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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于波前编码法的光电被动测距信号处理系统研究 姓名：李杨 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：陈海清 20070302 I 摘 要 光电测距系统一直是学术研究的热点。不论是由于商业还是军事领域上广阔的应 用前景，都使得各种光电测距方法得到了实验的机会。传统的测距方式多为主动测距 系统。这类系统一般自带激光光源系统，使得整机结构复杂，因此在实践中逐渐暴露 出体积大，移动性差等问题。一系列新的测距系统都不再自带光源系统，而是仅仅利 用目标自身发射或者反射的光信号来进行距离的探测。这一类新型系统就是光电被动 测距系统。 本课题的主要内容就是研究光电被动测距相关
2、的技术。传统上三角法等多目测距 方法具有很高的探测精度和探测深度，但是这类系统在可靠性和系统结构上仍然表现 不佳，应用场合受到限制。仅仅使用一个探测器就能实现测距目的的单目测距系统在 很多下可以取代多目测距系统。为了尽可能的简化测距系统，课题致力于单目被动测 距新方法的研究，特别是结构简单的波前编码法系统。 本文着重探讨了波前编码法单目被动测距方法，重点讨论了多种常见测距方案的 优缺点并阐述了光电被动测距系统研究中具有很大实际应用价值的新方案波前编 码法的基本理论。列举了光学仿真系统的整体设计方案，着重介绍了用于仿真被动光 学测距系统仿真的数字图像生成模块的设计与实现方案。展示了波前编码法光电
3、被动 测距系统设计方案下光学系统仿真的结果。仿真结果很好的验证了模块设计的合理性。 最后指出了仿真系统今后的改进方向，并且针对光学实验平台的搭建做出了一些初步 的设计。 关键词关键词：被动测距 波前编码 仿真平台 数字图像处理 II ABSTRACT Studies on ranging have been a hot topic for centuries. Systems and applications for both commercial and military purposes are realized. Most of these systems are active, whi
4、ch contain laser subsystems to emit light beams. Because the active systems are usually large, what is a big problem for several critical applications. Later ranging systems drop the active part, and instead estimate the ranges out of the radiation or reflection light from objects. These systems are
5、 passive. Systems using triangle methods perform as precisely as those active systems. Because of multiple sensors deployed inside, the systems, named multi-sensor passive systems, are not yet reliable enough. Compared to them, a new kind of designs with only one sensor is more appealing which also
6、leads to a much simpler composition of components. Single-lens systems lead the way of the trends and many different approaches have been developed through these years. This paper presents basic theory on the optic wave-front coding passive ranging approach. Because the optic design is the most impo
7、rtant part, in order to test and tune the work before fabrication, it is necessary to build up a simulation library. Simulation is an important process during optical passive ranging system design. A good image simulator can make the simulation correct and robust. Based on information optics theory,
8、 an applicable image simulator is designed and implemented to simulate system OTF and PSF. After testing in two different applications, the result is satisfactory. Key words: Passive Ranging Wavefront coding Simulation library Digital image processing 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所
9、知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上
10、方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 课题目的和研究意义 距离测量是一门极其古老的学问。埃及金字塔，柬埔寨的吴哥窟，中国的万里长 城都是人类建筑艺术的瑰宝。能够建造这样庞大的建筑群，表明人类当时已经掌握了 极高的测绘技术。而自近代以来，伴随着电磁技术的发展，特别是微波、激光技术、 计算机技术的应用，以激光测距仪为代表的现代光电测距技术完全取代了传承千年的 人工测距方式，广泛应用于各个领域。2005 年结束的第二次珠峰高度测量活动，就是 一次当代测量技术的盛会。由于激光测距仪和基于 GPS 全球卫星定位测距
11、等新技术的 应用，使得高度的测量精度得到了前所未有的提高。 光电测距技术以测距基本原理可划分为主动和被动两类1。 主动测距系统一般来说 内部集成有受控的发射源。发射源可能是相干的也可能是非相干的，可能是宽带的也 可能是窄带的，但是发射源的输出必须是已知的并且受控的。许多主动测距系统可以 通过测定光信号来回时间或者波形调制（频率调制或者幅度调制）技术来测量未知目 标的距离。这样的系统也包括通常所知的雷达。雷达一般使用毫米波信号来回时间的 测量得到距离信息。 当然， 雷达还可以通过信号 Doppler 频率的压缩和扩展来测量目标 的相对速度。激光雷达系统同一般雷达系统很相似。不过它使用纳米级波长的
12、相干光 照明。这样它可以得到时间和空间上更佳的精度，但是信号的波长不能够透过很多介 质，例如大气中的水滴、灰尘或者植被。带有激光器的系统通过发射一个光信号包计 算信号的来回时间测出距离，例如激光测距仪。某些应用场合下系统可以测量从已知 表面反射回来的能量。由于信号强度同距离平方的倒数成正比，测量反射的能量再结 合反射表面的吸收特性等就可以测出目标的距离。超声波测距探测器同样使用了来回 时间测量办法，但是超声波信号的波长很长，这一类系统一般发射一个脉冲，然后测 量接收到一个相同或者稍微受到调制的信号所需要的时间。用总时间的均值乘以发射 信号在传播介质中的传播速度就可以得到距离的估计值。图 1-1
13、 就是一个测量来回时 间的系统一般框图。 2 图 1-1 一般的测量来回时间系统 以干涉仪为基础的测距探测器则是测量发射和接收的窄带光信号之间的相位差。 信号间相对相位的变化能够以很高的精度表明距离的变化。这样的系统测量精度远比 测量来回时间的系统高，因为它可以测出波长级别的位移。但是这种系统存在相位模 糊现象，因为相位具有2的周期。这限制了可以测量的最大距离。另一类主动系统是 结构照明系统。这样的系统将具有一定纹理的光信号投射到目标上（通过射灯，激光 器，LED 等） 。目标反射光信号中的纹理形变可以提供距离信息。其他的主动测距方法 还有莫尔条纹法等。 传统的测距技术基本上都是采用的这一类主
14、动探测手段，因此具有其与生俱来的 弱点。以使用应用极为方便的激光测距仪为例，使用时必须主动发射出激光信号，然 后才可以通过测量从目标反射回来的微弱信号，提取出目标的距离信息。这样的系统 必须自带光源，使得系统结构复杂，很难小型化。特别在条件苛刻的军事领域，主动 的信号发射就可能造成自身的暴露，受到打击。所以，仍然需要研制出具有高保密性 和高隐蔽性同时轻便易携带的新技术新设备，才可以满足军事应用、野外工作等特殊 场合的需要。 为了满足上述的需要，本课题着重研究了被动测距系统设计中以波前编码法基本 原理为导向的一类测距技术，并且建立出了一种能够辅助系统关键部件掩模板 掩模函数设计工作的通用仿真平台
15、并且对于零空间设计以及正交系统两种编码方案 都做了效果验证。从实验结果来看，仿真平台很好的达到了预期效果。 1.2 国内外相关领域的技术现状及发展趋势 被动测距系统则是通过探测物体的自然光辐射并进行分析来确定物体的距离，如 基于目标图像测距法、根据物体光谱辐射强度和大气光谱传输特性模型测距法、根据 3 物体的方向角测距等。这样一系列丰富的被动测距方法利用基于所用探测器数量的分 类方法又可以划分为多目测距和单目测距两大类。这样一类不主动发射光信号的光学 距离测量技术近年来一直是学术界的研究热点。这类系统都具有保密性高、体积小、 成本低等优点，在特定领域正逐步取代主动测距系统。国内现阶段的成果主要停留在 理论探讨和仿真阶段的新技术新观点，也有已经作出系统原型的项目。国外则是已经 研究出多种形成产品线的成熟技术，其中很多都已申请了专利。 被动测距系统按照系统中使用的探测器/光学镜头的个数可以划分为多目和单目两 大类。从性能上来说，一般采用了多个探测器的多目测距系统在测量精度和测量范围 两个方面都十分优秀，但是系统结构复杂，体积大，不易部署。在机动性等方面，仅 仅采用一个探测器的单目测距系统则具有很大的优势。在同等精度条件下，单目测距 系统的应用前景要好于多目系统。 多目被动测距系统采用的基本测距原理是几何学的三角法，即解三角形。由于和
