CN106526612A - 一种扫描式光子计数非视域三维成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种扫描式光子计数非视域三维成像装置及方法，涉及激光成像技术，为了解决现有技术无法对非视域场景进行成像的问题。脉冲激光器发射激光并给时间相关单光子计数器一个时间信号；整形后的激光入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体；接收光学系统接收墙体返回的激光，并使接收光学系统的像方视场与单光子探测器的视场相同；时间相关单光子计数器计算光子飞行时间，得到时间光子计数图；脉冲激光器和单光子探测器不断进行扫描，得到多幅时间光子计数图；计算机根据多幅时间光子计数图对目标的三维图像进行重构，得到三维图像。本发明适用于对非视域目标进行三维成像。

Description

一种扫描式光子计数非视域三维成像装置及方法

技术领域

本发明涉及激光成像技术，具体涉及非视域的三维成像技术。

背景技术

激光成像技术具有横向分辨率高、测距误差小、成像速度快、体积重量小等优点，因而被广泛地应用于民用和军用领域中，用于直接获取目标的强度信息和三维距离信息，从而实现对目标的识别。随着器件技术的发展，特别是高灵敏度、高时间分辨率的单光子探测器的出现，激光成像技术不仅仅局限于对常规目标的探测，还被应用于一些特殊条件或特殊环境下目标的探测和识别，特别是对非视域场景中目标的成像正越来越受到人们的关注。

所谓的非视域场景是指由于障碍物如房屋墙壁、建筑拐角、门窗玻璃等的遮挡，使得目标物处于人眼直视视场或成像设备的探测视场之外，现有成像手段无法直接观测的场景。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术无法对非视域场景进行成像的问题，从而提供一种扫描式光子计数非视域三维成像装置及方法。

本发明所述的一种扫描式光子计数非视域三维成像装置，包括脉冲激光器、光束整形系统、接收光学系统、单光子探测器、时间相关单光子计数器、计算机；

脉冲激光器发射激光并给时间相关单光子计数器一个时间信号，脉冲激光器出射的激光经光束整形系统整形后入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体，接收光学系统接收墙体返回的激光，该激光入射至单光子探测器，单光子探测器的输出端与时间相关单光子计数器的输入端连接，时间相关单光子计数器的输出端与计算机相连；脉冲激光器和单光子探测器不断进行扫描。

优选的是，还包括滤光片，滤光片位于墙体与单光子探测器之间的光路中。

滤光片对杂散光进行滤除，提高了测量精度。

优选的是，还包括第一转台和第二转台，脉冲激光器和单光子探测器分别固定在第一转台和第二转台上，实现扫描。

优选的是，还包括两套振镜扫描系统，两套振镜扫描系统分别使脉冲激光器和单光子探测器实现扫描。

本发明所述的一种扫描式光子计数非视域三维成像方法，该方法包括以下步骤：

脉冲激光器发射激光并给时间相关单光子计数器一个时间信号；

采用光束整形系统对脉冲激光器发射的激光进行整形；

整形后的激光入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体；

接收光学系统接收墙体返回的激光，并使接收光学系统的像方视场与单光子探测器的视场相同；

时间相关单光子计数器计算入射至单光子探测器的光子从脉冲激光器出发到回到单光子探测器的光子飞行时间，得到时间光子计数图；

脉冲激光器和单光子探测器不断进行扫描，

得到多幅时间光子计数图；

计算机根据多幅时间光子计数图对目标的三维图像进行重构，得到三维图像。

优选的是，还包括采用滤光片对墙体返回的激光进行过滤的步骤。

优选的是，计算机根据多幅时间光子计数图对目标的三维图像进行重构，得到三维图像，具体包括以下步骤：

反投影：

建立模型，脉冲激光器位于L点，单光子探测器位于D点，脉冲激光器出射的激光入射于墙上的点为源点，S_j第j个源点，单光子探测器对应墙体上的一点，这一点为像点，I_i为第i个像点；

将每一幅时间光子图反投影到三维空间中，时间光子计数图中每个时刻的值都对应三维空间中的一个椭球面，该椭球面以源点和像点为焦点，目标的一点的空间坐标(x,y,z)满足下式：

||(x,y,z)-S_j||+||(x,y,z)-I_i||＝ct_ijk-||L-S_j||-||D-I_i||

其中，c为光速，t_ijk为第j个源点、第i个像点、第k个时间通道的光子飞行时间；

所有椭球面在空间中交叠求和，形成一幅置信值图V(x,y,z)；

滤波处理：

采用拉普拉斯滤波器进行滤波，得到滤波置信图V_f(x,y,z)

取阈处理：

对滤波置信图V_f(x,y,z)进行取阈处理，剔除低于阈值的值，得到目标的三维图像；

阈值为βmax(V_f(x,y,z))，0＜β＜1。

本发明采用高性能的成像设备，可以从周围的场景如墙壁、地面等物体上间接获取非视域目标的回波信号，利用回波信号对非视域目标进行三维重构。本发明的探测器是单元型的，需要配合光束扫描装置对大的视场进行逐点测量，可以选择性进行点采样，大大提高系统的灵活性。非视域成像技术有很好的发展前景，将来可被广泛地应用于战场监视、城市交通、搜索营救、反恐侦察、地震救灾、历史考古、医学诊疗等领域。

本发明适用于对非视域目标进行三维成像。

附图说明

图1是的背景技术的非视域场景的结构示意图；

A1为遮挡物，A2为墙体，A3为目标；

图2是具体实施方式一所述的一种扫描式光子计数非视域三维成像装置的结构示意图；

图3是具体实施方式一中的采用振镜扫描系统实现扫描的装置的结构示意图；

图4是具体实施方式三中的成像原理图；

B为椭球面，C为空间坐标点。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种扫描式光子计数非视域三维成像装置，包括脉冲激光器1、光束整形系统2、接收光学系统3、单光子探测器5、时间相关单光子计数器6、计算机7；

脉冲激光器1发射激光并给时间相关单光子计数器6一个时间信号，脉冲激光器1出射的激光经光束整形系统2整形后入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体，接收光学系统3接收墙体返回的激光，该激光入射至单光子探测器5，单光子探测器5的输出端与时间相关单光子计数器6的输入端连接，时间相关单光子计数器6的输出端与计算机7相连；脉冲激光器1和单光子探测器5不断进行扫描。

脉冲激光器1和单光子探测器5不断进行扫描，通过改变源点和像点得到多幅时间光子计数图。例如，脉冲激光器1出射的光在某一时间段不扫描，通过单光子探测器5扫描改变像点得到多幅时间光子计数图，脉冲激光器1入射至另一源点，通过单光子探测器5扫描改变像点得到多幅时间光子计数图，如此重复。

本实施方式的装置能够测量光从脉冲激光器出来后经多次散射回到单光子探测器所形成的信号波形(不同时刻的光子数)。为了获得足够高的时间分辨率，要求发射光脉冲的宽度小于几百皮秒，单光子探测器的响应时间也要小于几百皮秒。

具体实施方式二：基于具体实施方式一所述的一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置的成像方法，该方法包括以下步骤：

脉冲激光器1发射激光并给时间相关单光子计数器6一个时间信号；

采用光束整形系统2对脉冲激光器1发射的激光进行整形；

整形后的激光入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体；

接收光学系统3接收墙体返回的激光，并使接收光学系统3的像方视场与单光子探测器5的视场相同；

时间相关单光子计数器6计算入射至单光子探测器5的光子从脉冲激光器1出发到回到单光子探测器5的光子飞行时间，得到时间光子计数图；

脉冲激光器1和单光子探测器5不断进行扫描，

得到多幅时间光子计数图；

计算机7根据多幅时间光子计数图对目标的三维图像进行重构，得到三维图像。

具体实施方式三：结合图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的一种扫描式光子计数非视域三维成像方法作进一步说明，本实施方式中，

计算机7根据多幅时间光子计数图对目标的三维图像进行重构，得到三维图像，具体包括以下步骤：

反投影：

建立模型，脉冲激光器1位于L点，单光子探测器5位于D点，脉冲激光器1出射的激光入射于墙上的点为源点，S_j第j个源点，单光子探测器5对应墙体上的一点，这一点为像点，I_i为第i个像点；

将每一幅时间光子图反投影到三维空间中，时间光子计数图中每个时刻的值都对应三维空间中的一个椭球面，该椭球面以源点和像点为焦点，目标的一点的空间坐标(x,y,z)满足下式：

||(x,y,z)-S_j||+||(x,y,z)-I_i||＝ct_ijk-||L-S_j||-||D-I_i||

其中，c为光速，t_ijk为第j个源点、第i个像点、第k个时间通道的光子飞行时间；所有椭球面在空间中交叠求和，形成一幅置信值图V(x,y,z)；

滤波处理：

采用拉普拉斯滤波器进行滤波，得到滤波置信图V_f(x,y,z)

取阈处理：

对滤波置信图V_f(x,y,z)进行取阈处理，剔除低于阈值的值，得到目标的三维图像；

阈值为βmax(V_f(x,y,z))，0＜β＜1。

如图4所示，目标隐藏于遮挡物之后，使得激光器和探测器都无法直接照射和探测到。脉冲激光器1处于位置点L处。从脉冲激光器1出射的光脉冲作用下照射于墙上的S点。光在这一点被散射，因而这一点可认为一个源点。从这一点散射的光照亮整个目标，照射到目标上的光再次被反射并且返回到墙体上。通过扫描，可以将单光子探测器5的视场指向墙体上的某一点I_i，这一点称为像点，于是单光子探测器可以将目标散射到像点的所有光子全部探测到。单光子探测器的位置点为D。时间相关单光子计数器可以将每个光子从脉冲激光器1出发到回到单光子探测器5的光子飞行时间测出来，通过对大量光子的测量，对每一对源点和像点，都可以获取到一幅光子计数随飞行时间变化的波形图，称其为时间光子计数图N(S_j,I_i,t)。通过变换不同的源点和像点，我们可以获得多个时间光子计数图。而目标三维图像的重构正是借助于这多幅时间光子计数图。

对目标的三维图像进行重构包括反投影、滤波处理、取阈处理三个步骤。反投影的主要作用是将每一幅时间光子图反投影到三维空间中，时间光子计数图中个时间通道的值都对应三维空间中的一个椭球面V_ijk(x,y,z)，这个椭球面以源点和像点为焦点，目标的一点的空间坐标(x,y,z)满足下式：

||(x,y,z)-S_j||+||(x,y,z)-I_i||＝ct_ijk-||L-S_j||-||D-I_i|| (1)

其中，c为光速，t_ijk为第j个源点、第i个像点、第k个时间通道的光子飞行时间；

所有椭球面在空间中交叠求和，形成一幅置信值图V(x,y,z)，置信值图中每一点的值都代表了目标出现在这一点上的概率，概率大的地方就代表目标的位置。当然置信图中没有目标出现的位置，其值也不为零，我们称之为伪迹(假目标)，为了消除伪迹，必要的滤波和取阈处理是必需的。采用拉普拉斯滤波器进行滤波，

经过滤波处理之后，置信值图中目标的形状边界被锐化，伪迹被很好的弱化。这幅图被称为滤波置信图。再通过对该图进行取阈处理，阈值为

βmax(V_f(x,y,z)) (3)。

经过取阈处理之后，大部分伪迹和噪声被进一步消除，目标的三维形状被重建出来。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种扫描式光子计数非视域三维成像装置，其特征在于，包括脉冲激光器(1)、光束整形系统(2)、接收光学系统(3)、单光子探测器(5)、时间相关单光子计数器(6)、计算机(7)；

脉冲激光器(1)发射激光并给时间相关单光子计数器(6)一个时间信号，脉冲激光器(1)出射的激光经光束整形系统(2)整形后入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体，接收光学系统(3)接收墙体返回的激光，该激光入射至单光子探测器(5)，单光子探测器(5)的输出端与时间相关单光子计数器(6)的输入端连接，时间相关单光子计数器(6)的输出端与计算机(7)相连；脉冲激光器(1)和单光子探测器(5)不断进行扫描。

2.根据权利要求1所述的一种扫描式光子计数非视域三维成像装置，其特征在于，还包括滤光片(4)，滤光片(4)位于墙体与单光子探测器(5)之间的光路中。

3.根据权利要求1所述的一种扫描式光子计数非视域三维成像装置，其特征在于，还包括第一转台和第二转台，脉冲激光器(1)和单光子探测器(5)分别固定在第一转台和第二转台上，实现扫描。

4.根据权利要求1所述的一种扫描式光子计数非视域三维成像装置，其特征在于，还包括两套振镜扫描系统，两套振镜扫描系统分别使脉冲激光器(1)和单光子探测器(5)实现扫描。

5.基于权利要求1所述的一种扫描式光子计数非视域三维成像装置的成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

脉冲激光器(1)发射激光并给时间相关单光子计数器(6)一个时间信号；

采用光束整形系统(2)对脉冲激光器(1)发射的激光进行整形；

整形后的激光入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体；

接收光学系统(3)接收墙体返回的激光，并使接收光学系统(3)的像方视场与单光子探测器(5)的视场相同；

时间相关单光子计数器(6)计算入射至单光子探测器(5)的光子从脉冲激光器(1)出发到回到单光子探测器(5)的光子飞行时间，得到时间光子计数图；

脉冲激光器(1)和单光子探测器(5)不断进行扫描，

得到多幅时间光子计数图；

计算机(7)根据多幅时间光子计数图对目标的三维图像进行重构，得到三维图像。

6.基于权利要求5所述的一种扫描式光子计数非视域三维成像装置的成像方法，其特征在于，还包括采用滤光片(4)对墙体返回的激光进行过滤的步骤。

7.基于权利要求5所述的一种扫描式光子计数非视域三维成像装置的成像方法，其特征在于，计算机(7)根据多幅时间光子计数图对目标的三维图像进行重构，得到三维图像，具体包括以下步骤：

反投影：

建立模型，脉冲激光器(1)位于L点，单光子探测器(5)位于D点，脉冲激光器(1)出射的激光入射于墙上的点为源点，S_j第j个源点，单光子探测器(5)对应墙体上的一点，这一点为像点，I_i为第i个像点；

将每一幅时间光子图反投影到三维空间中，时间光子计数图中每个时刻的值都对应三维空间中的一个椭球面，该椭球面以源点和像点为焦点，目标的一点的空间坐标(x,y,z)满足下式：

||(x,y,z)-S_j||+||(x,y,z)-I_i||＝ct_ijk-||L-S_j||-||D-I_i||

其中，c为光速，t_ijk为第j个源点、第i个像点、第k个时间通道的光子飞行时间；所有椭球面在空间中交叠求和，形成一幅置信值图V(x,y,z)；

滤波处理：

采用拉普拉斯滤波器进行滤波，得到滤波置信图V_f(x,y,z)

$V_f(x,y,z)={\▿}^{2}V(x,y,z);$

取阈处理：

对滤波置信图V_f(x,y,z)进行取阈处理，剔除低于阈值的值，得到目标的三维图像；阈值为βmax(V_f(x,y,z))，0＜β＜1。