CN105423943B - 高速三维显微成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速三维显微成像系统及方法，其包括宽带超短脉冲激光源、时间域色散模块、光放大模块、空间域色散模块、空间成像模块、参考臂模块、信号采集模块、以及图像恢复模块。本发明打破了成像帧率和探测灵敏度之间的制约关系。在保证帧率不降低的条件下，有效提高了成像的信噪比，明显优于传统CCD/CMOS成像技术，并通过引入参考光束的干涉技术和后端的图像恢复处理算法，将有效地恢复得到被测目标表面的三维结构分布，该技术显著地提高了工业生产中对物体检测的生产效率，同时对高速动态物体可实现三维动态捕获。

Description

高速三维显微成像系统及方法

技术领域

本发明涉及一种高速三维显微成像系统及方法。

背景技术

随着信息技术的发展，当今社会的信息量以爆炸式的规模在膨胀，即人们所说的大数据时代已经来临，而在如此大量的信息集合中，如何获取其中的有效信息成分，这是一个严峻的课题。对于海量信息的筛选，其筛选工具需要满足如下三个基本点：高速率、高灵敏度、高分辨度。在现代医学的研究中，人体血液中存在着极少数的循环流动肿瘤细胞，而单个此类细胞极有可能触发癌症，由于人体血液中的血红细胞数量极大，在1mL血液中大约有50亿个细胞，而可能存在的循环流动肿瘤细胞仅1-2个，利用现有的CCD/CMOS成像技术，检测速率为每秒约1000个细胞，检测完1mL血液细胞需要约2个月的时间，这是不可取的。在工业生产中，对于产品尺寸测量和分类、条形码、光学字符识别、非接触尺寸测量和光谱学等众多领域的检测，都需要实时连续线扫描成像技术。目前，对于被测目标的外观结构成像检测分析，受到传统的成像传感技术的限制，其检测速率一般在KHz量级范畴。

对于传统的CCD/CMOS成像技术，由于受到理论和技术的限制，其成像速率一般可实现在百KHz量级及以下，目前报道的最高帧率的CMOS成像传感器可达1MHz。CCD/CMOS成像速率受限的主要因素包括以下两点：1.机械扫描速率的限制，其值一般限制在10KHz范畴；2.载流子下载速率的限制，其值一般限制在KHz范畴。尤其是当不断提高成像速率时，每一帧图像曝光时间被缩短，可探测的光子数相应减少，这将大大降低传感器探测灵敏度。随着帧率升至一定数值，所得图像的信噪比将下降得很差从而无法分辨图像。由此可见，成像帧率和探测灵敏度之间存在着相互制约的矛盾关系。

发明内容

本发明目的是：提供一种高速三维显微成像系统及方法，对高速移动的目标物体进行高帧率的连续线扫描成像检测，并利用图像恢复算法得到被测目标的三维结构，同时实现成像帧率达到了MHz至数十MHz的量级范畴。利用超短脉冲光源实现的快速三维显微成像技术，通过在光域上对信号光的直接放大，有效提高了成像系统的探测灵敏度，利用每一个光脉冲光谱的空-时映射方法，获得了较高速的成像速率，该特征明显优于传统CCD/CMOS成像技术，并通过引入参考光束的干涉技术和后端的图像恢复处理算法，将有效地恢复得到被测目标表面的三维结构分布，该技术显著地提高了工业生产中对物体检测的生产效率，同时对高速动态物体可实现三维动态捕获。

本发明的第一技术方案具体如下：一种高速三维显微成像系统，其包括：宽带超短脉冲激光源、与宽带超短脉冲激光源相连的时间域色散模块、与时间域色散模块输出相连的光放大模块、与光放大模块输出相连的空间域色散模块、与空间域色散模块输出相连的空间成像模块、与空间成像模块输出相连的参考臂模块、与参考臂模块相连的信号采集模块、以及与信号采集模块相连的图像恢复模块，其中宽带超短脉冲激光源输出具有一定光谱带宽的时域超短光脉冲串，接着空间域色散模块对该时域超短光脉冲串实现空间色散作用，时域色散元器件模块对时域超短光脉冲串实现时间色散作用，参考臂模块实现图像的三维信息干涉记录，信号采集模块完成对映射有三维图像信息的采集过程，同时图像恢复模块基于算法恢复被记录的三维图像信息。

优选地，所述宽带超短脉冲激光源具有一定的光谱宽度，脉冲的重复频率在MHz至10s MHz量级范围，变换极限下的脉冲时域宽度为十飞秒至百飞秒量级，空间成像模块的成像过程中利用的是光源的光谱编码映射成像方法。

优选地，所述宽带超短脉冲激光源利用光纤放大和锁模技术原理进行稳定输出。

优选地，所述参考臂模块通过完成成像光束和参考光束的相干过程，记录被测对象的三维信息。

优选地，所述宽带超短脉冲激光源中激光器由光纤环腔构成，利用掺杂稀土元素的光纤实现光放大作用，并利用锁模介质实现时域超短脉冲的输出。

优选地，所述激光器的增益输出需要使用泵浦光源的注入，并通过调节光纤中光信号的偏振态获得稳定的光脉冲输出。

优选地，所述宽带超短脉冲激光源在成像前进行分束，其中一路作为参考光束，不进行任何操作，与成像光束干涉后，两光束实现了拍频，拍频信号中则记录被测物体的三维信息。

优选地，通过对干涉脉冲信号的采集后，进行了信号的时-频分析处理，通过利用短时傅里叶变换操作，分析信号的实时频谱，从而解析得到物体的三维图像信息。

本发明的第二技术方案具体如下：一种高速三维显微成像方法，其包括如下步骤：先利用超短脉冲激光源将短脉冲的光谱进行空间色散操作，使得光谱信息映射至空间域，并对目标物体进行光谱编码成像；同时利用与参考光干涉的操作，使得拍频光信号记录了物体的三维信息；然后通过将信号光脉冲进行时间色散操作，使得光谱信息映射至时间域，也就是将成像记录的信息映射至时域信号，再利用信号采集模块，采集存储所测图像信息，并结合图像恢复算法，最终恢复得到被测目标三维结构轮廓。

本发明的第三技术方案具体如下：一种高速三维显微成像方法，其包括如下步骤：

S1.通过使用一个超短脉冲激光源，实现输出具有一定时间间隔的脉冲，此处所使用的激光器是基于光纤被动锁模实现的超短脉冲光，增益光纤使用的是掺铒光纤；

S2.从脉冲源输出的脉冲送入至时间域色散模块，即进入色散补偿光纤进行时域色散传输；

S3.时域色散的光脉冲经过掺铒光纤放大器进行光域放大；

S4.放大后的脉冲源在进入空间光链路，首先经过的是一个二分之一波片和一个四分之一波片，对任意输入的线偏振光进行任意角度的旋转输出，其后使用的是一个空间光栅，该光栅的作用是对光脉冲实现频-空映射，并利用一个凸透镜将发散的光束汇聚于空间目标物上；

S5.照射光脉冲从目标物原路反射回链路，并与从参考面反射的第二路光束进行干涉，两光束由于在不同时延条件下频移不同，基于不同的频移信息，可记录目标物的纵向凹凸位移信息；

S6.合束光脉冲信号从空间光链路原路耦合进光纤中，并由一个高速光电探测器实现对光信号的电转换；

S7.探测的时域脉冲信号通过短时傅里叶变换可计算得到被测目标物的纵向结构分布情况；

S8.时域信号强度标记了被测目标物的横向结构信息，通过在扫描方向横向垂直方向的移动成像，得到被测目标的三维结构图像。

本发明优点是：

1、对于传统CCD/CMOS成像传感技术，由于受到机械扫描速率的限制和载流子下载速率的限制，其成像速率基本被限制在百KHz范畴，而其成像速率与成像灵敏度之间也存在着相互制约的关系，即成像速率越高导致成像信噪比越差。为了有效地突破成像速率的瓶颈限制，可通过利用激光脉冲光谱编码成像的技术。该技术利用脉冲光谱对目标物进行映射成像，其成像帧率等同于脉冲的重复频率。通过在光域对脉冲光谱进行放大的操作，打破了成像帧率和探测灵敏度之间的制约关系。在保证帧率不降低的条件下，有效提高了成像的信噪比；

2、脉冲光谱对目标物进行编码成像，其光谱的强度信息则记录了目标物的横向灰度结构分布，而通过引入一参考光束，与成像信号光进行干涉，合束的拍频光则在频率上记录了目标物的纵向结构分布，因此合束光的强度和频率信息记录了目标物的三维结构；

3、被测目标物的纵向分布被记录在拍频光束的拍频信息中，通过利用短时傅里叶变换对时域拍频信号的时-频分析，从分析得到的频率成分中，可计算得到目标物表面与参考面的位移差。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的系统原理框架图。

图2为本发明的光源在空间映射的原理示意图。

图3为本发明的系统结构图。

图4为本发明在对一平面物体成像得到的结果图。

图5为本发明在对一凹凸面成像得到的结果图。

具体实施方式

实施例：如图1-5所示，本发明提供了一种高速三维显微成像系统，其包括：宽带超短脉冲激光源、与宽带超短脉冲激光源相连的时间域色散模块、与时间域色散模块输出相连的光放大模块、与光放大模块输出相连的空间域色散模块、与空间域色散模块输出相连的空间成像模块、与空间成像模块输出相连的参考臂模块、与参考臂模块相连的信号采集模块、以及与信号采集模块相连的图像恢复模块，其中宽带超短脉冲激光源输出具有一定光谱带宽的时域超短光脉冲串，接着空间域色散模块对该时域超短光脉冲串实现空间色散作用，时域色散元器件模块对时域超短光脉冲串实现时间色散作用，参考臂模块实现图像的三维信息干涉记录，信号采集模块完成对映射有三维图像信息的采集过程，同时图像恢复模块基于算法恢复被记录的三维图像信息。

本发明中超短脉冲激光源用于发出超短脉冲光信号；时间域色散模块，用于实现对脉冲光谱的频-时映射过程；光放大模块实现对信号光谱的放大操作；空间色散模块用于实现对脉冲光谱的频-空映射操作过程；空间成像模块又为透镜模块用于实现将光信号聚焦至目标样品进行光谱成像；参考臂模块，用于实现成像信号光和参考光的干涉作用，从而记录目标物的三维信息；信号采集模块，用于实现对成像信号的高速采集并存储；图像恢复模块用于实现对成像信号的分析和图像处理。由此通过利用超短脉冲激光源，结合空间色散元件、时间色散元件，实现了对目标样品的空-频-时映射操作，即将物体的空间信息映射至脉冲光谱，进而将脉冲光谱映射至时域信号，再通过引入参考光束，与信号光的合束拍频，最终记录了被测目标的三维结构信息。

更为优选地，本发明的超短脉冲激光源是一个光纤被动锁模式的飞秒超短脉冲激光源，其结构由以下几部分组成：普通单模光纤、掺铒光纤、光纤耦合器、光纤偏振器、光纤环形器、饱和吸收体和泵浦光源等。基于光纤被动锁模式实现的超短脉冲源的输出特性满足如下特点：时域脉冲宽度在变换极限条件下不超过百飞秒量级、光谱带宽在数nm至数十nm范围、脉冲重复频率一般在数MHz至数十MHz范围。本实施例利用掺铒光纤实现输出的脉冲中心光谱在1550nm附近，脉冲的时域宽度约为300fs，脉冲光谱10dB带宽约为10nm，脉冲的重复频率为48.8MHz，输出脉冲的平均光功率约为0dBm。

由光源输出的超短脉冲激光首先进行时域色散操作，进入时间色散模块，将脉冲具有的一定宽度的光谱在时间域延时展开，进而降低了脉冲的峰值功率。需要指出的是，在该成像系统中，时域色散操作和空域色散操作都是线性可逆操作，因此两者的先后顺序不会影响成像结果。在具体操作过程中，由于超短脉冲的峰值光功率非常大，可能对后续的光器件造成损坏，此处将脉冲的时域色散操作放在了系统过程的初始端。时间域色散模块中所使用的是色散补偿光纤，该类型光纤对1550nm附近的不同频率光信号有着较大的时间色散值。对于时域宽度低于百飞秒的超短光脉冲，经过大色散值的光纤，并只考虑光纤的二阶色散效应时，其变化过程满足如下：

f(t)＝C₁·f(λ) (1)

其中f(λ)表示激光源的出射光谱，C₁为变化系数，与光纤色散和损耗有关，f(t)表示输出脉冲的时域信号。可见，经过较大时域色散模块后，原始超短光脉冲的输入光谱信息被映射到了脉冲时域信息上。由此可见，时间域色散模块实现了超短脉冲的频-时映射过程。

超短光脉冲经时域色散模块，完成了信号的频-时映射操作。由于该过程损耗了一定的光功率，通过光放大方法可实现光谱能量的补偿。光信号放大模块是利用掺铒光纤放大器来实现对1550nm附近光谱的有效放大。该光放大器的增益谱宽可从1530nm延伸至1600nm。本实施例中的掺铒光纤放大器可将平均功率在-10dBm左右的光信号放大至10dBm。

经时域光脉冲放大操作，光脉冲进入空间光链路模块。为了能全角度的控制信号光的线偏振方向，先后使用一个二分之一波长的偏振片和一个四分之一波长的偏振片，通过对两个偏振片的调节，可将光信号的线偏振方向在360°范围内任意输出。有效地选择光信号的偏振方向，可以提高信号光在空间色散模块中的利用效率。本实施例中的空间色散模块是空间衍射光栅，其一级衍射光将入射脉冲光谱在一维空间域线性色散展开。该元件的衍射效率受入射光偏振态影响。本实施例中使用的空间衍射光栅的闪耀波长为1060nm，刻线密度为1200线/mm。具有一定光谱带宽的光信号由衍射光栅实现了频谱信息向空间域的色散映射，空间色散后的光谱再经一个圆凸透镜进行汇聚，并聚焦于被测样品面上。本实施例中聚焦在目标样品的光线条尺寸为2000微米×30微米。从目标样品反射回的携带有样品空间信息的光脉冲从光链路系统原路返回，并与参考臂的反射光进行干涉作用。在此空-频映射操作过程中，其映射过程满足如下：

f(λ)＝C₂·f(x) (2)

其中f(x)表示被测目标物的空间分布，C₂为空间域向光谱域的转换系数，f(λ)表示成像光谱。

目标物对光谱编码后的信号光原路返回，并与参考光进行干涉合束，由此得到拍频光信号。通过在扫描线垂直方向移动被测物体，相干光信号在其强度上记录了目标物的横向两维灰阶信息(由式(2)可见)，而拍频信息记录了两光束的相对延时，也就是目标物体纵向表面相对于参考面的位移信息，即表征了物体的第三维信息成分。

上述利用两束激光进行干涉来获取目标物体纵向信息的方法是通过对采集信号的时-频分析获得的。基于光脉冲的光谱映射成像方法，所用方案将脉冲光谱线性映射至空间域，即空间位置的每一个点对应一个光谱频率，如图2所示，位置x_n对应光谱频率λ_n。同时，方案中使用的超短脉冲经时域色散后，其时域成分表征了脉冲的频谱信息，也就是说，信号的每一个时间点对应一个光谱频率，由方程式(1)可见。通过引入一参考光脉冲，该光脉冲的时间色散和空间色散过程与成像光脉冲完全相同，也就是说，其光谱在时域的映射与成像光信号一致。两光信号的区别在于它们在空间域上的位移量不同，因此导致了两路信号将产生一定大小的时延，时域延时量与位移差之间满足如下表达式：

其中c为光在真空中的传输速率，n为传输介质的折射率，Δx表示两光束的空间位移差，Δt表示两光束的延时量。由方程式(3)可知，对于两光束确定的相对时延，可计算得到相对的空间位移差。本方案中，为了更好地理解如何从干涉光束中得到目标物的纵向分布，首先考虑信号光从镜面成像反射，并与镜面反射的参考光合束，由于两光束都是从镜面反射，两镜面任意位置点的空间位移差都是相同的，因此两信号的时域表达式分别为：

f₁(t)＝C₁·f(λ) (4)

f₂(t+Δt)＝C₁·f(λ) (5)

通过该方程组，可知在时间点t0，合束光中存在差频信号，记作Δf。根据方程式(3)，可得到成像镜面与参考镜面的位移差和频差的关系如下：

Δd＝C₃·Δf (6)

其中Δd表示物面与参考镜面的位移差，C3表示拍频率差与位移差的转换系数。此处的频率差可通过对合束时域信号的处理得到，其具体的处理方式则是利用信号的时-频分析方法，该方案中采用的是短时傅里叶变换方法。

短时傅里叶变换是对时域信号进行时-频分析的一种方法。该方法的基本操作过程是对一段连续时域信号进行离散化处理，即将此长时间段信号分成了很多份在各个不同时间段内的短时信号，对每一段短时信号则进行傅里叶变换操作来计算得到该段短时信号的瞬时频谱信息。通过对所有短时信号的傅里叶变换操作可得到整个长时间段信号在其每一时间位置处的频率分布情况，也就是得到了该时域信号的时-频分布情况。从分析得到的时-频分布情况，可以较明显地获取该时域信号在所有时刻的瞬时频率大小。根据短时傅里叶变换计算得到的时域信号频率可表达为：

F＝SF(f(t)) (7)

其中f(t)表示时域信号，ΣΦ代表短时傅里叶变换操作，F是信号的时-频分布情况。

利用短时傅里叶变换操作对该方案中的干涉光信号进行时-频分析，可得到脉冲信号的连续拍频信息，并由方程式(6)，可计算得信号光与参考光的位移差。而在本方案中，光脉冲的不同频率成分映射着空间不同位置的信息，此信息最终被映射到了时间域上。可见，时域信号的不同时间位置处记录了目标物体的横向信息，而信号的瞬时频率信息则记录了目标物体的纵向信息，即其表面与参考镜面的位移差。

当被测目标物体的表面为非平面时，即存在着凹凸不平的结构特征，也就是说，物体表面的不同空间位置处任一点与参考面的位移是不相同的。由此可见，干涉得到的时域信号在经过短时傅里叶变换后，其瞬时频率是变化的，而通过对该变化频率的计算，可得到被测目标物体表面的纵向凹凸变化，即物体的第三维信息。

本发明还提供了一种高速三维显微成像方法，先利用超短脉冲激光源将短脉冲的光谱进行空间色散操作，使得光谱信息映射至空间域，并对目标物体进行光谱编码成像，同时利用与参考光干涉的操作，使得拍频光信号记录了物体的三维信息。进一步，通过将信号光脉冲进行时间色散操作，使得光谱信息映射至时间域，也就是将成像记录的信息映射至时域信号，再利用信号采集模块，可采集存储所测图像信息，并结合图像恢复算法，最终可恢复得到被测目标三维结构轮廓。与传统的CCD/CMOS成像传感技术不同，通过使用超短脉冲激光光谱成像的方法，可将信号光在光域直接进行放大操作，这将有效地保证系统探测灵敏度，这一特征克服了CCD/CMOS成像中高帧率和高灵敏度之间的相互制约关系。

本发明还提供了一种高速三维显微成像方法，其包括如下步骤：

S1.如图3所示，通过使用一个超短脉冲激光源，实现输出具有一定时间间隔的脉冲串，此处所使用的激光器是基于光纤被动锁模实现的超短脉冲光，由于增益光纤使用的是掺铒光纤，其输出的脉冲光谱在1550nm附近，本实例中所得10dB脉冲光谱在1560-1570nm，脉冲在变换极限下的时域宽度是300fs，相邻脉冲的时域间隔约为20ns，输出光脉冲的平均功率约为0dBm；

S2.从脉冲源输出的脉冲送入至时间色散模块，即进入色散补偿光纤进行时域色散传输，此处所用色散光纤对1550nm附近的光谱有着较大的色散效果，其色散值约为1000ps/nm，所用色散光纤有一定的光损耗，约为10dB。色散光纤的作用不仅实现了超短脉冲光谱对时域的线性映射，而且降低了脉冲峰值功率，避免对后端的光学元器件造成损害；

S3.时域色散的光脉冲经过掺铒光纤放大器进行光域放大；

S4.放大后的脉冲源在进入空间光链路，首先经过的是一个二分之一波片和一个四分之一波片，它们的作用可对任意输入的线偏振光进行任意角度的旋转输出，其后使用的是一个空间光栅，该光栅的作用是对光脉冲实现频-空映射，并利用一个凸透镜将发散的光束汇聚于空间目标物上；

S5.照射光脉冲从目标物原路反射回链路，并与从参考面反射的第二路光束进行干涉，两光束由于在不同时延条件下频移不同，基于不同的频移信息，可记录目标物的纵向凹凸位移信息；

S6.合束光脉冲信号从空间光链路原路耦合进光纤中，并由一个高速光电探测器实现对光信号的电转换，此处所用光电探测器的带宽为25GHz，转为电信号后，进入信号采集模块，本实例采用实时示波器，其采样速率为20GS/s、采样带宽为7GHz；

S7.探测的时域脉冲信号通过短时傅里叶变换可计算得到被测目标物的纵向结构分布情况。

S8.信号光谱强度，亦即时域信号强度标记了被测目标物的横向结构信息，而本方案采用的扫描成像，通过在扫描方向横向垂直方向的移动成像，可得到被测目标的三维结构图像。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高速三维显微成像系统，其特征在于其包括：宽带超短脉冲激光源、与宽带超短脉冲激光源相连的时间域色散模块、与时间域色散模块输出相连的光放大模块、与光放大模块输出相连的空间域色散模块、与空间域色散模块输出相连的空间成像模块、与空间成像模块输出相连的参考臂模块、与参考臂模块相连的信号采集模块、以及与信号采集模块相连的图像恢复模块，其中宽带超短脉冲激光源输出具有一定光谱带宽的时域超短光脉冲，接着空间域色散模块对该时域超短光脉冲实现空间色散作用，时域色散元器件模块对时域超短光脉冲实现时间色散作用，参考臂模块实现图像的三维信息干涉记录，信号采集模块完成对映射有三维图像信息的采集过程，同时图像恢复模块基于算法恢复被记录的三维图像信息，其中所述宽带超短脉冲激光源具有一定的光谱宽度，脉冲的重复频率在MHz至10s MHz量级范围，变换极限下的脉冲时域宽度为十飞秒至百飞秒量级，空间成像模块的成像过程中利用的是光源的光谱编码映射成像方法，所述宽带超短脉冲激光源中激光器由光纤环腔构成，利用掺杂稀土元素的光纤实现光放大作用，并利用锁模介质实现时域超短脉冲的输出。

2.根据权利要求1所述的高速三维显微成像系统，其特征在于：所述宽带超短脉冲激光源利用光纤放大和锁模技术原理进行稳定输出。

3.根据权利要求2所述的高速三维显微成像系统，其特征在于：所述参考臂模块通过完成成像光束和参考光束的相干过程，记录被测对象的三维信息。

4.根据权利要求3所述的高速三维显微成像系统，其特征在于：所述激光器的增益输出需要使用泵浦光源的注入，并通过调节光纤中光信号的偏振态获得稳定的光脉冲输出。

5.根据权利要求4所述的高速三维显微成像系统，其特征在于：所述宽带超短脉冲激光源在成像前进行分束，其中一路作为参考光束，不进行任何操作，与成像光束干涉后，两光束实现了拍频，拍频信号中则记录被测物体的三维信息。

6.根据权利要求5所述的高速三维显微成像系统，其特征在于：通过对干涉脉冲信号的采集后，进行了信号的时-频分析处理，通过利用短时傅里叶变换操作，分析信号的实时频谱，从而解析得到物体的三维图像信息。

7.一种高速三维显微成像方法，其特征在于其包括如下步骤：

S1.通过使用一个超短脉冲激光源，实现输出具有一定时间间隔的脉冲，此处所使用的激光器是基于光纤被动锁模实现的超短脉冲光，增益光纤使用的是掺铒光纤；

S2.从脉冲源输出的脉冲送入至时间域色散模块，即进入色散补偿光纤进行时域色散传输；

S3.时域色散的光脉冲经过掺铒光纤放大器进行光域放大；

S4.放大后的脉冲源在进入空间光链路，首先经过的是一个二分之一波片和一个四分之一波片，对任意输入的线偏振光进行任意角度的旋转输出，其后使用的是一个空间光栅，该光栅的作用是对光脉冲实现频-空映射，并利用一个凸透镜将发散的光束汇聚于空间目标物上；

S5.照射光脉冲从目标物原路反射回链路，并与从参考面反射的第二路光束进行干涉，两光束由于在不同时延条件下频移不同，基于不同的频移信息，可记录目标物的纵向凹凸位移信息；

S6.合束光脉冲信号从空间光链路原路耦合进光纤中，并由一个高速光电探测器实现对光信号的电转换；

S7.探测的时域脉冲信号通过短时傅里叶变换可计算得到被测目标物的纵向结构分布情况；

S8.时域信号强度标记了被测目标物的横向结构信息，通过在扫描方向横向垂直方向的移动成像，得到被测目标的三维结构图像；

其中所述宽带超短脉冲激光源具有一定的光谱宽度，脉冲的重复频率在MHz至10s MHz量级范围，变换极限下的脉冲时域宽度为十飞秒至百飞秒量级，空间成像模块的成像过程中利用的是光源的光谱编码映射成像方法，所述宽带超短脉冲激光源中激光器由光纤环腔构成，利用掺杂稀土元素的光纤实现光放大作用，并利用锁模介质实现时域超短脉冲的输出。