基于波前编码的被动测距方法研究.docVIP

基于波前编码的被动测距方法研究 Gregory E. Johnson, Edward R. Dowski, Jr., and W. Thomas Cathey 摘要： 本文介绍基于波前编码的被动测距系统。应用线性模型和Fisher 矩阵对单孔径光电系统进行分析。对单孔径单图象系统的两个方面作了研究：（i）对目标物体测距估计（ii）探测目标距离上的物体。估计误差值的理论极限可由Cramer-Rao 方差下限确定。分析表明，用一个单波前编码图象就可以得到误差小于0.1%的距离估测值。我们搭建了一个实验系统，并在文中给出了实验结果。 1 引言： 波前编码技术是对不连续波前里所含信息进行编码。从物体发出的光的波前被掩膜编码，而这个掩膜一般被放置在或者靠近一个普通成象系统的孔径处。被探测到的不连续的空间抽样的波前的解码是由数字信号处理算法完成的。所设计出的光学数字系统将一个物体的三维信息的一部分以最佳方式转换成二维平面信息。在测距系统研究中，要求所设定的光学掩膜能保留距离信息。而其他情况下，掩膜可能会保留或去除空间频率信息，等等。虽然其他方法也可行，但这次研究中，对编码波前的数字信号处理算法是由软件实现的。图一所示为一个典型的波前编码被动测距系统。 本文内容安排如下，第2部分是对光学被动测距系统的背景介绍，其中并未提及主动系统。第3部分介绍了本次研究中所用的光学掩膜。第4部分分别介绍测距和物体探测的线性系统模型以及信号处理算法。第5部分应用CR方差下限给出两种典型系统各自的理论极限。第6部分里，我们将一个系统中的光学掩膜和透镜组集成，通过实验验证理论分析。第7部分是对实验结果的讨论以及最后的结论。 2 背景资料：光学被动测距 通常情况下，所谓被动系统就是因为在该系统中没有信号发射器。鉴于此，它们具有如下优点：隐秘，低功耗，和主动系统相比需要更少的器件。然而，被动系统的复杂度高，性能也较差。比如说，不连续的被动测距系统可能会使用多孔径或多图像来完成立体的或运动的测距[1]。这些技术要求一个目标物的多幅或者变换的图像。从不同角度观察而得的相应图像就可以用来确定目标物的距离。单孔径被动系统包括一个商用自调焦系统（ATF）[2]和range-from-defocus 方法[3]。range-from-defocus系统假定目标物的空间频率内容，并且使透镜组焦点处于最佳位置。此时，距离可以通过对几何光学的分析得到。 摄像用ATF系统是目前非常流行且十分成功的商用测距实例[4]。主动ATF通常会测量光束从目标物返回后与出射光束间的角度。被动ATF有两种：对比度匹配和相位匹配。对比度法与range-from-defocus法类似，空间频率的最大值处就代表最佳焦距。相位匹配ATF认为，对一个焦内系统而言，经过出瞳的强度是一样的；对离焦系统则是另外一种情况。值得注意的是这些系统被安放在最好的原始距离探测仪上，因此与精确的测距相比，更看中的是为人们摄象找到最合适的焦点位置。更多的关于商用ATF系统的介绍参见参考文献[4]。 另外还有一种选择，波前编码[5]使用一个光学调制系统，它可以直接对距离信息编码。距离信息可以用信号处理方法直接从一张图像中提取出来。Dowski 和Cathey已经介绍过一个象这样的复合系统[6]。参考文献[6]中所描述的光学掩膜是产生振幅传递函数（MTF），它具有一系列的周期性的零点；周期和离焦量有关，而离焦量又是距离的函数。因此，对空间频率中零点出现的周期的估计就可以得出与之相关的距离。 在零空间设计中不同距离目标物的交迭导致周期之间的竞争，使对所测距离的估计变得困难。但是，在本次测距实验中以及文献[7]和[8]中所描述的掩膜进行带通编码，把不同距离的目标物分离到不同的空间频率区域。这种掩膜的编码特性在第3部分中会有更详细的介绍。而在第4至第6部分则着重讨论如何通过数字处理从编码后的图象中得到所测距离值。 3 被动测距中的掩膜 在该被动测距系统中所用的掩膜板采用的形状为函数字cos(βπx)cos (βπy)形式，是一块矩形可分离变量掩膜。该掩膜的传输特性如图2所示。 由于被动的光学媒质只能是实际存在的，所以引入一个高为λ/2的位相光栅，其中λ是入射波的中心波长，该光栅可以使原本按｜cos (βπy)｜变化的位相产生负号。位相掩膜和振幅掩膜的相位曲线以及空间方向特性如图3所示。 该掩膜引入一个特殊的振幅传递函数（MTF），该MTF随着离焦量ψ的不同而有显著的变化。这个具有无限孔径的理论MTF随离焦量ψ变化的关系如下所示：