CN101776760A - 一种基于单光子探测器的激光三维成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于单光子探测器的激光三维成像装置，属于光电仪器技术领域。脉冲激光器发出激光脉冲经扫描系统照射被测目标，返回光子由收发同轴光学系统接收，经过光谱滤波器和空间滤波器由双门控单光子探测模块接收并输出到达脉冲，结合激光发射探测和多到达脉冲时间测量得到目标测量点的光子飞行时间。数据处理模块根据三维成像装置位置姿态数据、扫描镜指向数据和光子飞行时间数据进行坐标转换，去噪，并进行三维图像构建、校正，输出可靠的目标三维距离图像数据。本发明解决了现有的激光三维成像装置无法穿透植被和伪装以及远距离作用时难以小型化等问题。

Description

一种基于单光子探测器的激光三维成像装置

技术领域

本发明属于光电仪器技术领域，具体是指一种基于单光子探测器的激光三维成像装置，它用于探测植被或伪装下的目标，可以快速获得远目标高分辨率的激光三维图像。

背景技术

与传统的二维灰度图像相比，三维距离图像能够提供更为丰富的目标信息如距离、方位、大小和姿态等，可以极大地提高目标识别和分类的效率。基于飞行时间法的激光三维成像是一种常见的用于目标三维成像的重要方法。它利用脉冲激光束对目标进行照射，经光电探测器接收反射回波，通过计算激光脉冲飞行时间获取目标表面的距离信息，结合二维扫描或焦平面探测技术进而获取区别于背景的目标表面的距离图像，距离图像的每个像素对应的是目标表面的三维坐标。作为一种可以快速获取目标三维图像的有效手段，激光三维成像在诸如地形测绘、直升机避障、激光主动制导等领域都获得了广泛应用。

现有的激光三维成像装置中通常采用雪崩光电二极管作为探测器结合线性放大电路接收目标反射回波。这种情况下，探测器工作于线性模式，其灵敏度往往在数百光子以上。如果要求较远的成像作用距离，一般采用提高激光脉冲能量、增加接收望远镜口径等方法。这些方法一方面造成系统体积和功耗过大，另一方面限制了激光器重复频率的提高从而导致三维成像帧速不高。此外，在对地遥感及一些军用领域，探测对象往往隐藏在植被或人为伪装之后，目标回波经过较大衰减一般极其微弱，受探测器灵敏度的限制，对隐藏目标的成像探测很难实现。

总之，目前的激光三维成像装置受限于探测灵敏度，很难对隐藏目标进行探测，且在作用距离较远时，对激光器能量和接收望远镜口径要求较高，难以实现系统小型化和高帧速成像。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有单光子灵敏度，可以对较远目标进行快速扫描三维成像并具有植被或伪装穿透能力的激光三维成像装置，解决现有系统的存在的技术不足。

本发明的目的是通过下述技术途径实现的：

本发明公开的一种基于单光子探测器的激光三维成像装置，包括位置和姿态探测单元、脉冲激光器、准直镜、发射-接收共用望远镜、发射-接收分光镜、扫描镜、成像透镜组、窄线宽光谱滤波器、小视场空间滤波器、双门控单光子探测单元、高速激光发射探测单元、门控信号产生单元、多到达脉冲时间间隔测量单元和数据处理单元，其中：

1)位置和姿态探测单元在装置测量工作过程中实时提供本体的位置和姿态信息。

2)脉冲激光器需要具备高重频窄脉宽窄线宽特性，作为主动三维成像装置的发射光源，与探测器和光谱滤光器配合，工作波长可以是532nm或1064nm。

3)准直镜位于脉冲激光器之前，其作用是对脉冲激光器发出的光束进行准直和整形，使其成为发散角较小且形状较对称的光束。

4)发射-接收共用望远镜为透射式伽利略望远镜，一方面作为主镜接收目标反射激光脉冲能量，并使后光路形成平行光路以进行窄线宽光谱滤波，另一方面用于对经过准直的激光光束进行扩束，进一步压缩发散角以与小接收视场配准。

5)发射-接收分光镜位于发射-接收望远镜之后，为中心开孔的反射镜，其功能是对同轴化的发射和接收光路进行分光，将后光路分为发射光路和接收光路，实现窄探测视场和窄发射光束的配准。

6)扫描镜位于发射-接收望远镜之前，需要具备二维指向能力，其功能是改变激光光束的指向，实现对目标不同部位的测量，从而获得目标完整三维图像。

7)窄线宽光谱滤波器在发射-接收望远镜分出的接收光路上，为窄带干涉滤光片，具备高透过率窄线宽特性，其功能是仅让工作波长的回波光子顺利通过而尽量抑制其他波长的背景光和杂散光。

8)成像透镜组位于窄线宽光谱滤波器之后，收集光回波能量并聚焦于小视场空间滤波器上。

9)小视场空间滤波器的功能是减小探测器单元接收视场，使单元视场与探测器光敏面大小无关，在提高三维成像空间分辨率的同时降低背景光噪声的影响。

10)双门控单光子探测单元接收经过窄线宽光谱滤波和小视场空间滤波之后的回波光子信号，其核心为单光子探测器，采用盖革工作模式下的雪崩光电二极管或高增益的光电倍增管，可以通过调整偏压的方式进入或退出单光子探测模式。双门控一个用来使能探测器进入单光子探测模式，另一个用来对探测单元输出信号进行使能以选取一定距离范围内的目标回波光子进行时间测量。

11)高速激光发射探测单元用来检测激光脉冲的发射，提供激光脉冲发射时刻信息，采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管组件将光脉冲转化为电脉冲作为激光发射信号。

12)门控信号产生单元根据激光发射时刻产生两个经过一定时间延迟的门脉冲信号送入双门控单光子探测单元，一个门控信号用来使探测器其进入或退出单光子探测模式，另一个门控信号允许一定范围内的信号进入或不进入多到达脉冲时间间隔测量单元。

13)多到达脉冲时间间隔测量单元可以测量多个返回光子到达时刻与激光脉冲发射时刻之间的时间间隔，从而根据光速计算出目标测量点的距离信息。

14)数据处理单元综合返回光子往返飞行时间数据、装置的位置和姿态数据以及扫描镜的指向角度数据，对目标三维距离图像进行反演。

本发明的三维成像工作方式是：脉冲激光器发出激光脉冲经扫描镜照射被测目标，返回光子由收发同轴光学系统接收，经过窄线宽光谱滤波器和小视场空间滤波器由双门控单光子探测模块接收并输出到达脉冲，结合发射时刻探测和多到达脉冲时间间隔测量得到目标测量点的光子往返飞行时间。数据处理单元根据三维成像装置位置姿态数据、扫描镜指向数据和光子往返飞行时间数据进行坐标转换，得到原始的目标三维点云数据，该点云数据中含有包括背景光子及探测器暗计数在内的虚假信号。然后对测量点云数据的集中情况进行分析得出目标表面大概位置，将目标一定景深内的空间区域划分为一系列的栅格立方体并统计各立方体内出现的信号数量。由于目标表面具有一定的距离相关性，对含有相当少信号的立方体可判断为不存在真实信号加以排除。将经过虚假信号剔除之后点云数据进行平均、插值等处理得到目标三维距离图像。

其中，双门控单光子探测单元的使能门控需要设置为发出激光脉冲后一段时间，由此避免出射光在光学系统上的后向散射造成的过强激光回波损伤探测器。输出门控需要在系统工作过程中根据得到的激光点云的分布估计目标存在区域，按照一定的景深要求实时的自动调整。

本发明对比已有技术具有以下优点：

1)探测单元具有极高的灵敏度，单个距离测量只需要单个光子即可实现，传统的激光测距回波中包含成百上千的光子。

2)单光子灵敏度和多到达脉冲测量能力使本装置可以穿透植被、伪装等各种障碍对目标三维成像。

3)选用适当的激光能量和光学口径及可完成较远距离目标的探测，在机载或者星载应用时，有利于实现装置的小型化。

附图说明

图1是本发明激光三维成像装置基本结构示意图

图中编号说明如下：

1——位置和姿态测量单元；

2——脉冲激光器；

3——准直镜；

4——发射-接收共用望远镜；

5——发射-接收分光镜；

6——扫描镜；

7——谱滤波器；

8——组合透镜组；

9——空间滤波器；

10——双门控单光子探测单元；

11——激光发射探测单元；

12——门控信号产生单元；

13——多到达脉冲时间间隔处理单元14数据处理单元。

图2是本发明激光三维成像装置数据处理方法流程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

如图1，本发明的激光三维成像装置，包括位置和姿态测量单元1，脉冲激光器2，准直镜3，发射-接收共用望远镜4，发射-接收分光镜5，扫描镜6，光谱滤波器7，组合透镜组8，空间滤波器9，双门控单光子探测单元10，激光发射探测单元11，门控信号产生单元12，多到达脉冲时间间隔测量单元13和数据处理单元14。

脉冲激光器2发出光脉冲经过准直镜3后，分为两部分，一部分触发激光发射探测单元生成起始信号，另一部分通过发射-接收分光镜5和发射-接收望远镜4照射目标并接收返回信号，经过光谱滤波器7、组合透镜组8和空间滤波器9由双门控单光子探测单元10接收，生成到达信号。起始信号和到达信号进入多到达脉冲时间间隔测量单元13产生光子往返飞行距离数据。该数据结合位置姿态探测单元的位置、姿态数据和扫描镜6的指向角度数据一起送入数据处理单元14。数据处理单元对数据进行坐标变换、去噪，并进行三维图像构建、校正，输出可靠的目标三维距离图像数据。

所述的位置和姿态测量单元1为GPS/INS测量系统，可以实时提供三维成像装置本体的位置和姿态信息。

所述的脉冲激光器2为输出波长为532nm，脉冲能量为2uJ，脉冲宽度为600ps，重频10kHz的微片激光器。

所述的准直镜3为通用光学器件，对发射光束成为平行光出射，发散角为300urad。

所述的发射-接收望远镜4为透射式伽利略望远镜，一方面使后光路为平行光，提高了光谱滤波的效率，另一方面和准直镜3一起完成激光发射光束的准直扩束，其扩束倍率为5倍，使光束发散角控制在60uRad以内。

所述的发射-接收分光镜5为中心开孔的发射镜，中心孔的大小允许发射激光通过，在保证收发同轴的前提下使发射光路和接收光路分开。

所述的扫描镜6为音圈电机指向镜，具备二维指向能力，扫描频率100Hz，指向范围达到20°×20°。

所述的光谱滤光器7为窄带干涉滤光片，带宽0.2nm，中心波长532nm，透过率60％，和发射-接收共用望远镜4一起完成带外背景光的抑制。

所述的组合透镜组8为通用光学器件，焦距为100mm，配合发射-接收望远镜4的倍率，接收光学系统焦距为500mm。

所述的空间滤波器9为多模光纤，将多模光纤置于接收透镜组的焦平面上作为视场光阑，再通过多模光纤将回波光子耦合到探测器上。选择光纤芯径为30um，发射-接收共用望远镜4、发射-接收分光镜5和组合透镜组8组成的接收光学系统焦距为300mm，此时接收视场恒定为100uRad，而与探测器光敏元大小无关。

所述的双门控单光子探测单元9为处于盖革模式的单光子雪崩光电二极管组件。单光子探测器采用PerkinElmer公司的C30902SH-TC，532nm波段量子效率为40％，通过主动淬火电路使其死时间控制在50ns以内。该探测器的雪崩电压为225V，通过幅度为5V的脉冲信号作为一个门控信号调整探测器偏压，控制探测器，使其超过或低于雪崩电压，从而进入或退出单光子探测模式。另一个门控信号位于雪崩脉冲的输出端，通过使能触发器输出，仅允许一定距离范围的到达信号脉冲进入多脉冲时间测量单元。

所述的激光发射探测单元11为高速PIN光电二极管及前置放大电路，响应出射激光脉冲，输出起始脉冲信号。

所述的门控信号12产生单元核心是可编程延迟芯片AD9501，通过将起始脉冲信号进行延迟获得与保护范围和目标距离相应的门控信号，提供给双门控单光子探测单元9。

所述的多到达脉冲时间间隔测量单元12核心是德国ACAM公司的时间间隔测量芯片GPX，对同一起始信号，其具备对多达32个到达脉冲时间间隔测量的能力。

所述的数据处理单元14为个人计算机、DSP数字信号处理系统或嵌入式处理器系统。

生成目标三维距离图像的数据处理方法如图2所示：

1)三维数据坐标转化

综合GPS/INS提供的本装置位置和姿态信息，光子飞行距离信息和扫描镜二维指向角度信息，进行坐标变换，生成目标原始点云图。

2)目标存在区域判断

根据原始点云数据判断目标存在区域，并按照一定的景深提取出需要处理的数据。

3)距离相关数据处理

将需要处理数据所处三维空间划分为一系列的栅格立方体，统计立方体内信号数量，根据目标表面距离的相关性，对具有相当少信号的立方体判断为不存在真实信号加以排除。

4)三维距离图像生成

根据扫描模式对经过剔除虚假信号之后的冗余数据进行平均、插值等处理，生成具有较高精度的目标三维距离图像。

Claims (5)

1.一种基于单光子探测器的激光三维成像装置，包括位置和姿态测量单元(1)、脉冲激光器(2)、准直镜(3)、发射-接收共用望远镜(4)、发射-接收分光镜(5)、扫描镜(6)、光谱滤波器(7)、组合透镜组(8)、空间滤波器(9)、双门控单光子探测单元(10)、激光发射探测单元(11)、门控信号产生单元(12)、多到达脉冲时间间隔测量单元(13)和数据处理单元14，其特征在于：所述的装置采用双门控单光子探测单元(10)接收激光回波信号；所述的装置的接收光路中在发射-接收分光镜(5)与组合透镜组(8)中间有一光谱滤波器(7)；在组合透镜组(8)与双门控单光子探测单元(10)之间有一空间滤波器(9)；脉冲激光器(2)发出光脉冲经过准直镜(3)后，分为两部分，一部分触发激光发射探测单元生成起始信号，另一部分通过发射-接收分光镜(5)和发射-接收望远镜(4)照射目标并接收返回信号，经过光谱滤波器(7)、组合透镜组(8)和空间滤波器(9)聚焦在双门控单光子探测单元(10)上生成到达信号，起始信号和到达信号进入多到达脉冲时间间隔测量单元(13)得到光子飞行距离数据，该数据结合位置姿态探测单元的位置、姿态数据和扫描镜(6)的指向角度数据一起送入数据处理单元(14)。

2.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测器的激光三维成像装置，其特征在于：所述的双门控单光子探测单元(10)采用的单光子探测器为盖革工作模式下的雪崩光电二极管或高增益的光电倍增管，利用两个门控信号控制其工作使能和信号输出。

3.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测器的激光三维成像装置，其特征在于：所述的光谱滤波器(7)采用为窄带干涉滤光片，带宽0.2nm，透过率60％。

4.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测器的激光三维成像装置，其特征在于：所述的空间滤波器(9)采用芯径为30um的多模光纤。

5.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测器的激光三维成像装置，其特征在于：所述的发射-接收分光镜(5)为中心开孔的反射镜，在保证装置收发同轴的前提下使发射光路和接收光路分开。

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