飞行时间成像系统的数字仿真技术*(3)
ΔUab=0
此时将ΔUab与光源驱动信号进行相关运算,解算的相移量φ等于0,因此输出的距离信息d也为0.
根据飞行时间测距原理,其测距性能与光信号的强度相关.一般使用调制对比度Km定义为[26]
其中Imax和Imin分别为传感器接收的光强度的最大值和最小值.传感器像元电路将采集的光信号与转换为模拟信号,光强信号由电信号表征.Imax和Imin转换为模拟信号电压和基准电压之差ΔUmax和ΔUmin.在无环境光时,信号的调制对比度为
当存在环境光信号时,调制对比度为
其中Pbackground为环境光在场景表面照明的光功率,Popt为飞行时间成像系统调制光源的光功率.当照明光源光功率为定值时,如果无环境光存在,则
K=KPMD
当环境光存在时,有
K
即环境光对场景表面的光强度增大导致光信号的调制对比度衰减.
图3 存在环境光干扰的像元输出信号对比图Fig.3 Pixel output signal comparison chart with ambient light interference
3 仿真算法组成
根据上述飞行时间成像的物理过程,仿真算法可分为成像系统参数模块、环境光参数模块、场景参数模块、场景数据生成模块和场景数据输出模块五个部分.各模块之间的关系如图4所示.其中,成像系统参数模块用于输入传感器参数,包括光学系统焦距、像元数、帧率、调制光源波长、调制频率等;环境光参数模块用于输入环境光参数,包括环境光波长、环境光强度、光传输过程的衰减系数等;场景参数模块用于设置场景的三维顶点数据、表面反射模型及反射率;场景数据生成模块通过渲染器生成传感器光源照明和环境光共同作用下的场景深度数据;数据输出模块将场景深度数据存储为特定格式,是仿真算法与外部程序的交互接口.
图4 仿真算法组成框图Fig.4 Block diagram of simulation algorithm composition
4 仿真参数设计
传感器参数集以TI公司的飞行时间传感器为参考[13],主要参数如表1所示.系统光源和传感器中心位于空间中的同一位置,并将该点设置为成像系统的坐标系原点,光源的强度分布设定为理想的高斯光源,生成的深度数据均定义在相机坐标系中.
表1 飞行时间成像系统仿真参数集Tab.1 Time-of-flight imaging system simulation parameters set参数名称参数值像元数320×240像元尺寸15 um量子效率0.8光源工作波长850 nm光源调制频率45%@50 MHz光源峰值功率5 W光学系统孔径1.8光学系统焦距5 mm
对于近地轨道的小行星表面,环境光照具有以下4个特点:
(1)来自太阳的能量占环境光的绝大部分,强度为1个太阳常数即1 367 W/m2;
(2)光照形式为平行光;
(3)无大气衰减;
(4)光线矢量与场景表面法线空间角的变化范围为0°~180°.
根据上述4个特点,环境光参数的设置如表2所示,分别对环境光的强度、波长、矢量方向和衰减进行了配置.环境光强度的配置范围为0.0f至.0f,对应环境光强度可从0个太阳常数和1个太阳常数之间可调;环境光波长通过光谱矢量表达,表征环境光的光谱分量;光照矢量定义在成像系统坐标系中,为一个单位矢量,表征环境光传播方向;传输衰减为光能量到达场景表面时的损耗比例,设置为0.
5 数字仿真结果
5.1 仿真精度评估
在上述仿真参数集的基础上,设定场景为余弦辐射体平面,该平面到图像中心的距离分别为0.5 m、1 m、2.5 m和5 m.图5~8分别为图像中心到场景平面的距离分别为上述距离时的三维坐标值和真值.从仿真结果中可以看出,飞行时间成像的测量值在场景深度真值的基础上叠加噪声,并且由于照明光源的高斯分布和光学系统渐晕的影响,二维图像的灰度随着像方视场的增大而衰减,导致深度信息的随机误差增大.在各个测量距离上计算测量距离的均值和均方差如表3所示.
表2 环境光仿真参数集Tab.2 Ambient light parameters set参数名称参数值环境光类型/环境光强度0.0f~f环境光波长(1.0f, 1.0f, 1.0f)光照矢量(x,y,z)x2+y2+z2=1传输衰减0.0f
图5 0.5 m距离的余弦辐射体平面仿真结果和真值Fig.5 Cosine radiator plane simulation results and ground truth at a distance of 0.5 m
图6 1 m距离的余弦辐射体平面测量值和真值Fig.6 Cosine radiator plane simulation results and ground truth at a distance of 1 m
图7 2.5 m距离的余弦辐射体平面测量值和真值Fig.7 Cosine radiator plane simulation results and ground truth at a distance of 2.5 m
文章来源:《大气与环境光学学报》 网址: http://www.dqyhjgxxb.cn/qikandaodu/2021/0208/336.html
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