是三维的，但我们通常获得和传播的空间信息都是二维的，例如照片，电影，电视等， 这些信息不能充分反映出环境的特征。因而随着对于环境空间参数准确性的要求不断 提高，拓展空间距离信息，寻找适当的实时准确的三维空间信息获取手段，已经变得 越来越重要。 在工业应用中，三维成像技术作为产品的无损检测，生产线的实时监控，以及生 产环境模拟的基础技术，在工业国家中正处于重要的发展变革阶段。这种技术应用可 以大大提高工厂的产量和产品的质量。尤其是在某些特殊的工业产品，如钢铁，木材， 特种金属铸造等的生产过程中，三维成像技术作为无接触测量的有效手段，使这些产 品的在线检测成为可能，从而大大提高了工厂的生产力和产品的合格率。 在交通及环境监测应用中，三维成像技术可以帮助我们获取完整的环境信息，提 高交通工具或者监测系统对于环境变化做出反应的能力。将具有三维成像功能的传感 器安放在汽车上，汽车就可以获得周围环境中各种物体的相对距离，从而实现有效的 自动避障。在环境监钡领域的一个重大问题就是目标的识别问题。三维扫描技术增加 了监测系统所获得的环境信息，提高了目标识别的准确性。 在生物医学领域的应用中，三维成像技术已经成为最有效的检测手段，将生物研 究者和医学工作者的视线拓展到了生物体的内部构造，在生物研究，疾病预防、诊断、 治疗方面发挥了巨大的作用。我们通常接触到的超声成像，c t ，核磁共振成像等医 学诊断方法，都属于三维成像的范畴。 在军事应用中，三维成像技术，尤其是激光三维成像技术的重要性正在不断体现 出来。相对于以往的成像系统，三维成像系统获取得图像中增加了物体和形状，相对 距离有关的信息，并且可以克服以往红外成像的一些固有缺陷。这对于提高系统对于 目标的识别能力有很大帮助。目前，这种技术在军事上的应用领域包括智能武器，导 弹导航，和目标获取等方面。 三维成像技术作为三维图像的获取手段，它的发展和三维图像的广泛应用是分不 浙江大学硕士学位论文三维测距成像的并行鉴相接收系统研究第1 章绪论 开的。目前三维图像应用的领域包括生物医学，地震学，远距离探测，气象学，材料 科学等各个方面。计算机技术的飞速发展( 包括海量存储器，高速c p u ，以及价格适 宜的三维图形加速器) 使三维图像的应用扩展到了科学和工业制造的各个领域。而三 维图像的应用又推动了针对于不同应用而产生的各种三维成像技术的发展。在这个技 术研究和技术应用的良性循环过程中，人们了解和控制空间环境的能力得到了不断地 加强。 同时，目前三维成像技术的发展还远远不能满足各个领域对于三维图像，尤其是 实时准确的三维图像的需求。因而完善和改进目前已有的三维成像技术，寻找和发展 新的三维成像原理，针对不同领域的特殊需要，开发出合适的三维成像系统，已经成 为一个非常重要的研究课题。我们所进行的基于并行相关鉴相的三维测距成像系统研 究，正是顺应了这个技术发展的趋势。 1 2 国内外t o f 三维成像技术的研究现状 ( 1 ) 美国国防部倡导的对三维距离成像传感器的研究 美国国防部的研究机构从八十年代早期开始，从对于智能武器，导弹导航和目标 获取的实验研究论证过程中意识到了三维信息的价值。因而继开发出能够实现功能但 是十分庞大和昂贵的激光三维成像系统之后，他们将注意力放到了广泛运用予军事领 域的光电三维图像传感器的新技术的研究开发上。并且提出了研究开发出以视频速度 工作的高效，高精度距离成像的传感器阵列的计划。研究成功的三维成像技术能够分 辨较长距离以外的坦克大小的目标，并且可升级应用到短距离的手持系统。这一系统 能够应用到重微型汽车到战斗、侦察飞行器的平台上，能够实现几英尺到十公里以上 距离范围内的成像。并且其成像时间足够短，使得三维探测器或者目标的移动都不会 造成图像的模糊 ( 2 ) 美国s a n d i a 实验室的无扫描距离成像技术和l d r i 研究7 s a n d i a 实验室是美国主要的国防项目研究机构之一。他们研制的可以7 5 h z 频率 工作的可用于拍摄动态三维图像的l d r i 装置，2 0 0 0 年9 月被安装在肯尼迪航天中 心的奋进号航天飞机上，并且在2 0 0 0 年1 1 月顺利完成了动态监测工作。l d r i 是 s a n d i a 实验室无扫描距离成像( s 雕) 探测器和点跟踪技术( p t ) 的动态版本。 s a n d i a 实验室的无扫描成像探测器由m a r i o nw s c o t t 于1 9 9 0 年发明并获得专利， 这一探测器可以探测并存储在可视范围内的所有物体的距离图像。它的工作原理可 浙江大学硕士学位论文 三维测距成像的并行鉴相接收系统研究第1 章绪论 概述如下：光源连续产生正弦调制波照射目标。接收机自发接收由被照视物体反射 回来的周期调制波，反射回的光信号体现了对应于被照目标不同部位不同相对距离 引起的相位差信息，因而，每个数字化像元都包含强度和相位两类信息。 l d r i 是将三维成像拓展到动态监测领域的一种应用，它的的工作原理是，由宽 角度激光器发出的每秒很多个脉冲的激光照射到探测目标上，然后探测从目标放射 回来的光信号的光强。从接近于摄像机的物体反射回来的光笔较远的物体反射回来 光要快几亿分之一秒。 这样摄像机连续采集四次图像，就可以计算出距离图像来。这一技术目前可以达 到的工作频率是7 5 h z ，分辨率为1 2 0 英寸。 ( 3 ) 瑞士c s e m 的t o f 距离摄像机研究3 瑞士电子与微技术研究中心( s w i s sc e m e rf o re l e c t r o n i c sa n dm i c r o t e c h n o l o g y , c s e m ) 是 世界上时间飞行法( t i m e - o f - f l i g h t ，t o f ) 光学距离成像领域领先的研究所。经过八年 多的基础理论和应用研究，他们于2 0 0 1 年研制出了光学t o f 距离摄像机的样机。 t o f 成像方法主要通过测量从物体反射回来的调制光来获取图像信息。不含移动 部分的光学t o f 距离成像摄像机的是通过含有锁相像素的专用的传感器实现的。这 种传感器是采用2 0 u mc m o s c c d 制造技术制造。这种锁相c c d 图像传感器安装在 一块驱动电路板上，摄像机前端是一片l e d 阵列，这些l e d 可以发出调制频率高达 2 0 m 的光。红光( 6 3 0 n t o ) 或者红外光( 8 2 0 r i m ) l e d 都可以使用。这个摄像机由一 块数字时序电路板控制，包括用于产生高速数字信号的p l d 器件和用于控制于p c 机 通讯的微控制器。 这种光学t o f 距离成像摄像机的距离分辨率仅仅由探测光的光子噪声，并且可 以适用于很多条件。最大测量距离为2 0 m ，测量精度范围为3 锄一l o c m ，图像传输速 率可以达到1 0 帧秒。 目前国内所有的类似应用主要是激光测距仪，也就是三维测距成像的点成像应 用。我们没有找到国内对环境和目标进行整体测距成像系统的相关报道。 1 3 本课题的研究内容 考虑到三维图像在科学研究，工业生产，军事应用等各个方面的广泛应用前景， 也考虑到目前国内在这个领域的研究，尤其是民用方面的研究还不是充分，我们在过 去的几年中确立了这个研究课题，并且结合目前已有的条件开展了进一步的研究。 浙江大学硕士学位论文三维测距成像的并行鉴相接收系统研究 第1 章绪论 我们的研究目标是建立实时三维测距成像系统的样机模型，对已有的系统工作原 理进行一些改进以提高系统的工作效率。目前已经完成的工作主要是关于并行相关鉴 相接收器部分的研究。 本课题的核心内容是并行相关鉴相实现三维测距成像的鉴相原理验证和关键器件 研究。在课题研究中我们发展了三维测距成像的鉴相原理，验证了了信号调制度更高， 相关输出信噪比更好的方波与正弦波并行相关鉴相实现测距成像的原理的可行性和 实用性：提出并验证了基于c c d 的并行相关鉴相器设计；设计了由m c p 像增强器和 c c d 摄像机作为图像接收器，高速数字信号处理器( d s p ) 作为图像信号处理单元的 三维测距成像鉴相接收系统；进行了一系列的实验对于所设计的系统进行测试。 本论文分为五个部分详细介绍了本课题的研究内容。第一部分是广泛阅读文献之 后对三维成像的几种常用方法的总结和比较，并且对这些方法的基本原理，应用范围 等方面进行了讨论。第二部分着重对本课题选择的正弦波与方波信号并行相关鉴相测 距成像的方法进行了分析。第三部分本课题所设计的三维测距成像系统的关键性器件 如m c p 像增强器，c c d 图像传感器的性能以及在系统中的独特功能进行了分析。第 四部分介绍了本课题中三维测距成像鉴相接收系统及其关键器件并行相关鉴相器的 设计。对于系统各个部分的功能和实现方法进行了充分探讨。第五部分是对所设计的 系统的进行测试的部分实验数据的分析。 浙江大学硕士学位论文 三维测距成像的并行鉴相接收系统研究第2 章三维成像系统原理 第2 章三维成像系统基本原理 为了实现兰维成像，根据不同成像目标的特性，发展衍生出了许多种成像系统原 理。在本课题的研究过程中，我们充分考虑了以往各种成像原理的特点和适用范围， 从而为本课题确立合适的工作原理。 按照成像的方式不同，三维成像技术可以分为层析成像和测距成像两大类。层析 成像是基于图像数据融合的成像方式，它的实现是基于软件的。而测距成像是基于光 信号处理的成像方式，它的实现是基于硬件的。 2 1 层析三维成像及其应用 层析成像就是首先获取一系列物体的二维图像，然后将这些剖面图像按照一定算 法组合起来，形成物体的三维图像。这种三维成像方法应用的领域主要集中于物体的 内部结构的三维成像。测距成像的基本原理是将探测器测得的物体距离信息与通常的 二维图像结合起来，从而获得三维图像。这种三维成像方法的应用领域主要集中在物 体的形状和环境的三维成像。 层析成像的方式又很多种，计算机x 射线造影术( c t ，c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 、 正电子发射层析x 射线造影术( p e t ，p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ) 、磁共振成像 ( m r i ) 和核磁共振成像( n m r ) 、超声成像、三维光学、电子显微成像法( 3 d o p t i c a l e l e c t r o nm i c r o c o p y ) 、三维共焦显微成像法( 3 dc o n f o c a lm i c r o c o p y ) 等。 2 2 三维测距成像及其应用 三维测距成像技术获取距离信息的基本原理是将信号( 无线电波，超声波或者光 波) 投射到被测物体上，然后接收从物体的反射或者散射回来的信号，从而得到物体 和探测器之间的相对距离。如果测距成像的精度要求很高的话，就一定要采用光学方 法来探测。这主要是因为无线电波和超声波都很难充分聚焦，大大影响了测量精度。 采用激光作为测距的光源的原因是激光方向性强，有利于缩小光学系统孔径；激光亮 度高，可以在各种光照条件下进行测量；激光单色性好，有利于提高测距精度。 激光三维测距成像的方法一般来说可以分为三类：三角法成像，时间飞行法成像， 干涉法成像。 ( 1 ) 三角法三角法1 0 , 1 3 是最常用的测距成像方法。这种方法通常适于探测十米以内 的距离。它的基本原理是：激光或者l e d 发射出光束照射到目标的表面上，光在物 体表面发生反射和散射。然后用两个成一定角度的位置探测器或者c c d 来接收反射 浙江大学硕士学位论文三维测距成像的并行鉴相接收系统研究 第2 章三维成像系统原理 回来的光。接收的采样频率可达几m h z 。就可以用三角运算的方法获得传感器到目 a 双探测器的三角法测量 b 单探测器的三角法测量 图2 4 三角法测距成像的原理图 标的相对距离。通常三角法测量的精度可以达到o 5 一般测量时间也在1 0 r e s 之内， 能够适应实时监测移动目标的要求。 三角法的测距成像的对光源的要求比较高，需要所采用的光源在目标上产生高光 强密度，小面积，低弥散的光斑通常在应用中要对光源进行调制来减少背景光对测 量的影响。三角法成像系统的光波波长在可见区或是近红外区。三角法可以应用在任 意距离的测量上，但是它的测量精度会随着探测器与目标之间的距离的增加而迅速降 低。因而其最适合的应用领域是相对距离在几毫米到几米之间的高精度测量。通常这 样的测量的距离分辨率可以达到0 0 1 。 圈2 5 三角法测距成像的一些应用 堑婆大学硕士销论文 三维测距成像的并行鉴相接收系统研究 第2 章三维成像系统原理 三角法成像的应用范围很广，涉及生产过程监控，产品的无损检测，质量控制， 机器人手臂控制，汽车导航等方面，图2 5 即为三角法激光测距成像在工业生产中的 一些典型应用。 ( 2 ) 时间飞行法即便是最快的光子，也需要一定的时间来穿过目标和探测器之间的 距离。这个传播时间和光子传播的距离成正比，比例的常数即为光子在该介质中的传 播速度。光信号飞行时间( t o f ) 距离测量法一开始是应用在军事和勘探领域。这种 方法的测量参量是光信号从发射器到达目标物体以及从目标返回到探测器的时间。如 果光是作为能量源，那么和距离计算相关的参数是光的传播速度1 2 。 这种方法的适用场合包括大于l m ，无反射器测量，扫描快速测量等场合。并且 多次平均可以得到毫米或者亚毫米的测量精度。t o f 测量系统的优势在于发射光和反 射光经过同一路径，并且可直接对他们进行测量。大多数时候，这种测量装置的造价 和复杂程度与对系统准确度和分辨率的要求有关。对于基于激光脉冲的t o f 系统， 数据采集和分析电路必须满足处理纳秒级或是亚纳秒级的运算速度；时间宽度为纳秒 级激光脉冲就可以满足分米级的距离分辨率要求，但是毫米或是亚毫米级的距离分辨 率就要求激光脉冲的时间宽度在皮秒级。简单来说，分辨率较低的激光脉冲将导致测 量精度的不稳定。测量距离的标准差和激光脉冲的上升时间成正比，和系统信噪比成 反t b 。 t o f 测量应用于几千米或者更远的距离的时候，能够从目标表面反射回来的光子 数目很有限。这时，信 号的强度就可以用优 化了的光束或者在目 标上面加反射镜的方 法来增加信号强度。例 如，n a s a 的l u n a r r a n g e 实验在月球上 放了一列反射镜，然后 用t o f 的方法对月球 图2 , 6t o f 测距成像原理框 日 标 与地球之间的距离进行测量，结果测得到误差小于5 c m 。 目前适宜于这种方法的激光在红外区( 8 5 0 n m 1 6 5 0 h m ) ，这就意味着眼睛对这 塑大学硕士学位鹭墨 三维测奄成像韵并行鉴相接收系统研究 第2 章三维成像系统原理 样的测量光束不敏感并且无论激光脉冲的能量多大，对眼睛都是安全的。基于这种方 法的结构紧凑，适宜于携带的装置也开始有了应用，这完全要归功于输入输出光束的 共轴光学特性和高速集成电路的应用。这种装置的应用在光学时域反射测量法 ( o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t r y , o t d r ) ，测得的反射信号可以用于远程探测和 确定光纤中损坏的地方。已经多年应用于太空探测的l i d a r 装置也是基于类似于 t o f 的原理。t o f 较新的应用领域包括机器人视觉，自动交通导航，自动对接和停泊， 以及防碰撞和距离探测器，以及作为某些尺寸，体积，和功耗有特殊要求的仪器的前 方监测器。t o f 测量法比较有前途的应用分支还有探测人体器官，纸浆的状况。在这 种应用中，光子迁移通常被用来描述光在人体器官这样的散射媒介中的传播。在浑浊 的媒介中，光子会经多种路径传播，从而使透过介质的短脉冲宽度增加。目前有很多 研究者对用t o f 实现柔软器官成像( 光学x 摄像) 进行研究，从而但胸腔癌症的诊 断和对新生儿脑部的氧合作用状态进行成像。 t o f 的常见工作方式有脉冲法测传播时间( p u l s et o f ) ，光强调制相位偏移法 ( p h a s es h i f t t o f ) 测传播时间两种。下面先对他们各自的工作原理进行简要介绍。 ( 2 1 ) 脉冲法 激光脉冲飞行时间( t o f ) 距离测量法开始是应用于军事和勘探。这种方法依据 光脉冲从发射器到达目标物体以及从目标返回到探测器的时间。如果光是作为能量 源，那么和距离计算相关的参数是光的速度( c = 3 0 c m n s ) 。脉冲法t o f 系统测量的 是光从发射器发出到从物体反射回来再到达接收器的传播时间，从初级的物理学知识 我们就可以得到，距离等于速度乘以所花的时间。所以测量所得的时间的一半乘以光 束的速度就可以得到从发射器到目标的准确距离。要得到l m m 的距离精度，就要保 证时间测量的精度至少为6 7 p s 。由于单个脉冲对于达到厘米级的精度已经是足够的 了，并且测量精度和距离的关系不大，所以这种方法非常适用于测量距离超过l m 的 场合，或者不应用反射器的场合以及如扫描等快速测量的场合。而且多次平均可以得 到毫米或者亚毫米的测量精度。t o f 测量系统的优势在于是发射光和反射光经过同一 路径，并且直接对他们进行测量。 测距成像的范围大小以及实时性要求决定了脉冲法成像装置配备的激光器类型以 及时间测量电路部分的复杂程度。这是因为成像距离远，就要求激光器有较高的脉冲 峰值功率，以保证从目标物体反射回来的脉冲信号足够强。同时脉冲返回的时间相对 逝江大学硕士学位论文 三维测距成像的并行鉴相接收系统研究 第2 章三维成像系统原理 长一些，对系统时间测量电路部分的响应时间就可以长一点。同样的，成像距离越近， 激光器的功率可以低些，但时间测量电路的响应能力就要强一些。一般来说，长距 离测量( 几公里左右) 时，可以用n d ：y a g 激光嚣，它可以提供兆瓦级的峰值功率。 较廉价的脉冲激光二极管( 单异质结s h ，或双异质结d h 的) ，能够提供几十瓦的峰 值功率，测量距离可达几百米，如果使用相干叠加的话还可以测量更远的距离。y a g 激光器的频率不高，但是激光二极管可以在几千赫兹的频率下工作。而双异质结激光 二极管可以达到兆赫兹级。一般来说宽度为5 5 0 n s 的激光脉冲都可以满足脉冲法测 距成像的要求。 图2 7 为脉冲法三维成像 系统的原理图。这一系统工作 时，发射部分发射出高峰值功 率的激光脉冲，激光脉冲经过 目标反射后，经过透镜在接收 器的核心部分一一焦平面矩 阵上聚焦成像。焦平面上是接 收器阵列，阵列中的每个单元 图2 , 7 焦平面脉冲t o f 成像原理 都是独立的测距元件。由专门的芯片产生一个公共计时电压输入到各个单元，在每帧 采样结束后由芯片从每个单元读出距离信息并且传送到计算机。在每帧循环开始时， 各个单元被复位。同时触发公共计时电路。用作计时的是一个精确稳定的电压上升沿。 这个电压接入各个单元，对各个单元中作为电压记录器的电容进行充电。各个测距单 元上探测元件所测得的光信号经过光电转换变成电子信号，并且接入一个阈值探测元 件。当发出的激光脉冲返回到接收单元时，光信号大大增强，当它的强度超过一定阈 值时，电路将切断电容的充电回路，并且令电容保持当时的电压。这样从电容电压开 始上升到充电开关断开所经过的时间正比于光在接收部分和目标之间传播的时间，并 且由于计时电压上升曲线的斜率已知，所以电容所保持的电压即为时间的函数，读出 各个单元的电压值，就可以得到目标各点相对于接收器的距离。 ( 2 2 ) 相位法 相位法4 6 测据成像的基本方法是对出射的连续激光光强进行调制( 一般是正弦调 制) 。这样，经过目标反射至接收器的激光光强调制波的相相位对于初始发射信号有 塑查兰堡主兰垡笙苎三竺型堕堕堡塑骜行鉴相揍收系统研究第2 章三维成像系统原理 一个相位差妒，造成这个相位 差的因素包括激光在空间传播 的引起的相位滞后，激光在物体 表面发生反射时物体反射系数 的影响等方面。图2 8 即为这种 情况的示意图。 反射信号 图2 8 相位法依据 相位法测距成像的基本原理就是测量妒，并根据p 和目标与接收器之间相对距 离d 的关系来得到距离信息。 d ：三v 鲤( 2 ) 2 2 衫 其中，v 为激光在介质中的传播速度， ，为激光光强的调制频率。 相位法测距成像在具体实现时，测量相位的方法有一些不同。常见的有两种，一 种是在图像探测器处用同频参考信号与返回的调制信号并行相关鉴相( 如图2 9 所 示) ，一种是数字电路测量相位的方法。即是将调制信号和同频参考信号都转换为方 波信号，然后用两列方波信号的上升沿分别作为计数电路的启动和停止触发信号。这 样计数电路所计得的高频时钟脉冲的个数就代表了两列信号之间相位差的大小。 图2 9 并行相关鉴相t o f 装置图 从上面的公式中可以很容易的推导出理论上影响到相位法成像范围的主要因 素是光强的调制频率，。并且由于相位测量系统可以分辨的两列信号之间相位差的最 浙江大学硕士学位论文三维测距成像的并行鉴相接收系统研究 第2 章三维成像系统原理 大值为2 7 r ，因而，理论上可以测得的最大距离为南，也就是调制波空间波长的一半。 | 也就是说调制波频率越高，可测得的最大距离越小，调制波频率越低，可测得的最大 距离越大。但是实际应用中相位法测距的范围受到激光器发射功率，激光在介质中的 传播特性，目标表面的反射率等因素的影响，并不可能无限度的扩大。同时相位法测 距的近距离探测特性又和鉴相系统的性能有关。成像距离越远，激光信号返回时的相 位改变越小，对鉴相系统的分辨率要求很高，实现起来的困难也会较大。因而相位法 测距成像最合适的应用范围在l m l o o m 之间。 ( 3 ) 干涉法干涉法的测量精度相对 来说比较低。当对精度的要求到微米 级时，干涉法就显得无能为力h 。这 种方法测量的原理如下所示：波长为 五的光波与距离l 相对应，如果波长 逐渐变为厶，这可以看作波长伸缩。 在这个伸缩过程中有很多干涉的条 弋八：八厂厂八 ：a 、 、 i 图2 1 0 双波长干涉的示意 纹通过x = l 这一点。具体有多少个干涉条纹的波峰或波谷通过这一点需要用干涉测 量仪来测量。那么由于波长变化而产生的干涉条纹相位变化庐就可以表示为： 三；耥 用迈克尔干涉仪就可以测量出波长变化引起的相位变化。由于激光二极管很难重 复实现 到厶的波长变化，i ! t l i - - 个特定的参考干涉仪用于同时监视一个参考路径。 并且l = l m f 妒，”f 这个参考干涉仪可以用一个以a 的间隔规则改变波长 的干涉仪来代替。并且 再添加一个激光发射器，通过对比l 和妒2 ，妒2 和妒3 ，可以提高系统的测量分辨率。 这种测量技术的准确度取决于激光二极管的微调范围，激光器的连续调节范围越 大，相位探测分辨率就越高，相应的测量准确性越好。并且测量的时间应该越短越好， 这样就可以尽量减少由激光调谐过程中折射率改变和镜面变化而产生的误差。 墼查兰堡圭堂堡堡苎 三竺型堕堕堡墼茎堑兰塑苎些墨竺堕塞 苎! 兰三丝盛堡墨竺堕里 图2 11 多波长干涉测距成像的原理图 通常所用的半导体激光器的相干波长短的特性限制了这种方法的应用范围。这种 测量方法的测量范围最大可到一米左右。 ( 4 ) 三种激光三维测距成像方法的比较 上文所提到的激光三维测距成像原理各有其特点，也就各有其相应的独特应用领 域。在实际的应用中，我们需要仔细分析成像目标的性质，为成像系统选择合适的工 作原理。下表是对这三种激光三维测距成像原理的测量范围，测量精度，激光光源， 探测器等方面特性进行对比的结果。同时我们还注意到，目前三角法和干涉法的应用 大多集中在点成像，也就是传统的激光测距应用上，将三角法和干涉法应用到三维成 像( 也就是同时获得传统的二维平面图像中各个点的距离信息) 的应用还很少。目前 已有的实时3 d 成像系统( 3 dc a m e r a ) 大多基于t o f 原理。 表一激光三维测距成像原理比较 三角法时间飞行法 干涉法 测量范围几毫米几十米几十米几十公里几米 通常5 2 0 0 m m 精度测量距离的 i m m和所用的激光 o o l 波长有关 浙江大学硕士学位论文三维测距成像的并行鉴相接收系统研究第2 章三维成像系统原理 光源准直激光二极管脉冲激光二极管或可调谐激光二 l e d 者连续光强调制激极管 光二极管( 8 5 0 1 6 5 0 n m ) 接收器 p s ds i ，i n g a a sp i n 光电 光电二极管 c c d 阵列二极管或雪崩二极 光电二极管阵列管，光电阴极 塑江大学硕士学位论文 三维测距成像的并行鉴相接收系统研究 第3 章并行相关鉴相系统分析 第3 章并行相关鉴相系统分析 3 1 测距鉴相原理 目前的分辨率较高的三维测距成像通常是用三角法实现的。但是无论被动式的三 角法成像( 立体视觉) 或是主动式的三角法成像( 投影环带测量) 都会由于阴影或是 投影模糊的作用而影响了测量效果。而且立体视觉不能对对比度不高的景物成像。而 且应用三角法实现三维成像的时候运算量很大，系统的实时性性能不好。并且三角法 三维成像系统的分辨率越高，系统越庞大。相比较而言，时间飞行法( t o f ) 的原理 就显得实用很多。同样是t o f 测距成像，脉冲法和相位法由于其基本原理的差异， 各有其优点和局限性。脉冲法原理简单，可以一次成像，系统实时性非常好，并且测 距精度高，受近距离饱和照射的影响较小，在测距范围上仅受到激光器功率和传播条 件的限制。但是要求高功率窄脉冲的激光器，时间响应特性好的电予测时线路，系统 的体积和重量都很难降下来。同时关键性器件的研制和生产成本很高。相位法对于光 源的要求不是很高，测距精度也高，关键性的器件和技术都已有成熟的应用。研制和 生产的成本较低。但是相位法要求对激光强度精确调制，对信号波形的要求较高，并 且需要多次测量才能够计算出相对距离，因而系统的实时性不够好。 本课题中对于所研制的三维成像系统的应用领域的定位是楼宇，广场的安全监测 或者是军事上中近距离目标的观察识别。对分辨率的要求在厘米级。同时系统的体积 和重量都要能够满足便携的要求。同时综合我们的实际资助的情况，我们认为采用相 位法t o f 测距成像的原理技术风险小，可行性大，较为合适本课题。 3 1 相关鉴别相位差的实现方法及其分析 用同频调制波相关检测出从物体反射回来的调制光信号的相位差可以有两种实现 方法9 1 s , 2 3 ，我们对这两种方法都进行了进一步理论研究。并分析了各自的优缺点。 3 1 1 正弦波与正弦波并行相关鉴相 假设激光强度调制信号的表达式为： s ( f ) ；a o + a l s i n ( o o f ) ( 3 ) 其中，为正弦调制波的直流分重。 a 。为正弦调制波的振幅常量，影响这一常量大小的因素主要是正弦信号的 调制度。 浙江大学硕士学位论文三维测距成像的并行鉴相接收系统研究第3 章并行相关鉴相系统分析 ，为调制频率。 用作并行相关鉴相的正弦信号的表达式和调制信号相同： s 。( r ) = a o + a i s i n ( o x ) ( 4 ) 那么从目标反射回来的信号就可以表示为： s ，( ，) = 见4 0 + k a l s i n ( 耐+ 伊) ( 5 ) 其中，七为激光传播过程中光强的衰减系数，它的大小与目标物体的表面反射系 数，以及传播的距离，介质的特性都有关系。 舻为整个传播过程中产生的相位变化。 将鉴相信号和返回信号进行相关运算： 0 ( f ) = s 。o s ， = 去聃，) s + f ) 出 = 磊1 ( a + a ，s i n ( c o t ) ( k a 。+ l ( a 刚( f + f ) + 妒) 出 = 艇；+ 列? c o s ( o ) r + 舢o ) 从上述表达式中可以看出9 和相关信号之间有一定的关系，如果采用的鉴相信 号与初始发射信号具有某些特定的相位偏移关系，那么就有可能定量得到妒的值。 一般根据三角函数的特性，我们选择f i = o ，f 2 = t 4 ，f 3 = t 2 ，“= 3 t 4 。则可以得 到： o i = k a ：+ 舶? c o s ( a 妒) ( 7 ) 0 2 = 翩；一削? s i n ( a 伊) ( 8 ) 0 3 = 埘- k a ；c o s ( a p ) ( 9 ) o = k a j + k a ? s i n ( 9 ) ( 1 0 ) 结合o l ，0 2 0 3 ，0 4 的运算结果，我们可以得到计算缈和k a ? 的表达式为： 妒口恤( 精) ( 1 1 ) 翩? ：! 竺二鱼i ：坠二鱼( 1 2 ) 2 由于在实际应用中，要得到完全理想正弦调制波是非常困难的。因而我们对正弦 波的调制深度，高频分量搀杂等因素对并行相关鉴相的影响用进行了分析。所有分析 的曲线图可见附录1 。在这里我们对这部分的分析加以说明并且由此引出相应的结论。 我们首先分析了当返回的信号的调制度与直流分量不同时可能会对相关输出造成 的影响a 分析的结论是，如果返回信号的调制度和直流分量发生改变，则当返回信号 的相位延迟一定时，解调信号相关之后的输出电平的绝对值会发生变化。但是这个相 关输出随着相位延迟的变化而变化的规律不变，仍然为c o s ( 妒) 。也就是说，只要 输出的激光信号的调制度和直流分量在测量过程中不发生变化，那么在不考虑并行相 关鉴相器输出信噪比的情况下，它们的具体值理论上不会影响到测量的结果。 对于返回的正弦信号和解调的正弦信号中可能有高频信号搀杂的情况我们从三方 面进行了分析。第一种情况是假设其中一个信号中有高频搀杂，从而分析搀杂的高频 信号的幅度对于相关输出的影响。这种分析的结果图可见附录1 的图2 。图2 中的四 幅子图依次对应着返回信号中基频的二倍频信号的分量为0 ，0 2 ，0 4 ，0 6 。从图2 中我们可以清楚的看到，对应的相关输出的幅值随着高频分量比重的增加而降低了， 但是随着相位延迟而变化的曲线仍然为一条余弦曲线。也就是说在这种情况下，两列 信号的相关度的绝对值是降低了，但是其随着相位变化的规律仍然保持不变。 第二种情况是分析不同的高频分量对于相关输出的影响。这项分析的图示可见附 录1 的图1 。图l 的后三幅子图依次对应着返回的正弦信号中搀杂着二倍频，三倍频， 四倍频信号时的相关输出。从图中我们可以看到，这些高频信号的加入，并没有影响 到相关输出的幅度，也没有改变相关输出随着相位变化而改变的规律。因而在只有一 列正弦信号中有高频搀杂的时候，高频信号的频率的变化不会影响到相位测量的准确 度。 第三种情况是当解调信号和返回的信号中都有高频搀杂时对于相关输出的影响。 对这种情况的分析图示可见附录1 的图3 。图3 中的第一幅子图对应着两列无高频搀 杂的正弦信号的相关输出。第二幅予图对应着有一列信号有高频搀杂的相关输出。第 三幅子图对应着两列信号都有高频搀杂但是搀杂的高频分量不相同时的相关输出。第 四幅子图对应着两列信号都有高频搀杂，并且有相同的高频分量，也有不同的高频分 浙江大学硕士学位论文三维测距成像的并行鉴相接收系统研究第3 章并行相关鉴相系统分析 量。从图3 我们可以得到这样的结论：当两列正弦信号中都有高频搀杂时，若高频分 量不相同，相关输出的绝对值要比其中一列信号中有相同高频搀杂时的绝对值低。但 是其相关输出随着相位变化而改变的规律保持不变。当两列信号中搀杂有相同的高频 分量时，其相关输出的绝对值比前一种情况大。但是其相关输出随着相位发生变化的 规律曲线仍为余弦曲线。综合关于这三种情况，我们可以知道高频搀杂对于双正弦信 号的相关输出的影响主要在其绝对值上，并不会改变随着相位延迟变化而变化的规 律。也就是说无论正弦信号中搀杂着什么样的高频分量，理论上都可以用四次测量的 方法得到妒的值。但在实际测量中，相关输出的信号幅度对于测量的精度有一定影 响，因而高频搀杂的问题我们会在讨论系统信噪比的部分再次提及。 假设返回的激光光信号为： s r = k + k m d s i n ( o l ，t + ) ( 1 3 )图3 4 方波与正弦波相关原理 假设用于相关解调的方波信号的表达式为 s 。( f ) = ：o r 2 t s ，t 丁2 ( 1 4 ) 为了便于分析方波与正弦波相关的特性，可以将方波表示为傅立叶级数的形式进 行运算，即： s 。= g ( i + 聊2 + ls i n ( 2 n + 1 ) c o t ) ( 1 5 ) 所以方波与正弦波相关的输出函数为： d ( f ) = s 。固s ， 根据相关运算的定义 1 ，- 塑坚查兰堡主鲎堡堡塞 三维测距成像的并行鉴相接收系统研究 第3 章并行相关鉴相系统分析 o ( t ) = 1 tj - t t n ，2 _ s f f r d t = r o ( + k m 。s i n ( 0 ) ( t + d + 中) ) f r d t = r ”( 1 + m 。s i n ( ( t + t ) + 嘲) d t ：要+ 墨坠。( 却+ 。) 也就是说，解调方波与返回正弦波的相关输出也与他们之间相位延迟驴有一定的 关系。同样应用在双正弦波并行相关鉴相中提到的方法，测量中对解调方波进行特定 移相，从而得到相位延迟的值。为了简化测量，可以让解调方波相对于出射激光强度 调制信号移相0 ，兀，2 ，7 c ，得到相应的输出为： 所以 卟k ( 圭+ 睾c o s 们 0 2 = k ( 三一m _ 霄a oc o s 十) 0 3 - - - = k c 争警s ；n ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 2 0 ) ( 2 1 ) 同样的，考虑到实际进行方波与正弦波的并行相关鉴相的时候所采用的信号和理 想信号总有一定差别，常见的就是正弦信号中有高频分量搀杂，高频方波信号中损失 一部分高频分量等。我们用对这些可能出现的情况进行了仿真，详细分析了它们对于 并行相关鉴相测量造成的影响。 首先，我们考察了返回的正弦信号的调制度，也就是表达式中m o 的大小对于相 关输出的影响。分析的图示见附录l 图4 图4 的四幅子图依次对应着正弦信号基频 分量的调制度为4 0 ，6 0o 4 0 ，8 0 ，和1 0 0 时的情