3将光源的光按照已知的立体分布数据 进行三维光强投影，具有立体光强分布4的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射； [0069] 二、在步骤一中所反射的光信号由光信号接收光学装置5进行收集；
[0070] 三、光信号接收光学装置5所收集到的光信号由单像素光强探测器6集中并将其 转换为电信号；
[0071] 四、电信号由AD转换电路7转变为数字信号；
[0072] 五、数字信号由数据采集装置8采集将其回传至数字处理器1中并由数字处理器 1进彳丁存储，至此完成一次探测；
[0073] 其中，在每一次探测时数字处理器1采用不同的已知的立体分布数据，最终经过 探测次数小于三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器 1所存储的数字信号数据在数字处理器1中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维 测距图像；其中所述的单像素光强探测器6的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒 数。
[0074] 本发明实施例1和实施例2的三维测距成像原理在于：投影到探测空间的立体光 强分布，在轴向上的某个目标成像面上是一个已知的伪随机分布二维平面点阵，构成该点 阵的光分布，由于离焦作用在轴向其他的非目标成像面上快速模糊化，从而失去原伪随机 分布信息，多个目标距离二维平面点阵分布叠加最终形成一个伪随机立体光强分布矩阵， 光信号经过待测三维目标物体反射后，经过光信号接收光学装置接收并输入到单像素光强 探测器，获得相应的一次探测值，从而完成压缩感知方法中的一次探测过程，经过多次探测 后，伪随机立体光强分布的集合组成压缩感知方法中所需的伪随机测量矩阵，对应的探测 值集合组成压缩感知方法中所需的测量向量，最终通过一次解压缩感知方程后，可重构出 待测目标的三维信息矩阵，获得目标物体的三维分布图像。
[0075] 需要说明的是，关于"立体光强分布"和"伪随机立体光强分布"的定义解释和相 互关系："立体光强分布"在本发明中指主动照明的一种光强分布形式，是一种在探测空间 上立体的光强分布形式，例如三维点阵，它显著区别于目前常用的结构光测量三维中所用 的二维结构光（平面上强度的相位调制投影）；而"伪随机立体光强分布"则是"立体光强 分布"中的一种实现形式，是一种光强在三维空间的伪随机分布，用于实现压缩感知原理中 的对未知目标进行探测的伪随机测量矩阵；另外一种与之对应的实现形式是"目标特征具 体化立体光强分布"，适用于在三维场景中对已知的兴趣目标（如坦克、飞机等）追踪或定 位成像；本发明中"立体"与"三维"含义一致，都表示在自然界三维坐标中的空间范围。
[0076] 具体地说：
[0077] 1，压缩感知原理应用于三维成像探测的实现原理，假设系统照明以伪随机立体 光点阵方式投影至三维空间共有nXnXd点阵。根据光传播特性，碰到余弦反射目标，从 同一平面的nXn点阵反射的能量对接收探测器贡献基本一致，而从不同深度的平面点阵 反射的能量由光强的距离平方关系确定，即I~1/r2。设第i次投影到目标空间的伪随机 光强点阵为f 。经过M次探测获得的测量信号向量为s= [Sl，s2,. . .，，sM] TGRM。三维目标为经过投影矩阵变换（TX=0)，变换到稀疏表达空 间沒。信号的线性测量要求满足& =€"1 + %，经过向量合并和矩阵运算后，可以获 得对三维信号测量的压缩感知公式：
【主权项】
1. 一种三维测距成像的系统，其特征在于：包括数字处理器、光源、立体光强照明装 置、光信号接收光学装置、单像素光强探测器、AD转换电路以及数据采集装置，其中： 数字处理器，通过光源连接立体光强照明装置或者直接连接立体光强照明装置，所述 数字处理器用以控制立体光强照明装置将光源的光按照已知的立体分布数据进行三维光 强投影，具有立体光强分布的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射； 光信号接收光学装置，连接单像素光强探测器，光信号接收光学装置用以收集反射的 光信号； 单像素光强探测器，连接AD转换电路，单像素光强探测器用以将光信号接收光学装置 所收集的光信号集中并将其转换为电信号； AD转换电路，连接数据采集装置，AD转换电路用以实现将电信号转变为数字信号； 数据采集装置，连接数字处理器，数据采集装置用以采集数字信号，并将数字信号回传 至数字处理器中并由数字处理器进行存储，至此完成一次探测； 在每一次探测时数字处理器采用不同的已知的立体分布数据，最终经过探测次数小于 三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器所存储的数字 信号数据在数字处理器中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维测距图像；其中所述 的单像素光强探测器的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒数。
2. 根据权利要求1所述的一种三维测距成像的系统，其特征在于：所述的数字处理器 可以是个人计算机、嵌入式系统或者是带一定存储空间的DSP装置。
3. 根据权利要求1所述的一种三维测距成像的系统，其特征在于：所述的立体光强照 明装置由多个投影仪组成，其对应的连续光源为非相干光源。
4. 根据权利要求1所述的一种三维测距成像的系统，其特征在于：所述的立体光强照 明装置由全息片组成，其对应的连续光源为相干光源。
5. 根据权利要求4所述的一种三维测距成像的系统，其特征在于：所述的全息片为旋 转全息片或者可控数字全息片。
6. 根据权利要求1所述的一种三维测距成像的系统，其特征在于：所述的光信号接收 光学装置为成像光学系统或者是能量收集光学系统。
7.-种基于权利要求1~6任一项所述系统的成像方法，其特征在于包括如下步骤： 一、 数字处理器控制立体光强照明装置将光源的光按照已知的立体分布数据进行三维 光强投影，具有立体光强分布的光信号在三维空间遇到待测目标物体后反射； 二、 在步骤一中所反射的光信号由光信号接收光学装置进行收集； 三、 光信号接收光学装置所收集到的光信号由单像素光强探测器集中并将其转换为电 信号； 四、 电信号由AD转换电路转变为数字信号； 五、 数字信号由数据采集装置采集将其回传至数字处理器中并由数字处理器进行存 储，至此完成一次探测； 在每一次探测时数字处理器采用不同的已知的立体分布数据，最终经过探测次数小于 三维空间中平面像素乘以距离分布像素之积的探测次数，再利用数字处理器所存储的数字 信号数据在数字处理器中进行信息处理最终获得待测目标物体的三维测距图像；其中所述 的单像素光强探测器的带宽大于系统完成一次探测的时间间隔的倒数。
【专利摘要】本发明涉及一种三维测距成像的系统及方法，包括数字处理器、光源、立体光强照明装置、光信号接收光学装置、单像素光强探测器、AD转换电路、数据采集装置，数字处理器控制立体光强照明装置将光源的光按照立体分布数据进行三维光强投影，光信号遇到目标反射；光信号接收光学装置收集光信号；单像素光强探测器将光信号集中将其转为电信号；AD转换电路将电信号转为数字信号由数据采集装置采集，并将数字信号传至数字处理器由数字处理器存储，完成一次探测。与现有技术相比，本发明结构简单，器件成本低，仅需单像素探测器和普通连续光照明光源，无需调制元件和窄脉冲元件，无需成像接收透镜，具有测量次数少，器件带宽小，探测角度大等优点。
【IPC分类】G01V8-10
【公开号】CN104849769
【申请号】CN201510278100
【发明人】姜燕冰, 陈华锋, 梅振林, 庄建忠, 金步平
【申请人】浙江传媒学院
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月26日