一种速度场探测的成像系统及方法

本发明属于图像传感器，尤其是一种速度场探测的成像系统及方法。

背景技术：

1、图像传感器是用于捕捉光信息并将其转换为电信号的设备，广泛应用于各种领域，尤其是视频监控、自动驾驶和工业检测等。传统的图像传感器主要用于静态图像捕捉、视频录制或者景深相机，但随着当今视觉技术的发展，在动态场景中也产生了对图像传感器的使用需求，例如对速度场的测量。

2、目前市场上的图像传感器主要大多侧重于高分辨率和，高帧率以提高图像质量，然后用于速度测量的图像传感器方案主要是依赖多帧图像差分，但这些方法在实际应用中面临许多挑战，例如实时性差和精度受限等等。

3、现有的速度场图像测量方法主要有粒子图像测速法、结构光测速法和雷达测速法等。粒子图像测速法通过捕捉和分析流体中悬浮的示踪粒子的运动来测量速度场，通过照明时拍摄两帧图像，然后比较粒子在两帧图像中的位移计算速度。该方法虽然能获得较好的成像质量，但数据处理复杂，需要十分精确的配准两帧的图像，而且需要较好的粒子特性。

4、结构光测速法通过投射已知形状的光图案到物体上，然后捕捉光图案的形变，通过处理和分析形变量来测量速度。该测量方法的优点在于能实现三维速度场的测量，但对光图案的投射和捕捉方法要求太高，并且待处理的数据也相当复杂。

5、多普勒雷达也是一种基于多普勒效应的速度测量技术，广泛应用于天气学、交通测速、航空、军事等领域。尽管多普勒雷达有实时性强，速度测量准确等优点，但也存在很多局限性，例如容易受到环境干扰，如降雪，雪花，灰尘和鸟类等杂波的影响，干扰信号回波的质量，从而影响速度测量的准确性。并且雷达天线的方向性和功率容易限制雷达的覆盖范围和探测距离，需要更高功率和设计更好的天线，将增加系统的复杂性和成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种速度场探测的成像系统及方法，通过利用传统的tof架构，并设计驱动时序和读出时序，以进行速度场图像的测量和实时显示。

2、本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

3、一种速度场探测的成像系统，包括主动光源、镜头、像素阵列、模拟数字转换器、fpga和上位机，其中镜头、像素阵列、模拟数字转换器、fpga和上位机依次连接，主动光源根据需要的发射时间和相位发出相应的调制光，调制光通过物体形成反射光，镜头用于选取镜头范围内的反射光，像素阵列用于接收反射光并根据像素调制频率进行调制，模拟数字转换器用于将调制的模拟信号转换为数字信号，fpga用于缓存转换的数字信号，上位机对缓存的数字信号进行解算并将结果进行显示。

4、而且，所述像素阵列采用2-taps像素。

5、而且，所述2-taps像素包括感光区域pd，pd感光区域的复位开关og，开关sf1和sf2，传输开关tx1和tx2，fd1和fd2节点的复位开关rst，接收外部信号来选择读出该像素数据开关sel1和sel2，其中电源vdd依次连接开关sf1和接收外部信号来选择读出该像素数据开关sel1的两端，电源vdd依次连接开关sf2和接收外部信号来选择读出该像素数据开关sel2的两端，电源vdd连接复位开关og的输入端，感光区域pd的输出端依次连接传输开关tx1、tx2的输入端和感光区域pd，传输开关tx1的输出端连接开关sf1和复位开关rst的输出端，传输开关tx2的输出端连接开关sf2和复位开关rst的输出端，复位开关rst的输入端连接电源vdd。

6、而且，所述感光区域pd用于接收到外界光照以后在内部产生电子，fd1和fd2节点的复位开关rst用于对fd1和fd2节点进行复位，pd感光区域的复位开关og用于清空pd，传输开关tx1和tx2用于将pd中由于光照而产生的电子存入fd节点，接收外部信号来选择读出该像素数据开关sel1和sel2用于接收外部信号来选择读出该像素数据。

7、一种速度场探测的成像系统的成像方法，包括以下步骤：

8、步骤1、主动光源发出频率为f的调制光，调制光与像素阵列调制频率相同，像素开始调制；

9、步骤2、判断曝光时间是否结束，若结束则进行步骤3，否则继续调制到曝光时间结束并进行步骤3；

10、步骤3、将像素0°相位调制和180°相位调制的结果读出做差，记为a；

11、步骤4、进行像素全局复位；

12、步骤5、主动光源发出频率为g的调制光，像素开始调制；

13、步骤6、判断曝光时间是否结束，若结束则进行步骤7，否则继续调制到曝光时间结束并进行步骤7；

14、步骤7、将像素0°相位调制和180°相位调制的结果读出做差，记为b；

15、步骤8、将a和b经过模拟数字转换器，输入fpga做帧缓存后，将每一帧缓存结束数据进入上位机解算速度v。

16、而且，所述步骤8的具体实现方法为：

17、

18、其中，c为光速。

19、本发明的优点和积极效果是：

20、1、本发明通过主动光源、镜头、像素阵列、模拟数字转换器、fpga和上位机构建了一种速度场探测的成像系统，并通过利用传统的tof架构，并设计驱动时序和读出时序，以进行速度场图像的测量和实时显示，实现了一种高精度，高帧率，高稳定性的速度场测量方法。

21、2、本发明通过构建像素调制的时序，因此拥有较高的帧率，从而可以实时且精准地输出速度场图像。

22、3、本发明通过利用tof图像传感器结构，与其他测速技术相比，例如多普勒雷达，系统体积更小，造价成本更低。

1.一种速度场探测的成像系统，其特征在于：包括主动光源、镜头、像素阵列、模拟数字转换器、fpga和上位机，其中镜头、像素阵列、模拟数字转换器、fpga和上位机依次连接，主动光源根据需要的发射时间和相位发出相应的调制光，调制光通过物体形成反射光，镜头用于选取镜头范围内的反射光，像素阵列用于接收反射光并根据像素调制频率进行调制，模拟数字转换器用于将调制的模拟信号转换为数字信号，fpga用于缓存转换的数字信号，上位机对缓存的数字信号进行解算并将结果进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种速度场探测的成像系统，其特征在于：所述像素阵列采用2-taps像素。

3.根据权利要求2所述的一种速度场探测的成像系统，其特征在于：所述2-taps像素包括感光区域pd，pd感光区域的复位开关og，开关sf1和开关sf2，传输开关tx1和tx2，fd1和fd2节点的复位开关rst，接收外部信号来选择读出该像素数据开关sel1和sel2，其中电源vdd依次连接开关sf1和接收外部信号来选择读出该像素数据开关sel1的两端，电源vdd依次连接开关sf2和接收外部信号来选择读出该像素数据开关sel2的两端，电源vdd连接复位开关og的输入端，感光区域pd的输出端依次连接传输开关tx1、tx2的输入端和感光区域pd，传输开关tx1的输出端连接开关sf1和复位开关rst的输出端，传输开关tx2的输出端连接开关sf2和复位开关rst的输出端，复位开关rst的输入端连接电源vdd。

4.根据权利要求3所述的一种速度场探测的成像系统，其特征在于：所述感光区域pd用于接收到外界光照以后在内部产生电子，fd1和fd2节点的复位开关rst用于对fd1和fd2节点进行复位，pd感光区域的复位开关og用于清空pd，传输开关tx1和tx2用于将pd中由于光照而产生的电子存入fd节点，接收外部信号来选择读出该像素数据开关sel1和sel2用于接收外部信号来选择读出该像素数据。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的速度场探测的成像系统的成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种速度场探测的成像系统及方法，其特征在于：所述步骤8的具体实现方法为：