CN107422392B - 一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统及方法。该系统包括激光发射器、扫描振镜系统、中介反射面、微透镜组、SPAD阵列探测器、时间相关光子计数器以及数据处理单元；激光发射器发射激光至中介反射面，中介反射面散射的激光照亮被隐藏目标，经隐藏目标反射后再次入射至中介反射面，SPAD阵列探测器接收中介反射面返回的光信号并触发时间相关光子计数器，时间相关光子计数器统计光子飞行时间得到时间光子计数图，激光发射器和扫描振镜系统不断进行扫描照射得到多幅时间光子计数图，利用数据处理单元完成对目标的绕角定位与追踪。本发明适用于对视域之外的目标进行定位，并对其进行实时监控追踪。

Description

一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统及方法

技术领域

本发明涉及激光定位与追踪领域，尤其是涉及一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统及方法。

背景技术

在绕角对隐藏目标进行探测定位的过程中，由于多次漫反射使得接收的光回波信号能量极其徼弱，通常微弱到只有若干个光子能量，甚至是单光子。单光子已不是连续光，且单光子能量很小，产生的光电流比室温下常规光电探测器本身的噪声还要低，因此要探测这种极其微弱的光子回波信号，需要特别的探测手段。利用单光子探测器进行光子探测的光子计数是一项重要的微光信号检测技术，在远程激光测距、水下目标探测、大气测污、天文观测、弱光波前传感、生物波导探测、粒子物理学、远程激光三维成像、荧光医学成像和星地与星际激光通信等领域都有十分广泛的应用。

漫反射是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。很多物体，如衣服、墙壁、植物等，其表面看起来似乎是平滑，但实际是凹凸不平的，当有光线照射时，平行的光线被弥漫的射向不同的方向，人眼之所以能看清物体的全貌，主要是靠漫反射光在眼内的成像。

基于绕角的技术是利用墙面、天花板等作为中介反射面，发射激光经过反射面—隐藏物体—反射面的三次漫反射过程最终由探测器采集数据完成对视域之外的目标进行三维重建或者定位追踪。绕角成像与绕角定位追踪既可以对目标进行成像提供目标信息，又可使操作人员在距离障碍物较远的地方对目标进行观察，从而保障了工作人员的安全。该技术在战场监视、搜索营救、反恐侦察、地震救灾、历史考古、医学诊疗等领域都有非常广阔的应用前景。

现有的绕角定位追踪研究多采用条纹相机作为探测器，或者利用二维强度图来完成目标追踪，以上方法实验装置昂贵，耗时过长，在定位追踪领域不能做到实时性，限制了绕角定位追踪技术在实际应用中的发展。

发明内容

本发明为了解决现有绕角定位追踪技术中存在的问题，从而提供了一种基于单光子探测原理的绕角定位与追踪的系统及方法，用于探测视域之外的目标物体并完成目标定位与目标实时追踪的工作。

本发明采用的技术方案包括：

本发明提供了一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统，包括激光发射器、扫描振镜系统、中介反射面、微透镜组、SPAD阵列探测器、时间相关光子计数器、数据处理单元；

激光发射器发射的出射激光经过扫描振镜系统在中介反射面形成的第一漫反射光；隐藏目标位于第一漫反射光的光路上并对第一漫反射光部分进行二次反射形成第二漫反射光；第二漫反射光再次经过中介反射面的漫反射后形成第三漫反射光；微透镜组和SPAD阵列探测器均位于第三漫反射光的光路上；

SPAD阵列探测器与时间相关光子计数器连接；时间相关光子计数器与数据处理单元连接；

时间相关光子计数器对第三漫反射光中光子数的分布情况进行统计并确保在同一时间SPAD阵列探测器中所有探测器单元同时生成M幅光子数-时间分布直方图；

数据处理单元包括同步电路、存储单元、DSP处理器和显示器；

同步电路用于保证激光发射器发射激光以及时间相关光子计数器开启计时同步进行；

存储单元用于储存时间相关光子计数器发送来的光子数的分布情况进行统计和分析结果；

DSP处理器用于对光子数的分布情况进行统计和分析结果进行定位和追踪处理；

显示器用于将DSP处理器的处理结果转换成隐藏目标的随时间变化的位置点显示出来。

上述激光器为能发出飞秒级脉冲光的激光器。

上述微透镜组为一组参数相同且镜片数量与SPAD阵列探测器中探测器单元数量相同的凸透镜组。

基于上述单光子探测的绕角定位与追踪系统的定位与追踪方法，该方法包括以下步骤：

1)同步电路控制激光发射器发射激光并给时间相关光子计数器一个开始计时的时间信号；

2)激光照射到中介反射面上形成第一漫反射光照到隐藏目标，隐藏目标将部分第一漫反射光二次反射成第二漫反射光后经中介反射面再次形成第三漫反射光；

3)第三漫反射光经微透镜组由SPAD阵列探测器接收并触发时间相关光子计数器，获得初始电子的时间分布情况；同步电路控制激光发射器不断扫描发射，同时时间相关光子计数器开始对光子数的分布情况进行统计并生成M幅光子数-时间分布直方图；

4)DSP处理器利用得到的M幅光子数-时间分布直方图对隐藏目标进行绕角定位与追踪；

4.1)提取任意一张光子数-时间分布直方图，在各个时间点对该光子数-时间分布直方图进行中值处理；

4.2)然后将处理后的光子数-时间分布直方图进行相减去除背景环境信息，隔离出不同位置下的隐藏目标信息；

4.3)将隔离出的包含目标信息的光子数-时间分布直方图进行高斯拟合处理；

4.4)根据实际场景建立场景三维模型，设置坐标系，根据激光发射器位置L(x_L,y_L,z_L)和激光发射器在中介反射面上的各个激光扫描照射点位置S_j 计算激光发射器初始发射距离R_a:

4.5)根据步骤4.4)中建立的三维模型获取SPAD阵列探测器各个探测单元位置D_i 和SPAD阵列探测器各个探测单元对应在中介反射面上的位置P_k 计算激光从P_k点到D_i所经过的距离R_d；

4.6)获取S_j和P_k到隐藏目标点的距离为R_b+R_c；

根据步骤4.3)高斯拟合处理后的光子数-时间分布直方图所包含的光子时间信息求出光子飞行总距离R_all；

由R_all＝R_a+R_b+R_c+R_d，求出R_b+R_c；

4.7)将S_j和P_k为焦点，R_c+R_d为焦距获取隐藏目标对应的三维模型中的椭球面；

4.8)重复步骤4.1)至步骤4.7)获得M幅光子数-时间分布直方图对应的M个椭球面，对M个椭球面由对应时刻下的光子数进行赋值，M个椭球面在三维空间中交叠求和，形成一幅置信值图C(x,y,z)；

4.9)剔除置信度太小的点，只保留C>αC_max+βC_maxl；

其中：C_max指置信图中的最大值，C_maxl指置信图中体素周围的局部最大值，α和β为权值，α取0.4、β取0.6；

4.10)将置信图中置信值较大的点作为隐藏目标的位置点，根据相应的时间信息得到隐藏目标位置的先后顺序，进行时间先后标记并通过显示器将所有的位置点显示出来即完成对视域之外的隐藏目标进行定位和追踪。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明能够快速而有效探测视域之外的隐藏目标并对其进行定位和追踪。

2、本发明采用SPAD阵列探测器能够有效扩展绕角成像技术的成像范围和成像实时性，同时降低了设备的体积以及生产成本，在实际生产和商业中的发展打下基础。

3、本发明采用DSP处理器处理大大提高隐藏目标的定位和追踪数据和精度。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意框图。

图2是绕角实验场景及定位与追踪算法示意图。

图3是定位与追踪算法流程图。

附图标记如下：1、激光发射器，2、扫描振镜系统，3、中介反射面，4、障碍物，5、隐藏目标，6、微透镜组，7、SPAD阵列探测器，8、时间相关光子计数器，9、数据处理单元。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，包括激光发射器1、扫描振镜系统2、中介反射面3、障碍物4、隐藏目标5、微透镜组6、SPAD阵列探测器7、时间相关光子计数器8以及数据处理单元9。

激光发射器1发射的出射激光经过扫描振镜系统2在中介反射面3形成的第一漫反射光；隐藏目标5位于第一漫反射光的光路上并对第一漫反射光部分进行二次反射形成第二漫反射光；第二漫反射光再次经过中介反射面3的漫反射后形成第三漫反射光；微透镜组6和SPAD阵列探测器7均位于第三漫反射光的光路上；

SPAD阵列探测器与时间相关光子计数器连接；时间相关光子计数器与数据处理单元连接；

时间相关光子计数器8可产生在不同的时间下探测到的光子数量的直方图，设计多重电路将时间相关光子计数器与SPAD阵列探测器中的各个探测器单元一一对应连接起来，保证在同一时间SPAD阵列探测器的所有探测器单元同时产生多幅时间光子计数直方图；

数据处理单元9包括同步电路、存储单元、DSP处理器和显示器；

同步电路用于保证激光发射器发射激光以及时间相关光子计数器开启计时同步进行；

存储单元用于储存时间相关光子计数器发送来的光子数的分布情况进行统计和分析结果；

DSP处理器用于对光子数的分布情况进行统计和分析结果进行反演处理；

其中，激光器1为能发出飞秒级脉冲光的激光器。

扫描振镜系统2可扫描的角度范围大，能够适应不同场景，保证激光发射器能够不断进行扫描照射。

中介反射面3为墙壁；障碍物4为不透光墙壁；隐藏目标5为移动的人体模型。

微透镜组6为一组参数相同且镜片数量与SPAD阵列探测器中探测器单元数量相同的凸透镜组。

SPAD(single photon avalanche diode)是建立在内光电效应基础上的光电器件，里面有一个重掺杂的倍增层，工作时反向偏置电压略高于雪崩击穿电压，因而具有极高的增益，当探测到一个或多于一个光子时，探测器就会发生雪崩效应，使输出电流迅速达到饱和值，这个过程通常是瞬态的，因而探测器具有单光子探测灵敏度和很好的时间分辨率。与其它类型单光子探测器相比，SPAD存在明显优势。与线性模式对比，探测灵敏度比线性模式高，具有单光子级能量的探测能力。虽然也存在外围控制电路及热电制冷电路较复杂等不足，但随着制造工艺和结构设计的不断优化，其性能已经得到了很大提高，应用日益广泛。由于探测器的高增益，在不加放大电路情况下其输出即可驱动数字电路。因此将与相关的门控、复位电路、计数电路、多路复用器、移位寄存器等单元有机地组合在一起，构成单光子探测器阵列的一个个像素单元，再将外围数字计时等信号处理电路集成到探测器像素阵列上，这样就得到了可计时的探测器阵列，因此，探测器阵列可获得极高的集成度，并且可克服因分立电路的寄生参数所带来的各种影响，同时亦具有极高的探测灵敏度、短死时间、低功耗和小体积，大大提升探测器整体性能。

本发明的具体实施方式如下：

1)同步电路控制激光发射器发射激光并给时间相关光子计数器一个开始计时的时间信号；

2)激光照射到中介反射面上形成第一漫反射光照到隐藏目标，隐藏目标将部分第一漫反射光二次反射成第二漫反射光后经中介反射面再次形成第三漫反射光；

3)第三漫反射光经微透镜组由SPAD阵列探测器接收并触发时间相关光子计数器，获得初始电子的时间分布情况；同步电路控制激光发射器不断扫描发射，同时时间相关光子计数器开始对光子数的分布情况进行统计并生成M幅光子数-时间分布直方图；

4)DSP处理器对隐藏目标进行绕角定位与追踪；

4.1)提取任意一张光子数-时间分布直方图，在各个时间点对该光子数-时间分布直方图进行中值处理；

4.2)然后将处理后的光子数-时间分布直方图进行相减去除背景环境信息，隔离出不同位置下的隐藏目标信息；

4.3)将隔离出的包含目标信息的光子数-时间分布直方图进行高斯拟合处理；

4.4)根据实际场景建立场景三维模型，设置坐标系，根据激光发射器位置L(x_L,y_L,z_L)和激光发射器在中介反射面上的各个激光扫描照射点位置S_j 计算激光发射器初始发射距离R_a:

4.5)根据步骤4.4)中建立的三维模型获取SPAD阵列探测器各个探测单元位置D_i 和SPAD阵列探测器各个探测单元对应在中介反射面上的位置P_k 计算激光从P_k点到D_i所经过的距离R_d；

4.6)获取S_j和P_k到隐藏目标点的距离为R_b+R_c；

根据步骤4.3)高斯拟合处理后的光子数-时间分布直方图所包含的光子时间信息求出光子飞行总距离R_all；

由R_all＝R_a+R_b+R_c+R_d，求出R_b+R_c；

4.7)将S_j和P_k为焦点，R_c+R_d为焦距获取隐藏目标对应的三维模型中的椭球面；

4.8)重复步骤4.1)至步骤4.7)获得M幅光子数-时间分布直方图对应的M个椭球面，对M个椭球面由对应时刻下的光子数进行赋值，M个椭球面在三维空间中交叠求和，形成一幅置信值图C(x,y,z)；

4.9)剔除置信度太小的点，只保留C>αC_max+βC_maxl；

其中：C_max指置信图中的最大值，C_maxl指置信图中体素周围的局部最大值，α和β为权值，α取0.4、β取0.6；

4.10)将置信图中置信值较大的点作为隐藏目标的位置点，根据相应的时间信息得到隐藏目标位置的先后顺序，进行时间先后标记并通过显示器将所有的位置点显示出来即完成对视域之外的隐藏目标进行定位和追踪。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，但本发明不限于实施方式的细节，对本发明做出的任何修改和改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统，其特征在于，包括激光发射器、扫描振镜系统、中介反射面、微透镜组、SPAD阵列探测器、时间相关光子计数器、数据处理单元；

激光发射器发射的出射激光经过扫描振镜系统在中介反射面形成的第一漫反射光；隐藏目标位于第一漫反射光的光路上并对第一漫反射光部分进行二次反射形成第二漫反射光；第二漫反射光再次经过中介反射面的漫反射后形成第三漫反射光；微透镜组和SPAD阵列探测器均位于第三漫反射光的光路上；

SPAD阵列探测器与时间相关光子计数器连接；时间相关光子计数器与数据处理单元连接；

时间相关光子计数器对第三漫反射光中光子数的分布情况进行统计并确保在同一时间SPAD阵列探测器中所有探测器单元同时生成M幅光子数-时间分布直方图；

数据处理单元包括同步电路、存储单元、DSP处理器和显示器；

同步电路用于保证激光发射器发射激光以及时间相关光子计数器开启计时同步进行；

存储单元用于储存时间相关光子计数器发送来的光子数的分布情况进行统计和分析结果；

DSP处理器用于对光子数的分布情况进行统计和分析结果进行定位和追踪处理；

显示器用于将DSP处理器的处理结果转换成隐藏目标的随时间变化的位置点显示出来。

2.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统，其特征在于：所述激光器为能发出飞秒级脉冲光的激光器。

3.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统，其特征在于：所述微透镜组为一组参数相同且镜片数量与SPAD阵列探测器中探测器单元数量相同的凸透镜组。

4.一种应用如权1所述的一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统的基于单光子探测的绕角定位与追踪方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)同步电路控制激光发射器发射激光并给时间相关光子计数器一个开始计时的时间信号；

2)激光照射到中介反射面上形成第一漫反射光照到隐藏目标，隐藏目标将部分第一漫反射光二次反射成第二漫反射光后经中介反射面再次形成第三漫反射光；

3)第三漫反射光经微透镜组由SPAD阵列探测器接收并触发时间相关光子计数器，获得初始电子的时间分布情况；同步电路控制激光发射器不断扫描发射，同时时间相关光子计数器开始对光子数的分布情况进行统计并生成M幅光子数-时间分布直方图；

4)DSP处理器利用得到的M幅光子数-时间分布直方图对隐藏目标进行绕角定位与追踪；

4.1)提取任意一张光子数-时间分布直方图，在各个时间点对该光子数-时间分布直方图进行中值处理；

4.2)将处理后的光子数-时间分布直方图进行相减去除背景环境信息，隔离出不同位置下的隐藏目标信息；

4.3)将隔离出的包含目标信息的光子数-时间分布直方图进行高斯拟合处理；

4.4)根据实际场景建立场景三维模型，设置坐标系，根据激光发射器位置L(x_L，y_L，z_L)和激光发射器在中介反射面上的各个激光扫描照射点位置计算激光发射器初始发射距离R_a：

4.5)根据步骤4.4)中建立的三维模型获取SPAD阵列探测器各个探测单元位置和SPAD阵列探测器各个探测单元对应在中介反射面上的位置计算激光从P_k点到D_i所经过的距离R_d；

4.6)获取S_j和P_k到隐藏目标点的距离为R_b+R_c；

根据步骤4.3)高斯拟合处理后的光子数-时间分布直方图所包含的光子时间信息求出光子飞行总距离R_all；

由R_all＝R_a+R_b+R_c+R_d，求出R_b+R_c；

4.7)将S_j和P_k为焦点，R_c+R_d为焦距获取隐藏目标对应的三维模型中的椭球面；

4.8)重复步骤4.1)至步骤4.7)获得M幅光子数-时间分布直方图对应的M个椭球面，对M个椭球面由对应时刻下的光子数进行赋值，M个椭球面在三维空间中交叠求和，形成一幅置信值图C(x，y，z)；

4.9)剔除置信度太小的点，只保留C＞αC_max+βC_maxl；

其中：C_max指置信图中的最大值，C_maxl指置信图中体素周围的局部最大值，α和β为权值，α取0.4、β取0.6；

4.10)将置信图中置信值较大的点作为隐藏目标的位置点，根据相应的时间信息得到隐藏目标位置的先后顺序，进行时间先后标记并通过显示器将所有的位置点显示出来即完成对视域之外的隐藏目标进行定位和追踪。