CN104166142A - 一种多元光子计数激光测距的三维成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多元光子计数激光测距的三维成像系统，该系统包括用于发射光束阵列的激光发射单元、控制光束阵列发射和光束阵列扫描的控制单元、使用光学镜头接收回波光信号、光纤阵列耦合的单光子探测器阵列探测焦平面光信号的接收和探测单元，以及用于记录和分析多通道光子飞行时间的时间测量单元。本发明使用光纤阵列耦合的单光子探测器阵列，实现一维激光光束阵列的多元光子计数激光测距，并且在光束阵列排列的垂直方向对光束阵列进行一维扫描，实现光子计数三维激光成像。

Description

一种多元光子计数激光测距的三维成像系统

技术领域

本发明涉及激光测距及三维成像领域，具体地说是一种使用光纤阵列耦合的单光子探测器阵列，实现多元光子计数激光测距的三维成像系统。

背景技术

激光测距和三维成像系统在测绘中有重要的应用价值，随着测量距离不断提升，人们开始使用单光子探测器以及时间相关符合计数方法测量回波信号，极大地提高了测距性能。但是，对于多元激光测距的三维成像，由于缺少高性能的单光子探测器阵列，通常采用单光束逐点扫描，测量时间较长，而基于探测阵列的多元激光测距的三维成像仍是当前研究的难点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于光纤阵列耦合的高性能的一维单光子探测器阵列，实现多元光子计数激光测距的三维成像系统，该系统提高了测量速度，并且发挥了单光子探测器超高灵敏度的优势，更重要的是，一维方向多元光子计数激光测距可以直接用于机载或者星载平台，利用平台的飞行，在飞行方向对一维激光光束阵列实现推扫扫描，达到三维激光成像的目的。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种多元光子计数激光测距的三维成像系统，特点是：该系统包括激光发射单元、控制单元、接收和探测单元及时间测量单元，激光发射单元与接收和探测单元设置于同一个平台，并排摆放，控制单元在设于激光发射单元与接收和探测单元的平台下方支撑上方两个单元，时间测量单元分别与激光发射单元及接收和探测单元相连；其中，所述激光发射单元用于发射光束阵列，控制单元控制光束阵列发射和光束阵列扫描，接收和探测单元使用光学镜头接收回波光信号、光纤阵列耦合的单光子探测器阵列探测焦平面光信号，时间测量单元用于记录和分析多通道光子飞行时间；激光发射单元发射激光光束阵列射到目标物上并给时间测量单元一个同步信号，控制单元由时间测量单元控制使激光发射单元进行对目标物进行扫描，接收和探测单元进行对目标物反射光信号的接收和探测并把探测到的信号传输到时间测量单元，时间测量单元对接收和探测单元接收到的信号进行接收并通过多通道时间相关符合计数，得到一维方向多元距离信息；完成一维的多元测距之后，控制单元对激光光束阵列进行线性扫描，逐行获取多元距离信息，一维光束阵列的光束总数为N，总共扫描M行，获得N×M个点的三维图像。

所述的激光发射单元包括：脉冲激光器、高速线性光电探测器、介质膜高反镜、普通高反镜、激光扩束器和达曼光栅，所述脉冲激光器照准介质膜高反镜，所述高速线性光电探测器照准介质膜高反镜背面并与时间测量单元相连作为激光脉冲同步信号，所述介质膜反镜与所述普通高反镜镜面相对且两者法线相垂直，所述普通高反镜照准激光扩束器输入端，所述激光扩束器输出端通过达曼光栅照准被测目标物；激光从脉冲激光器中射出，射至介质膜高反镜然后反射至普通高反镜，随后光射至激光扩束器，然后再射向达曼光栅，经过达曼光栅后最后射至目标物。达曼光栅将单束入射光分束成一维光束阵列，其中相邻两束光的夹角相等，每束光的发散角保持与入射前光束相同。当一维激光光束阵列照射到远距离目标表面，在目标表面形成一维激光点阵，在同一距离平面的光斑间隔相等。

所述接收和探测单元包括：光学镜头、窄带滤波片和光纤阵列耦合的单光子探测器阵列，所述光学镜头照准被测目标，所述窄带滤波片置于光学镜头和光纤阵列耦合的单光子探测器阵列之间，光学镜头、窄带滤波片和光纤耦合的单光子探测器阵列呈直线排列，光学镜头接收到经目标表面反射的一维激光点阵信号，经过窄带滤光片抑制背景光，在焦平面形成一维点阵实像；在焦平面，光纤阵列将激光点阵一一耦合进入各个光纤通道，并送入单光子探测器阵列。

所述光纤阵列耦合的单光子探测器阵列由光纤阵列和单光子探测器阵列构成，对目标物反射的一维激光点阵光信号的接收和探测，并且实现多通道光子计数脉冲的同步传输。

所述控制单元为角位器，由时间测量单元控制，控制单元使激光发射单元发射出的一维点阵光在竖直方向由时间测量单元控制移动，完成扫描。

所述时间测量单元由数字逻辑分析仪和计算机组成，数字逻辑分析仪完成多通道时间相关符合计数，记录每个通道的计数脉冲与激光脉冲同步信号的时间间隔，通过多个激光脉冲周期的累计计数，计算各个通道信号计数脉冲的时间间隔的平均值T_n，然后通过光子飞行时间公式求得各个通道的目标距离L_n；

L_n = C·T_n / 2

    其中C为光子的飞行速度，n为激光光束阵列的光束序号；计算机进行对控制单元的扫描控制和数字逻辑分析仪的数据处理。

本发明通过光纤阵列耦合的单光子探测器阵列，探测一维多光束阵列的回波信号，得到一维方向多元的距离信息，然后对激光光束阵列一维扫描，实现三维激光成像。相对于点激光信号扫描，本发明提高了测量速度，并且发挥了单光子探测器超高灵敏度的优势。更重要的是，一维方向多元光子计数激光测距可以直接用于机载或者星载平台，利用平台的飞行，在飞行方向对一维激光光束阵列实现推扫扫描，达到三维激光成像的目的。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明单光子探测器阵列示意图；

图3为本发明控制单元对一维点阵光在竖直方向由时间测量单元控制移动，完成扫描示意图；

图4为本发明单光子探测器阵列实例工作示意图。

具体实施方式

参阅图1，包括用于发射光束阵列的激光发射单元A、控制光束阵列发射和光束阵列扫描的控制单元B、使用光学镜头接收回波光信号、光纤阵列耦合的单光子探测器阵列探测焦平面光信号的接收和探测单元C及用于记录和分析多通道光子飞行时间的时间测量单元D。激光发射单元A包括脉冲激光器11、高速线性光电探测器12、激光扩束器13、介质膜高反镜14、普通高反镜15、达曼光栅（DOE）16；接收和探测单元C包括光学镜头31、滤光片32、光纤阵列耦合的单光子探测器阵列33；控制单元B控制脉冲激光器11发出激光脉冲，经介质膜高反镜14极少部分激光透射进入高速线性光电探测器12，探测到的脉冲信号作为激光脉冲的同步信号由时间测量单元D记录。普通高反镜15调节激光光束的反射方向，使其完全垂直入射到激光扩束器13，激光扩束器13输出的单光束垂直照射到DOE元件。DOE元件将单束入射光分束成一维光束阵列，其中相邻两束光的夹角相等，每束光的发散角基本保持与入射前光束相同。当一维激光光束阵列照射到远距离目标表面，在目标表面形成一维激光点阵，在同一距离平面的光斑间隔相等。

光学镜头31接收到经目标表面反射的一维激光点阵信号，经过窄带滤光片32抑制背景光，在焦平面形成一维点阵实像。在焦平面，光纤阵列331将激光点阵一一耦合进入各个光纤通道，并送入单光子探测器阵列332（图2，图中浅色部分为光纤芯，深色部分为激光）。单光子探测器阵列332是由独立的单光子探测通道组成，相互之间没有串扰，保证了最佳的探测性能。每个探测通道对应探测一个激光光斑的回波，得到的计数脉冲由时间测量单元D记录和分析。

控制光束阵列发射和光束阵列扫描的控制单元B设于激光发射单元A与接收和探测单元C下方，控制单元B使激光发射单元A发射出的一维点阵光在竖直方向由时间测量单元D控制移动，完成扫描（图3所示）。

时间测量单元D完成多通道时间相关符合计数，记录每个通道的计数脉冲与激光脉冲同步信号的时间间隔，通过多个激光脉冲周期的累计计数，计算各个通道信号计数脉冲的时间间隔的平均值T_n，然后通过光子飞行时间公式求得各个通道的目标距离L_n。

L_n = C·T_n / 2

其中C为光子的飞行速度，n为激光光束阵列的光束序号。

    通过多通道时间相关符合计数，得到一维方向多元距离信息，完成一维的多元测距之后，控制单元D对激光光束阵列进行线性扫描，逐行获取多元距离信息。一维光束阵列的光束总数为N，总共扫描M行，获得N×M个点的三维图像。

实施例

激光发射单元A包括重复频率为10K的脉冲激光器11、高速线性光电探测器12、3倍扩束的激光扩束器13、介质膜高反镜14、普通高反镜15、达曼光栅（DOE）16；激光脉冲经介质膜高反镜14极少部分激光透射进入高速线性光电探测器12，探测到的脉冲信号作为激光脉冲的同步信号由时间测量单元D记录。普通高反镜15调节激光光束的反射方向，使其完全垂直入射到激光扩束器13，激光扩束器13输出的单光束垂直照射到DOE元件。DOE元件将单束入射光分束成一维光束阵列，其中相邻两束光的夹角相等，每束光的发散角基本保持与入射前光束相同。当一维激光光束阵列照射到远距离目标表面，在目标表面形成一维激光点阵，在同一距离平面的光斑间隔相等。本实施例中,DOE元件将入射光束分束成10束，相邻光束夹角为0.082°，形成的点阵相邻中心间距为5cm。接收和探测单元C包括腾龙A08 200-500mm光学镜头31、窄带滤波片32和光纤阵列耦合的单光子探测器阵列33。光纤阵列的每个光纤芯径为105μm，相邻中心间距为127μm，共有100个光纤通道。光学镜头31接收到经目标表面反射的一维激光点阵信号，经过窄带滤光片32抑制背景光，在焦平面形成一维点阵实像。在焦平面，光纤阵列331将激光点阵一一耦合进入各个光纤通道并送入单光子探测器阵列332（本实施例采用单光子雪崩光电二极管探测阵列）。通过调节镜头的焦距，焦平面的点阵的中心间距被精确调节至381μm，即每隔2个光纤通道接收一个点信号（如图4）。取10个接收到点信号的光纤接入10通道Si APD单光子探测器。对于532nm光信号，10通道Si APD单光子探测器的平均探测效率约30%，暗计数约1K/s。

时间测量单元D由泰克的TLA6400逻辑分析仪及计算机组成，逻辑分析仪完成1路同步触发脉冲和10通道单光子探测器计数脉冲的记录，每次测量记录100个脉冲周期的数据，然后通过计算机程序对10通道计数脉冲进行时间相关符合计数分析，计算每个通道的计数脉冲与激光脉冲同步信号的时间间隔，通过多个激光脉冲周期的累计计数，计算各个通道信号计数脉冲的时间间隔的平均值，然后通过光子飞行时间公式求得各个通道的目标距离。

通过多通道时间相关符合计数，得到了一维方向的10路距离信息。完成一维的多元测距之后，控制单元B对激光光束阵列进行如图3所示的线性扫描，使用角位台逐行扫描。角位台型号ZJ120-10分辨率为0.004°，旋转中心精度为0.03mm，速度为4°/sec。一维光束阵列的光束总数为10，总共扫描10行，获得10×10个点的三维图像。

Claims (6)

1.一种多元光子计数激光测距的三维成像系统，其特征在于该系统包括激光发射单元、控制单元、接收和探测单元及时间测量单元，激光发射单元与接收和探测单元设置于同一个平台，并排摆放，控制单元在设于激光发射单元与接收和探测单元的平台下方支撑上方两个单元，时间测量单元分别与激光发射单元及接收和探测单元相连；其中，所述激光发射单元用于发射光束阵列，控制单元控制光束阵列发射和光束阵列扫描，接收和探测单元使用光学镜头接收回波光信号、光纤阵列耦合的单光子探测器阵列探测焦平面光信号，时间测量单元用于记录和分析多通道光子飞行时间；激光发射单元发射激光光束阵列射到目标物上并给时间测量单元一个同步信号，控制单元由时间测量单元控制使激光发射单元进行对目标物的扫描，接收和探测单元进行对目标物反射光信号的接收和探测并把探测到的信号传输到时间测量单元，时间测量单元对接收和探测单元接收到的信号进行接收并通过多通道时间相关符合计数，得到一维方向多元距离信息；完成一维的多元测距之后，控制单元对激光光束阵列进行线性扫描，逐行获取多元距离信息，一维光束阵列的光束总数为N，总共扫描M行，获得N×M个点的三维图像。

2.根据权利要求1所述的光子计数多元激光测距的三维成像系统，其特征在于所述的激光发射单元包括：脉冲激光器、高速线性光电探测器、介质膜高反镜、普通高反镜、激光扩束器和达曼光栅，所述脉冲激光器照准介质膜高反镜，所述高速线性光电探测器照准介质膜高反镜背面并与时间测量单元相连作为激光脉冲同步信号，所述介质膜反镜与所述普通高反镜镜面相对且两者法线相垂直，所述普通高反镜照准激光扩束器输入端，所述激光扩束器输出端通过达曼光栅照准被测目标物。

3.根据权利要求1所述的光子计数多元激光测距的三维成像系统，其特征在于所述接收和探测单元包括：光学镜头、窄带滤波片和光纤阵列耦合的单光子探测器阵列，所述光学镜头照准被测目标，所述窄带滤波片置于光学镜头和光纤阵列耦合的单光子探测器阵列之间，光学镜头、窄带滤波片和光纤耦合的单光子探测器阵列呈直线排列，光学镜头接收到经目标表面反射的一维激光点阵信号，经过窄带滤光片抑制背景光，在焦平面形成一维点阵实像；在焦平面，光纤阵列将激光点阵一一耦合进入各个光纤通道，并送入单光子探测器阵列。

4.根据权利要求3所述的光子计数多元激光测距的三维成像系统，其特征在于所述光纤阵列耦合的单光子探测器阵列由光纤阵列和单光子探测器阵列构成，对目标物反射的一维激光点阵光信号的接收和探测，并且实现多通道光子计数脉冲的同步传输。

5.根据权利要求1所述的光子计数多元激光测距的三维成像系统，其特征在于所述控制单元为角位器，由时间测量单元控制，控制单元使激光发射单元发射出的一维点阵光在竖直方向由时间测量单元控制移动，完成扫描。

6.根据权利要求1所述的光子计数多元激光测距的三维成像系统，其特征在于所述时间测量单元由数字逻辑分析仪和计算机组成，数字逻辑分析仪完成多通道时间相关符合计数，记录每个通道的计数脉冲与激光脉冲同步信号的时间间隔，通过多个激光脉冲周期的累计计数，计算各个通道信号计数脉冲的时间间隔的平均值T_n，然后通过光子飞行时间公式求得各个通道的目标距离L_n；

L_n = C·T_n / 2

    其中C为光子的飞行速度，n为激光光束阵列的光束序号；计算机进行对控制单元的扫描控制和数字逻辑分析仪的数据处理。