專利名稱：一種獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法
技術領域：
本發明涉及光電成像技術領域，尤其涉及一種獲取目標運動參數的閃光追跡成像 方法。
背景技術：
研究復雜背景下動態目標的有效成像及其運動參數的快速獲取技術對于目標跟 蹤、自主導航及安防具有重要意義。傳統的獲取動態目標運動參數技術主要有高速攝影及 雙圖像傳感交匯測量、光電經緯儀、合成孔徑雷達和合成孔徑激光雷達等。1)、高速攝影及雙圖像傳感交匯測量在傳統的低空目標位置參數測量系統中，目標在某一航線上飛行， 需在相應位置 設置標定物，然后利用兩套高速攝影的膠片測量系統，在目標運行的方向與目標的側向分 別獲取目標運行的序列圖像；最后通過對序列圖像的分析得到目標位置信息。由于攝影膠 片存在成像質量不高，不易保存，另外，走片設備復雜，處理周期長等缺點，這種定位技術難 以達到數據處理的實時性和很高的定位精度，而且不易存檔。因此，該技術已很少使用。利用立體視覺原理的雙圖像傳感器交會測量是現代靶場測量中采用的一種實時 非接觸測量方法，借助兩臺高速攝影相機和計算機實現空中動目標的定位和運動參數的獲 取。但是，該測量技術需設定坐標系，布置標定物，合理設置兩相機的位置和姿態，在獲取 標定圖像后，撤離標定物，采集圖像，然后，根據標定圖像和標定物坐標對相機進行標定，最 后，對目標圖像進行預處理，根據目標圖像和標定結果求解目標的坐標，獲取運動參數。因 此，該技術比較適合于靶場測量，而對于實戰環境則表現出系統復雜，需設置標定物等不 足，且該技術不適用于夜間使用。2)、光電經緯儀光電經緯儀利用光學測量設備對飛行目標進行攝影、測量和采集信息以完成對目 標軌跡和特性的記錄。經緯儀跟蹤目標時，需要采用相應的處理方式獲取被跟蹤目標在各 測量時間節點的空間坐標，根據目標空間坐標與測量時間節點進行相應的數學處理，得到 目標速度、加速度與測量時間的函數，并據此推斷目標在后續時刻的位置、速度、加速度等 運動參數提供給光電經緯儀自身的伺服控制系統作為目標繼續捕獲的參考。光電經緯儀分 為單臺帶激光測距方式和兩臺(或多臺)交匯方式若距離不可測，必須使用交匯測量。其 優點是能夠實現軌跡、速度、加速度的多功能測量，定位精度高。其缺點是只能實現地對空 的空中目標的測量，伺服系統體積較大，便攜性較差，夜間不可工作。3)、合成孔徑雷達和合成孔徑激光雷達合成孔徑雷達(SAR)工作在微波波段，可全天候遠距離工作，并能以超過衍射極 限的分辨率提供地面測繪數據和圖像。但是，SAR受樹干回波等雜波的干擾較大，虛警率 高，且其圖像不易判讀。合成孔徑激光雷達(SAL)是一種將普通合成孔徑雷達和激光雷達 (LiDAR)結合起來實現合成孔徑成像的高分辨率雷達。SAL兼具SAR和LiDAR的優點，可以 全天候遠距離工作，將合成孔徑技術應用于光學域，可獲得更高的分辨率和更快的成像速度。但是，對于SAL來說，由于激光波長較短，受大氣等因素影響相位畸變較為嚴重，降低了相干探測的效率，聚焦效果差，從而減低了分辨率。另外，SAL數據處理也過于復雜，后期處 理繁瑣。以上傳統的動態目標運動參數獲取技術對于復雜背景下，尤其是近地目標動態參 數的獲取，均存在難以實現或實現復雜的問題，且圖像處理算法復雜，后續處理繁瑣。因此， 針對復雜背景下動目標的運動參數的獲取，提出一種新的方法一閃光追跡成像。該方法 可直接獲得目標的運動軌跡，通過反演便可獲得目標的3D-運動參數。閃光追跡成像技術 主要是基于距離選通成像技術并采用時間延時積分方式來實現運動目標的運動軌跡的直 接獲取和運動參數的獲取。對于距離選通成像技術，國內外已經有不少單位開展了此方面 的研究。但是，目前所見報道中，該技術主要用于水下成像、三維成像和汽車夜視等，還未見 其用于動目標的運動參數的獲取。
發明內容
(一)要解決的技術問題針對上述現有技術存在的不足之處，本發明的主要目的在于提出一種獲取目標運 動參數的閃光追跡成像方法，以達到對動目標運動軌跡的成像及運動參數的非接觸測量的 目的，尤其解決復雜背景下動目標運動參數獲取問題。(二)技術方案為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下一種獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法，該方法基于距離選通成像技術， 采用脈沖激光器作為照明光源，采用配有選通門的CXD作為成像器件，并通過時間延時積 分的工作方式來實現運動目標運動軌跡的成像。上述方案中，所述時間延時積分是通過激光頻閃成像實現的，成像器件一幀包含 多個子幀，每個子幀對應一個脈沖對，而每個脈沖對則由一個激光脈沖和一個選通脈沖構 成，通過調節脈沖對內選通脈沖和激光脈沖間的延時可實現距離選通成像。上述方案中，在激光頻閃成像過程中，當感興趣觀察區的第一個回波信號到達CXD 后，其感生的電荷不直接輸出，而是與同一幀其他脈沖對形成的目標回波信號累積，這樣在 一幀的曝光時間里可接收目標形成的多個回波信號；由于不同脈沖對之間存在延時，且目 標是運動的，因此，不同脈沖對形成的目標回波信號所對應的成像器件的感光像元不一致， 可理解為每個脈沖對形成一幅運動目標的子圖，形成一個目標樣本，不同時刻下，不同子圖 中運動目標占據的像元區不同，即目標樣本不重合；因此，當成像器件一幀累積完成后，其 輸出圖像為多幅子圖的疊加，這樣便可直接在一幀圖像中獲得由目標樣本形成的運動軌 跡；然后，通過建立感興趣觀察區三維空間與二維像平面間的對應關系，可反演出目標的三 維運動參數，該參數包括目標的空間位置、速度和加速度。上述方案中，所述建立感興趣觀察區三維空間與二維像平面間的對應關系，是以 成像器件的焦點為坐標原點建立笛卡爾坐標系，該坐標系的XY平面與成像平面平行；為避 免處理圖像中目標位置與其真實三維空間位置相反的問題，采用透視投影模型，將成像平 面和感興趣觀察區放在焦點的同側，建立感興趣觀察區三維空間與二維圖像的對應關系如 下
τ =—⑴公式(1)中，f為成像器件的焦距，X、Y和Z為真實三維空間中X軸、Y軸和Z軸 坐標，X和y為目標在二維像平面對應的X軸和Y軸坐標；X向和Y向的距離精度依賴于 Z向的距離精度；由于觀察景深距系統較遠，對于(X，Y，Z)位置的目標到系統的距離R = (X2+Y2+Z2)172 ^ Ζ，因此，可認為同一 Z平面上的各點到系統的距離相等為R ;Ζ向距離由選 通門與激光的延遲時間決定，具體為Z = R = ~-⑵。上述方案中，所述頻閃成像，是C⑶在一幀的曝光時間里多次曝光，每次選通門開 啟曝光均與激光照射感興趣觀察區形成的回波信號相匹配；激光脈沖序列和選通脈沖序列 之間存在特定的匹配關系，每個激光脈沖對應一個選通脈沖，形成一個脈沖對；在一個脈沖 對里，可通過調節激光脈沖和選通脈沖之間延時實現距離選通成像，在空間中形成一感興 趣觀察區，實現不同距離目標的觀察。上述方案中，所述距離選通成像技術中，激光器發射一激光脈沖，激光 脈沖傳至目 標，形成向后的回波信號；當回波信號傳至成像器件時，選通門開啟，CCD收集來自目標的 信號，生成目標的圖像；在激光傳播過程中，選通門一直處于關閉狀態，這樣可屏蔽來自大 氣等的環境噪聲，僅使感興趣觀察區的信號被接收，通過控制選通門的選通脈沖和激光脈 沖之間的延時來實現不同距離目標的成像；觀察距離由選通脈沖和激光脈沖間的延時τ
確定W =〒，其中，c為光速。而感興趣觀察區的景深d主要由激光脈寬、和選通門寬tg
c-(t -Vt1 )
確定，其大小為C/=υ θ
2上述方案中，目標空間位置是指目標在運動過程中某一時刻所處在真實三維空間 的位置(x，Y，z)，通過閃光追跡成像技術可獲得目標的運動軌跡，進而獲得目標在像平面的 形心像素坐標(Χρ,η，yp,n)；成像器件的X和Y向的像元分辨率為i和j，則目標距離為Zn時， X向和Y向空間分辨率I、J為r.(3)
UJ / Vjj則相應的X軸和Y軸的真實空間坐標可由公式⑷給出
(γ \ f j ο、 (χ \" = ° .「叫(4)
\Yn ) V0 J) \yp,n)通過公式⑵和(4)便可獲得運動目標的空間坐標(Xn，Yn, Zn)。上述方案中，目標的速度是指目標的瞬時速度，由于采用頻閃成像，子幀周期為定 值，因此，圖像記錄下等時間間隔At下不同時刻的目標位置；對于直線運動，目標的位移 矢量與運動軌道完全重合，而在曲線運動中，當At很小時，目標的位移和軌道可近似地看 作重合；因此，在通過采集的圖像獲取目標的運動速度時，可以利用微分思想把曲線運動看 作是由多個直線運動組成；因此，在采集了目標的運動軌跡后，便可獲得目標的速度參數； 則位置(Xn，Yn，Zn)目標的瞬時速度為
<formula>formula see original document page 8</formula>公式(5)中，νχ,η、為投影在X軸、Y軸和Z軸上速度分量，(Χη+1,Υη+1,Ζη+1)為目標自(χη，γη，ζη)位置運動At時間間隔后目標的位置。上述方案中，目標的加速度是指目標的瞬時加速度，位置(Χη，Υη，Ζη)目標的的瞬時 加速度為<formula>formula see original document page 8</formula>^(6)公式(6)中，ax,n、aY,n和az,n為投影在X軸、Y軸和Z軸上加速度分量，(Xn+ Ylri, Zlri)為目標自(χη，γη，ζη)位置時間前移At所對應時刻目標所處位置；當選通脈寬和激光 器脈寬比較小時，可認為一幀圖像中各位置的ζ軸坐標相等，W Zc ；因此，通過一幀 圖像主要獲得了目標X向和Y向的速度分量；當Z向速度分量較小時，閃光追跡成像技術可 通過掃描的方式提高目標Z向距離精度，進而提高測速精度。上述方案中，目標的運動軌跡是指在一幅圖像中不同時刻下采集的多個目標樣本 形成的可反應目標運動路徑的軌跡，在成像器件一幀的曝光時間里，采用激光頻閃對不同 時刻下運動到不同位置的目標成像，從而形成多個目標樣本，進而反應目標的運動路徑；在 目標樣本相互分立的前提下，一幅圖像中目標樣本數量越多，則越能反應目標真實的運動 軌跡，而目標樣本的數量主要由子幀幀頻α決定；其中，子幀幀頻α是指每幀對應的子幀 數量，CCD 一幀曝光時間里的有效曝光次數便是子幀幀頻，其大小為α = tj · RF(7)公式(7)中，RF為脈沖激光器的重復頻率，、為(⑶一個工作周期內曝光時間；公 式(5)和(6)中的時間間隔At即為子幀的周期；當脈沖激光器的工作周期遠大于CCD — 幀的信號讀取和轉移時間、時，子幀幀頻可簡化為<formula>formula see original document page 8</formula>(8)公式(8)中，FPS為成像器件幀頻。欲確定目標的運動參數，至少需要3個目標樣 本，則相應的子幀幀頻的最小值應為3 ；由于在子圖中存在空白子圖，因此，子幀幀頻應大 于3，以便增加有效子圖的數量，增加圖像的信息。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果1、利用本發明，由于采用距離選通成像技術，可在空間形成一感興趣觀察區，系統 僅對感興趣觀察空間內的目標成像，所以，可濾除背景，突顯目標，大大簡化圖像的后續處理。2、利用本發明，由于采用時間延遲積分，可將目標的運動軌跡在一幅圖像中給出， 所以，該發明可直接獲得目標的運動軌跡。3、利用本發明，由于時間延遲積分是基于激光頻閃成像技術實現的，是一種幀內 積分，并不影響成像器件的幀頻，而激光頻閃的工作方式使得低頻的成像器件也可獲得高速目標的運動軌跡，所以，該發明可利用低頻成像器件獲得高速目標的運動軌跡，同時，不 影響成像器件的幀頻。4、利用本發明，由于采用了距離選通成像和時間延時積分，所以，該發明可給出目 標的距離信息和運動軌跡，通過建立感興趣觀察區三維空間與二維像平面的對應關系，就 可獲得目標的運動參數。5、利用本發明，由于獲取的目標圖像為光的強度圖像，且系統僅接收來自感興趣 觀察區的信號，所以，本發明與合成孔徑激光雷達相比，受大氣等因素影響小。
圖1是閃光追跡成像系統(a)選通門關閉不成像，(b)選通門開啟成像圖2是閃光追跡成像技術工作原理(a)工作時序，(b)工作場景示意圖，(c)-(f) 與脈沖對對應的子圖，(g)成像器件輸出的圖像圖3是閃光追跡成像技術的理論模型(a)針孔攝像機模型(b)透視投影模型圖4是閃光追跡成像實驗結果(a)實驗場景示意圖，(b)目標靜態圖，(c)背景 圖，(d)高速攝影實驗結果，(e)閃光追跡成像實驗結果圖中主要元件符號說明1脈沖激光器，2選通成像器件(配有選通門的(XD)，3控制器，4圖像處理及顯示 裝置(計算機)，5脈沖激光，6目標，7背景，8大氣等環境影響因素，9目標回波信號，10激 光脈沖，11選通脈沖，12CXD曝光時間，13脈沖對，14閃光追跡成像系統，15小球，16感興趣 觀察區，17目標樣本，18像平面，19羽毛球，20背景靶
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。在此公開本發明結構實施例和方法的描述。可以了解的是并不意圖將本發明限制 在特定公開的實施例中，而是本發明可以通過使用其它特征，元件方法和實施例來加以實 施。不同實施例中的相似元件通常會標示相似的號碼。閃光追跡成像系統主要由脈沖激光器1、選通成像器件2、控制器3、圖像處理及顯 示裝置4和伺服云臺組成，如圖1所示。脈沖激光器脈寬為ns級激光器，為系統的照明光 源，用于照亮場景；選通成像器件2配有選通門，可由外部電觸發信號控制門的開關；控制 器3主要是實現激光器和選通門的同步控制，以及時間延遲積分的時序控制；圖像處理及 顯示裝置4用于采集圖像，并對圖像進行處理，同時，作為命令輸入端向控制器3發送指令， 該裝置可基于計算機實現；伺服云臺主要是調節系統的方位角度，用于鎖定目標6。工作中，激光器發射一脈沖激光5，脈沖激光5傳至目標6，形成向后的目標回波信 號9。當目標回波信號9傳至選通成像器件2時，選通門開啟，(XD收集來自目標6的信號， 生成目標圖像。在激光傳播過程中，選通門一直處于關閉狀態，這樣可以屏蔽來自大氣等的 環境噪聲，僅使感興趣觀察區16的信號被接收，通過控制選通門的選通脈沖11和激光脈沖 10之間的延時來實現不同距離目標的成像。觀察距離由選通脈沖11和激光脈沖10間的延
9時T確定& =〒，其中，c為光速。而感興趣觀察區16的景深d主要由激光脈寬、和選
通門寬tg確定，其大小為d =。、)。對于運動目標而言，為了獲取其運動軌跡，閃光追跡成像采用了時間延時積分。該 延時積分主要是通過頻閃成像實現的，即在一幀的曝光時間里多次曝光，每次選通門開啟 曝光均與激光照射感興趣觀察區16形成的目標回波信號9相匹配。系統的工作時序如圖2(a)所示，激光脈沖序列和選通脈沖序列之間存在特定的 匹配關系，每個激光脈沖10對應一個選通脈沖11，形成一個脈沖對13。在一個脈沖對13 里，可通過調節激光脈沖10和選通脈沖11之間延時實現距離選通成像，在空間中形成一感 興趣觀察區16，實現不同距離目標的觀察，如圖2(b)所示。很顯然，在閃光追跡成像技術中成像器件一幀的曝光時間12里可包含多個脈沖 對13。該特點使得工作中當感興趣觀察區16的第一個回波信號到達CCD后產生電荷不直 接輸出，而是與同一幀其他脈沖對13形成的目標回波信號9累積，這樣在一幀的曝光時間 12里可接收目標形成的多個回波信號。由于不同脈沖對之間存在延時，且目標是運動的，因 此，不同脈沖對形成的目標回波信號所對應的成像器件的感光像元不一致，可理解為每個 脈沖對形成一幅運動目標的子圖，不同時刻下，不同子圖中運動目標占據的像元區不同。自 然，當成像器件一幀累積完成后，其輸出圖像為多幅子圖的疊加。以自由落體的小球為例，如圖2(a)所示，在成像器件一幀的曝光時間12里包含4 個脈沖對13。當小球15自由落體時，不同的脈沖對13對應不同的子圖，如圖2(c)-(f)，在 時間延遲積分模式下，該4幅子圖疊加形成圖2 (g)，作為一幀圖像輸出，直接給出了小球15 的運動軌跡圖像。需說明的是，閃光追跡成像技術中的時間延時積分是幀內積分，因此，對 (XD的幀頻無影響。閃光追跡成像可直接獲取目標的運動軌跡。為獲取目標的運動參數，需建立感興 趣觀察區16三維空間與二維像平面18的對應關系。如圖3(a)所示，f為成像器件的焦距， C為焦點，以C點為原點建立了笛卡爾坐標系，該坐標系的XY平面與像平面18平行。因為 像平面18位于焦點之后，所以，圖像中目標的位置與真實的三維空間位置相反。為了便于 分析，我們將成像平面18和感興趣觀察區16放在了焦點的同側，如圖3(b)所示，這樣可以 避免處理圖像平面18中被反轉的位置，易建立感興趣觀察區16三維空間與二維像平面18 的對應關系。其關系為<formula>formula see original document page 10</formula>公式⑷中X，Y和Z為真實三維空間中X軸，Y軸和Z軸坐標，x和y為目標在二維 像平面18對應的X軸和Y軸坐標。公式(4)表明，X向和Y向的距離精度依賴于Z向的距離 精度。由于觀察景深距系統較遠，對于(X，Y，Z)處目標到系統的距離R= (X2+Y2+Z2)1/2^Z, 因此，我們可認為同一 Z平面上的各點到系統的距離相等為R。Z向距離由選通門與激光的 延遲時間決定，具體為Z = R = ^- (2)系統中成像器件其X和Y向的像元分辨率為i、j，如圖3(c)所示。則目標距離為一幀圖像中各位置的Z軸坐標相等， 向和Y向的速度分量。當Z向速度分 量較小時，閃光追跡成像技術可通過掃描的方式，提高目標Z向距離精度，進而提高測速精度。 在閃光追跡成像系統中，C⑶輸出的圖像是多幅子圖的疊加，具體為一幀對應一 幅圖像，一幀中包含多個子幀，每個子幀對應一幅子圖。很顯然，一個子幀對應一個脈沖對。 當子圖含有目標時，我們稱子圖中的目標為目標樣本17。定義子幀幀頻a為每幀對應的子 中貞數量，即(XD—幀曝光時間12里的有效曝光次數。在有效曝光里面，選通門開啟，目標的 信號被采集，并在(XD上積分。很顯然，子幀幀頻決定了運動軌跡圖像中目標樣本的數量。 很容易發現，上面提到的時間間隔At即為系統子幀的周期。對于給定的成像器件，目標樣 本越多，則時間間隔At越小，目標的瞬時速度越準確。子幀幀頻大小為
Z時，X向和Y向空間分辨率I，J為 r j\ r ；\
<formula>formula see original document page 11</formula> 通過閃光追跡成像技術可獲得如圖3(c)目標的運動軌跡小球15從a位置運動 到b，然后運動到c位置。從圖3(c)中可得到在a、b、c三個位置的目標小球形心的像素坐 標(xp,a，yp,a)、(xp,b，yp,b)和(Xp,。，yp,。)，則相應的真實空間坐標可由公式⑷給出
<formula>formula see original document page 11</formula>從上面的分析可發現，通過公式⑵和⑷便可獲得運動目標的空間坐標(X，Y， Z) o如我們所知，速度為一矢量，在直角坐標系中目標的速度可表示為
<formula>formula see original document page 11</formula>公式中，交為目標的速度，是一矢量，vx、vY和vz為投影在X軸、Y軸和Z軸上速度分 量，是標量。1、和f分別為X軸、Y軸和Z軸的單位矢量。由于子幀周期為定值，因此，圖像記錄下了等時間間隔A t下不同時刻的小球15 位置。對于直線運動中目標的位移矢量與運動軌道完全重合，而在曲線運動中，當At很小 時，目標的位移和軌道可近似地看作重合。因此，在通過采集的圖像研究目標的運動速度 時，可以利用微分技術把曲線運動看作是由多個直線運動組成。因此，在采集了目標的運動 軌跡后，便可獲得目標的速度參數。以小球運動到a點為例，其瞬時速度為
<formula>formula see original document page 11</formula> 相應的，我們可獲得小球在b點的位置小球^
<formula>formula see original document page 11</formula> 當選通脈寬和激光器脈寬比較小時，可認為 Za Zb Z。。因此，通過一幀圖像主要獲得了目標X
<formula>formula see original document page 12</formula>(8)公式(8)中，RF為脈沖激光器的重復頻率，、為CXD((XD為系統的成像器件)一 個工作周期內曝光時間，如圖2(a)所示。當脈沖激光器的工作周期遠大于CCD —幀的信號讀取和轉移時間、時，子幀幀頻 可簡化為(9)公式(9)中，FPS為成像器件幀頻。從上面的理論分析中可以發現，欲確定目標的運動參數，至少需要3個目標樣本， 則相應的子幀幀頻的最小值應為3。需說明的是，并不是每幅子圖都可采集到目標，在子幀 圖像中存在空白子幀，因此，子幀幀頻應大于3，以便增加有效子幀的數量，增加圖像的信 息。在實際應用中，同一類型的動目標其速度往往具有一定的特征，即其速度在一定的區間 內，因此，針對特定應用目標，由公式(4)和(6)可判斷系統中激光器的重復頻率和成像器 件的幀頻參數的設定的合理性。本實施例的具體步驟如下(1)計算機4作為顯示器和參數設置平臺，按照預測目標6的運動特征設置系統參 數。參數主要包括激光器的脈寬、重復頻率、選通門的工作頻率、(XD的幀頻、脈沖對13中 選通脈沖11與激光脈沖10之間的延時，伺服云臺參數等。參數設定后指令傳給脈沖激光 器1、(XD2、控制器3和伺服云臺。(2)控制器3按照計算機4指令產生系統的工作時序，并將時序控制信號分發給脈 沖激光器1及選通成像器件2。(3)脈沖激光器1按照控制器3發出的指令調整工作參數，產生與時序驅動器給出 的激光脈沖驅動序列對應的激光脈沖10序列，對感興趣觀察區16進行照明。同時，選通門 按照控制器3發出的指令調整工作頻率和選通門寬，并按照時序驅動器給出的選通脈沖驅 動序列和預設的延時開啟關閉，僅讓感興趣觀察區16的信號進入到CCD2中。(4)當目標6進入感興趣觀察區16后，在脈沖激光的照明下產生相應的回波信號， 該回波信號經過開啟的選通門被C⑶2接收。在完成一幀的延時積累后，(XD2輸出圖像至 計算機4。CCD為視頻輸出，采集的圖像均被傳至計算機。(5)計算機4接收來自(XD2的圖像，并對其進行處理分析，獲取目標6的運動 特征，并對其進行分析。按照分析結果自動對系統的初始設置的工作參數進行調整，重復 (2) - (5)，這樣，便可通過初始參數的調整提高目標運動參數測量精度，當滿足測量要求后， 即完成參數測量。對于閃光追跡成像技術，本發明搭建了系統原理樣機，進行了初步實驗。實驗結果 如圖4所示。在圖4的實驗中，觀察目標為羽毛球19，其靜態圖像為圖4(b)。圖4(c)為背 景靶20所成圖像。實驗場景如圖4(a)所示，羽毛球在閃光追跡成像系統14和背景靶20 間做落體運動。圖4(d)為采用高速攝影獲得圖像，從實驗結果可以發現，目標淹沒在背景 中，很難發現。圖4(e)為采用閃光追跡成像獲得羽毛球下落的軌跡圖像。在圖4(e)中，由 于閃光追跡成像中采用了距離選通成像，因此，系統僅對感興趣觀察區16的目標進行了成 像，目標后的背景靶20被濾除，可以清楚獲得羽毛球19的下落軌跡，為進一步獲取目標的運動參數提供了原始數據。此實驗僅為初步實驗結果。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護范圍之內。
權利要求
一種獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法，其特征在于，該方法基于距離選通成像技術，采用脈沖激光器作為照明光源，采用配有選通門的CCD作為成像器件，并通過時間延時積分的工作方式來實現運動目標運動軌跡的成像。
2.根據權利要求1所述的獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法，其特征在于，所 述時間延時積分是通過激光頻閃成像實現的，成像器件一幀包含多個子幀，每個子幀對應 一個脈沖對，而每個脈沖對則由一個激光脈沖和一個選通脈沖構成，通過調節脈沖對內選 通脈沖和激光脈沖間的延時可實現距離選通成像。
3.根據權利要求2所述的獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法，其特征在于，在 激光頻閃成像過程中，當感興趣觀察區的第一個回波信號到達CCD后，其感生的電荷不直 接輸出，而是與同一幀其他脈沖對形成的目標回波信號累積，這樣在一幀的曝光時間里可 接收目標形成的多個回波信號；由于不同脈沖對之間存在延時，且目標是運動的，因此，不 同脈沖對形成的目標回波信號所對應的成像器件的感光像元不一致，可理解為每個脈沖對 形成一幅運動目標的子圖，形成一個目標樣本，不同時刻下，不同子圖中運動目標占據的像 元區不同，即目標樣本不重合；因此，當成像器件一幀累積完成后，其輸出圖像為多幅子圖 的疊加，這樣便可直接在一幀圖像中獲得由目標樣本形成的運動軌跡；然后，通過建立感興 趣觀察區三維空間與二維像平面間的對應關系，可反演出目標的三維運動參數，該參數包 括目標的空間位置、速度和加速度。
4.根據權利要求3所述的獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法，其特征在于，所 述建立感興趣觀察區三維空間與二維像平面間的對應關系，是以成像器件的焦點為坐標原 點建立笛卡爾坐標系，該坐標系的XY平面與成像平面平行；為避免處理圖像中目標位置與 其真實三維空間位置相反的問題，采用透視投影模型，將成像平面和感興趣觀察區放在焦 點的同側，建立感興趣觀察區三維空間與二維圖像的對應關系如下<formula>formula see original document page 2</formula>公式(1)中，f為成像器件的焦距，X、Y和Z為真實三維空間中X軸、Y軸和Z軸坐 標，x和y為目標在二維像平面對應的X軸和Y軸坐標；X向和Y向的距離精度依賴于Z 向的距離精度；由于觀察景深距系統較遠，對于(X，Y，Z)位置的目標到系統的距離R = (X2+Y2+Z2)172 ^ Z，因此，可認為同一 Z平面上的各點到系統的距離相等為R;Z向距離由選 通門與激光的延遲時間決定，具體為<formula>formula see original document page 2</formula>
5.根據權利要求2所述的獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法，其特征在于，所 述頻閃成像，是CCD在一幀的曝光時間里多次曝光，每次選通門開啟曝光均與激光照射感 興趣觀察區形成的回波信號相匹配；激光脈沖序列和選通脈沖序列之間存在特定的匹配關 系，每個激光脈沖對應一個選通脈沖，形成一個脈沖對；在一個脈沖對里，可通過調節激光 脈沖和選通脈沖之間延時實現距離選通成像，在空間中形成一感興趣觀察區，實現不同距 離目標的觀察。
6.根據權利要求1所述的獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法，其特征在于， 所述距離選通成像技術中，激光器發射一激光脈沖，激光脈沖傳至目標，形成向后的回波信號；當回波信號傳至成像器件時，選通門開啟，CCD收集來自目標的信號，生成目標的圖像；在激光傳播過程中，選通門一直處于關閉狀態，這樣可屏蔽來自大氣等的環境噪聲，僅使感興趣觀察區的信號被接收，通過控制選通門的選通脈沖和激光脈沖之間的延時來實現不同距離目標的成像；觀察距離由選通脈沖和激光脈沖間的延時T確定穴’÷，其中，C為光速；而感興趣觀察區的景深d主要由激光脈寬t，，和選通門寬t。確定，其大小為<formula>formula see original document page 3</formula>
7.根據權利要求3所述的獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法，其特征在于，目標空間位置是指目標在運動過程中某一時刻所處在真實三維空間的位置(X，Y，Z)，通過閃光追跡成像技術可獲得目標的運動軌跡，進而獲得目標在像平面的形心像素坐標(XD真n，yT＼..)；成像器件的X和Y向的像元分辨率為i和j，則目標距離為Z.時，X向和Y向空間分辨<formula>formula see original document page 3</formula>(3)則相應的X軸和Y軸的真實空間坐標可由公式(4)給出<formula>formula see original document page 3</formula>(4)通過公式(2)和(4)便可獲得運動目標的空間坐標(X.，Y.，Z.)。
8.根據權利要求3所述的獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法，其特征在于，目標的速度是指目標的瞬時速度，由于采用頻閃成像，子幀周期為定值，因此，圖像記錄下等時間間隔A t下不同時刻的目標位置；對于直線運動，目標的位移矢量與運動軌道完全重合，而在曲線運動中，當厶t很小時，目標的位移和軌道可近似地看作重合；因此，在通過采集的圖像獲取目標的運動速度時，可以利用微分思想把曲線運動看作是由多個直線運動組成；因此，在采集了目標的運動軌跡后，便可獲得目標的速度參數；則位置(X.，Y.，Z.)目標的瞬時速度為<formula>formula see original document page 3</formula>公式(5)中，V加、V加和V，.為投影在X軸、Y軸和Z軸上速度分量，(X.／1，乙、，Z.+、)為目標自(X.，Y.，Z.)位置運動厶t時間間隔后目標的位置。
9.根據權利要求3所述的獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法，其特征在于，目標的加速度是指目標的瞬時加速度，位置(X.，Y.，Z.)目標的的瞬時加速度為<formula>formula see original document page 3</formula>公式(6)中，a加、a加和a，.為投影在X軸、Y軸和Z軸上加速度分量，(X.一1，Y.一1，Zn一、)為目標自(X.，Y.，Z.)位置時間前移厶t所對應時刻目標所處位置；當選通脈寬和激光器脈寬比較小時，可認為一幀圖像中各位置的Z軸坐標相等，Z。2C Zb CC Z.；因此，通過一幀圖像主要獲得了目標X向和Y向的速度分量；當Z向速度分量較小時，閃光追跡成像技術可通過 掃描的方式提高目標Z向距離精度，進而提高測速精度。
10.根據權利要求1所述的獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法，其特征在于，目 標的運動軌跡是指在一幅圖像中不同時刻下采集的多個目標樣本形成的可反應目標運動 路徑的軌跡，在成像器件一幀的曝光時間里，采用激光頻閃對不同時刻下運動到不同位置 的目標成像，從而形成多個目標樣本，進而反應目標的運動路徑；在目標樣本相互分立的前 提下，一幅圖像中目標樣本數量越多，則越能反應目標真實的運動軌跡，而目標樣本的數量 主要由子幀幀頻a決定；其中，子幀幀頻a是指每幀對應的子幀數量，CCD—幀曝光時間 里的有效曝光次數便是子幀幀頻，其大小為<formula>formula see original document page 4</formula>(7)公式(7)中，RF為脈沖激光器的重復頻率，、為CCD —個工作周期內曝光時間；公式 (5)和(6)中的時間間隔At即為子幀的周期；當脈沖激光器的工作周期遠大于CCD—幀 的信號讀取和轉移時間、時，子幀幀頻可簡化為<formula>formula see original document page 4</formula>公式⑶中，FPS為成像器件幀頻；欲確定目標的運動參數，至少需要3個目標樣本，則 相應的子幀幀頻的最小值應為3 ；由于在子圖中存在空白子圖，因此，子幀幀頻應大于3，以 便增加有效子圖的數量，增加圖像的信息。
全文摘要
本發明公開了一種獲取動目標運動參數的閃光追跡成像方法，該方法基于距離選通成像技術，采用脈沖激光器作為照明光源，采用配有選通門的CCD作為成像器件，并通過時間延時積分的工作方式來實現運動目標運動軌跡的成像。其中，距離選通可獲得目標的距離信息，并可將目標從復雜背景中提取出來，降低了后期處理的復雜性；時間延遲積分可直接獲得目標的運動軌跡。通過建立感興趣觀察區三維空間與二維像平面間的對應關系，可反演出目標的運動參數，主要包括目標的空間位置、速度和加速度。本發明工作環境適應性好，可直接獲取目標3D運動軌跡，實現目標運動參數的非接觸測量。
文檔編號G03B15/16GK101833223SQ201010140989
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者劉育梁, 周燕, 王新偉 申請人:中國科學院半導體研究所