CN107807353A - 采用n重脉冲编码的三维成像光子计数系统及计数方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统及计数方法，该系统包括总控制器、信号发生器、脉冲激光器、发射光学系统、接收光学系统、Gm‑APD阵列探测器、TCSPC时间相关光子计数器以及信号处理单元；本发明的方法是：总控制器控制信号发生器产生N重脉冲信号，并由脉冲激光器转换为脉冲光信号，经发射光学系统打向目标物体，目标物体反射的回波脉冲信号，由接受光学系统进行能量汇聚，后照射到Gm‑APD阵列探测器上，探测器产生的信号经过TCSPC时间相关光子计数模块，再将计数后的信号传入信号处理单元进行时间相关与解算，最后计数结果传入总控制模块输出结果；该方法克服了现有技术强度信息丢失和无法抵抗环境干扰能力的问题。

Description

采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统及计数方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统及计数方法。

背景技术

光学三维成像技术在地形测绘、导航、无人驾驶、医疗等领域有着广泛应用场合。目前主要的实现方式有两种：

一种是三维合成法，即采用CCD等感光器件被动获取目标的平面图像，通过在不同方位坐标上获得同一目标不同维度信息，经过后期三维重建得到被测目标的三维图像；

另一种是脉冲激光主动探测法，即使用脉冲激光器，通过扫描的方式，对目标物体不同部位进行激光测距探测，经过后期信号处理和数据关联重构出目标三维图像。这两种方法都能够部分实现目标三维成像的需求，但在成像速度、精度方面仍有局限性。

在远距离目标三维成像这一应用领域，由于回波光子数与所测量距离的平方成反比，探测设备大多采用脉冲激光主动探测方法。这是由于远距离目标的情况下，三维合成法使用的是被动探测方式，探测到的目标物体有效光子信号被高出几个数量级的噪声淹没，故无法胜任这一情形。

传统脉冲激光主动探测法采用飞行时间测量方式，其原理是：通过向目标物体发射一个高能量激光脉冲，开启计时器，等待探测器接受到回波激光脉冲并触发计时器关断。探测器探测到的回波激光脉冲强度可等效为目标的物体反射率；计时器所记录的时间即为激光在大气中飞行的时间，可等效换算成目标物体的距离信息。此方法原理简单，信号也易于处理。但是大功率激光器不仅对设备供电系统提出了更严格的要求，而且会增大了设备的体积和重量，同时在使用的过程中也存在一定的危险性。并且由于飞行时间测量方式其每个工作周期需要等待光完成从测量装置到被测目标的全程飞行，测量效率低，大大制约了成像速率。同时由于每个工作周期只发射单个激光脉冲，完全没有抵抗环境干扰的能力。而且随着探测距离增加，势必要增大出射激光脉冲的能量，以保证到达探测器的回波激光脉冲的能量能够被探测到。这些局限性使飞行时间测量方式无法满足远距离三维成像的需求。

而采用光子计数方式的脉冲激光主动探测法则是一个全新的研究领域。其原理是：向目标物体发射一串激光脉冲序列，在探测器端记录下每个回波激光脉冲的时间，将接收到的回波激光脉冲时间序列与发出的激光脉冲序列做相关，所解算出来的相关高峰所处时间即为脉冲的等效飞行时间，由此可以得出目标物体的距离。此方法能够大幅降低对激光器功率的需求，每个工作周期发射多个激光脉冲，能够直接提升探测效率。但由于此方法所采用的单光子探测器只能判断信号的有无，无法给出信号相应的强度，因此光子计数方式的脉冲激光主动探测法会丢失掉目标物体的反射率信息。目前已有的解决方法是对发射脉冲进行复合调制，从而在发射脉冲上增加了特定的强度信息(参见Z.J.Zhang,Y.Zhao,Y.Zhang,L.Wu,and J.Z.Su.Improvement of range accuracy of photon countingchirped AM ladar using phase postprocessing.)。

但此方法存在下列问题：

1.由于此方法对每个发出激光脉冲进行强度调制，每个脉冲都携带各自信息，故而完全没有抵抗环境干扰的能力；

2.由于强度调制不可避免的存在非线性畸变，会导致接受到的反射率信息也存在着畸变。

发明内容

为了解决现有采用光子计数方式三维成像技术存在的强度信息丢失和无法抵抗环境干扰能力的问题，本发明提供一种采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统及计数方法。

本发明的具体技术方案是：

一种采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统，包括总控制器、信号发生器、脉冲激光器、发射光学系统、接收光学系统、Gm-APD阵列探测器、TCSPC时间相关光子计数器以及信号处理单元；

总控制器的输入端与信号处理单元连接，总控制器的输出端分别与信号发生器输入端以及TCSPC时间相关光子计数器输入端连接；TCSPC时间相关光子计数器的输出端与信号处理单元的输入端连接；

信号发生器信号输出端同时与TCSPC时间相关光子计数器输入端和脉冲激光器信号输入端连接；

脉冲激光器发射的光依次经过发射光学系统、待测目标物体、接收光学系统后被Gm-APD阵列探测器接收；Gm-APD阵列探测器的输出端与TCSPC时间相关光子计数器的输入端连接。

其中,发射光学系统的作用是对激光脉冲信号进行分束，并照射到目标物体方向。具体来说，发射光学系统是由激光衍射分束器和透镜组组成。

接收光学系统的作用是对目标物体反射回的回波激光脉冲信号进行汇聚，除去环境杂散光干扰，并将回波激光脉冲照射到Gm-APD阵列探测器上。其具体是由由透镜组、窄带滤波片和耦合光纤组构成。

该系统的基本工作原理是：总控制器控制信号发生器产生N重脉冲编码信号，并由脉冲激光器转换为脉冲光信号，经发射光学系统打向待测目标物体，待测目标物体反射的回波脉冲信号，由接受光学系统进行能量汇聚后照射到Gm-APD阵列探测器上，Gm-APD阵列探测器产生的信号输入到TCSPC时间相关光子计数器中计数，再将计数后的信号传入信号处理单元进行时间相关与解算，最后计数结果传入总控制器输出结果。

通过对上述系统结构和基本原理的描述，现对本发明采用采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统进行计数的方法进行详述，具体包括以下步骤：

1)信号发生器产生N重脉冲编码序列；

1.1)编码参数设置：所述编码参数包括N重编码单编码序列总长度k、N重编码单编码序列强度元长度为p、N重编码单编码序列编码强度2^p、校验序列长度r、线性反馈移位寄存器的级数d以及M编码序列总长度2^d-1；

其中，N重编码单编码序列总长度k、N重编码单编码序列强度元长度为p以及校验序列长度r之间满足如下关系：

k＝p+r；

1.2)生成N重编码单编码序列：

1.2.1)生成强度序列分布组S；

将N重编码单编码序列强度元P以0、1作为编码码字，长度为p，则其对应的强度等级为q级，q∈[0,p]，同时以长度p和0、1作为编码码字时，存在的所有强度组合类型有2^p个单强度编码，每一个单强度编码之间互不相同，将所有2^p个组合类型称为强度序列分布组S；

其中，单个组合类型称为强度单序列z=(z¹,z²,…,z^p-1,z^p)，z^p为强度单序列第p位上的码字，对于每一个固定的强度等级J，存在个单强度编码与之对应，其中J∈[0,p]，将这个单强度编码称为单强度编码组，记为其中J∈[0,p]、 中的每一元素代表一种单强度编码，而中所有元素的强度等级相同；

1.2.2)以强度单序列z为校验对象生成校验序列R；

1.2.3)生成N重编码单编码序列以及N重编码单编码序列组；

对所有2^p个强度单序列z生成其对应的校验序列R，再将强度单序列z和其对应的校验序列R进行排列合并，强度单序列z排在校验序列R前，最终生成2^p个互不相同的N重编码单编码序列K；将2^p个不同的N重编码单编码序列K称为N重编码单编码序列组K_2p，

1.3)生成M编码序列M_d；

设线性反馈移位寄存器级数为d，记为(m₀,m₁,m₂,…m_d-1)，设M编码序列M_d＝(w_d-1,w_d-2,…,w₁,w₀)，每个线性反馈移位寄存器中的数值随机取0或1，且两两之间互不相关，则M编码序列M_d由下述公式产生：

1.4)生成复合强度编码序列后备组T：

由M编码序列M_d和N重编码单编码序列组生成复合强度编码序列后备组T；

对M编码序列M_d进行长度为p的等分，等分后的M编码序列记为U＝(U₁,U₂,…,U_X-1,U_X)，长度为X；任意两个相邻的强度等份记为U_x和U_x+1，其中，X∈[1,(2^d-1)/p]；

每一个强度等份U_x对应一个确定的强度级别J_x，根据步骤1.2.1)强度等级J_x对应一个单强度编码组其包含有个不同的N重编码单编码序列，将等分后的M编码序列U＝(U₁,U₂,…,U_X-1,U_X)中所有强度等份U_X替换为与其对应的单强度编码组其中由此生成了复合强度编码序列后备组

1.5)计算码元间汉明距离并置换：

1.5.1)计算复合强度编码序列后备组中的相邻单强度编码组的汉明距离；

对复合强度编码序列后备组进行分组，从开始，相邻两个为一组，得到X/2组；

对X/2组中的任意一个，其中包含的两个单强度编码组和并分别对应和个单强度编码，其中计算中的每一个单强度编码与中所有的单强度编码之间的汉明距离，公式如下

其中，o为变量，取值范围是：p≥o≥1；

每两个相邻强度等份总共需要计算次汉明距离，计算结果为一大小的汉明距离矩阵找出矩阵中所有元素的最大值，将这个汉明距离最大值所对应的两个强度单序列分别记为v_x和v_x+1；

重复上述过程，得出每一对使复合强度编码序列后备组T中相邻单强度编码组间汉明距离值最大的强度单序列v_x和v_x+1，并按其所对应的单强度编码组在复合强度编码序列后备组T中的顺序进行排列，记为V＝(v₁,v₂,…,v_X-1,v_X)，称为单强度编码排列组；

1.5.2)替换单强度编码组为对应N重编码单编码序列；

根据步骤1.5.1)得到的所有汉明距离值最大的强度单序列集合V，找出与之对应的在步骤1.2.3)中生成的N重编码单编码序列，并按照顺序排列，记为K＝(k₁,k₂,…,k_X-1,k_X)；

1.6)通过校验序列R生成分割序列；

1.7)生成N重脉冲编码序列：

在K＝(k₁，k₂，…，k_X-1，k_X)中每两个相邻N重编码单编码序列之间插入分割序列，完成N重脉冲编码序列的生成；

2)通过N重脉冲编码序列触发脉冲激光器发射出激光，激光依次经过发射光学系统、待测目标物体、接收光学系统后被Gm-APD阵列探测器探测，Gm-APD阵列探测器将探测结果输入至TCSPC时间相关光子计数器，TCSPC时间相关光子计数器对探测结果中的光子数进行统计分析后将数据输送至信号处理单元；

3)信号处理单元对TCSPC时间相关光子计数器输送的数据进行时间相关和解码，从而获取目标物体的距离信息和强度信息；

3.1)多周期数据累积；

设一个工作周期TCSPC时间相关光子计数器输送到信号处理单元的数据为G；所述一个工作周期为从脉冲激光器发射出一束包含完整N重脉冲编码序列脉冲激光到Gm-APD阵列探测器完整接收到目标物体反射回来的脉冲激光；

每当信号处理单元接收到一个工作周期的数据G将其解算为光子事件的时间分布为G_C＝{G₁,G₂,…,G_c}；

重复接收多个工作周期的数据，将每一个工作周期的探测到的序列进行累加，则Gm-APD阵列探测器中每个探测器单元接收到的N重脉冲编码序列记为L，表示为L＝(G₁∪G₂∪…∪G_c)。

3.2)N重脉冲编码序列L识别与分割；

对接收到的N重脉冲编码序列L进行遍历，由分割序列长度恒定且唯一的特性，识别出N重脉冲编码序列L中的分割序列；并以所有分割序列的起始和截止为界，对N重脉冲编码序列L进行分割；接着去掉分割序列，将分割后的序列称为后分割序列，记为F＝{F₁,Ｆ₂,…,Ｆ_i}，其中i＝(2^d-1)/p；

3.3)还原等效M编码序列的后M编码序列M_R；

3.3.1)将后分割序列F中每一个元素F_i分别与步骤1.2.3)中生成的N重编码单编码序列组K_2p中2^p个不同的N重编码单编码序列K计算汉明距离，计算公式如下所示

总共需要计算(2^d-1)/p·2^p次汉明距离，计算结果为(2^d-1)/p×2^p大小的汉明距离矩阵H_ij；

3.3.2)找出H_ij每一列中所有元素的最小值作为N重编码单编码序列组K_2p中与每一个小序列F_i汉明距离最小的N重编码单编码序列；每一个N重编码单编码序列对应唯一的一个强度单序列z；将每一个小序列F_i对应汉明距离最小的N重编码单编码序列按照F_i后分割序列F中的位置排序，再将排序后的每一个N重编码单编码序列替换与之对应的强度单序列z,并记为称为后等效强度序列组，其中j＝(2^d-1)/p；

3.3.3)每一个强度等分U_x对应后等效强度序列组z^H中相同位置的强度单序列z；将后等效强度序列组z^H中每个强度单序列z按照顺序依次首尾相连，得到后M编码序列M_R；

3.4)解算目标物体距离矩阵；

3.4.1)通过步骤3.3)得出的后M编码序列M_R与步骤1.3)中生的M编码序列M_d做离散傅立叶变换，计算公式为

得到结果分别记为F(M_d)和F(M_R)；由此得到相关函数的离散傅立叶变换为R_xy(M)＝F(M_d)F^*(M_R)，其中F^*(M_R)为F(M_R)的共轭；

3.4.2)对相关函数的离散傅立叶变换R_xy(M)做N点傅立叶逆变换，公式如下：

搜索序列r_xy的极大值，极大值在序列r_xy中的位置即为相关高峰值所在，记做r_des。

则Gm-APD阵列探测器中一个探测器单元所探测到目标物体的距离为：

D＝C*r_des*t/2

其中C为光速；t为TCSPC时间相关光子计数器的时间分辨率；

3.5)重复步骤3.1)至步骤3.4)得出Gm-APD阵列探测器中所有探测器单元探测到目标物体的距离矩阵D_i×j；

其中i×j为Gm-APD阵列探测器的分辨率；

3.6)解算目标物体灰度矩阵；

设步骤1.7)中生成的N重脉冲编码序列为A_G，步骤3.1)中接收到的N重脉冲编码序列L中有效脉冲信号“1”的个数A_R；则目标物体强度信息可以表示为

其中，H为强度图的最大灰度值；

分别对于Gm-APD阵列探测器中每一个探测器单元，计算出目标物体灰度矩阵H_i×j，其中i×j为Gm-APD阵列探测器的分辨率；

3.7)完成计数。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明的系统能够在大幅降低对激光器功率的需求、提升探测效率的同时，给出目标物体的距离信息和强度信息，从而能够很容易的实现目标物体的三维成像。

2、本发明采用了TCSPC时间相关光子计数器结合Gm-APD阵列探测器，能够有效解决单光子级别回波信号的探测与识别问题，提高了光子计数三维成像技术的最大探测距离和极弱光成像能力，并且较传统探测方法，将距离分辨率提升一个数量级以上。

3、本发明解决光子计数三维成像技术的抗干扰能力，进一步提升光子计数三维成像技术的最大探测距离和探测精度。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

图2为信号发生器产生N重脉冲编码序列组的流程图。

图3为N重脉冲编码序列的结构图。

图4为信号处理单元解码的流程图。

图5为多周期数据累积图；

图6为传统方法和本发明方法的抗干扰能力曲线对比图。

具体实施方式

本发明所叙述的内容为一种采用N重脉冲编码的三维成像光子计数装置。组成结构参见图1，具体包括总控制器、信号发生器、脉冲激光器、发射光学系统、接收光学系统、Gm-APD单光子阵列探测器、TCSPC时间相关光子计数器、信号处理单元。

控制模块的信号输出端与信号发生器信号输入端相连接，信号发生器信号输出端同时与TCSPC时间相关光子计数模块输入端和脉冲激光器信号输入相连，而脉冲激光器光信号输出端位于发射光学系统输入端处，发射光学系统输出端指向目标物体；经目标反射的回波脉冲信号，首先进入接收光学系统进行能量汇聚，并照射到Gm-APD单光子阵列探测器上，完成对回波脉冲信号进行探测，探测的结果输入到TCSPC时间相关光子计数模块进行计数，最后输出到信号处理模块中进行时间相关和解码，从而由目标的距离信息和强度信息绘制成目标的三维图像。

需要说明是：上述系统中总控制器、信号发生器、信号处理模块采用Xilinx公司Vertex-7系列FPGA编写，型号为XC7VX415T，逻辑单元数412,160个，I/O引脚数600个，片上RAM大小为31,680Kb。

上述系统中脉冲激光器采用PicoQuant公司的LDH-D-C-850脉冲激光器，配套驱动器型号为PDL800-D，其工作波段为850nm，脉冲重复频率最大为80MHz，功率为9mW。

上述系统中Gm-APD阵列探测器采用滨松公司S13361-3050AE-08MPPC阵列，阵列通道个数64(8×8)，有效感光面积为3x3mm，像素个数3584个，光谱响应范围为320～900nm，最大量子效率40％。

上述系统中TCSPC时间相关光子计数器采用新秒光电公司MT6420多通道时间相关光子计数系统，最大支持64通道，最高时间分辨率64ps，饱和计数率20Mcps，死时间50ns。

本示例中发射光学系统是由激光衍射分束器和透镜组组成。接收光学系统具体是由由透镜组、窄带滤波片和耦合光纤组构成。

基于上述采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统的计数方法包括以下步骤：

1)信号发生器产生N重脉冲编码序列；

信号发生器产生N重脉冲编码序列流程如图2所示。主要流程包括编码参数设置、生成N重编码单编码序列、生成复合强度编码序列后备组、计算码元间汉明距离并置换、生成N重脉冲编码序列。流程生成校验序列包括在流程生成N重编码单编码序列中；流程生成M编码序列包括在流程生成复合强度编码序列后备组中；流程生成分割序列包括在流程生成N重脉冲编码序列。

1.1)设置编码参数：所述编码参数包括：N重编码单编码序列总长度k；N重编码单编码序列强度元P长度为p；N重编码强度2^p；校验序列长度r；线性反馈移位寄存器的级数d；M编码序列总长度2^d-1；

校验序列R长度r直接决定编码的抗干扰能力，校验序列R的长度与N重编码单编码序列的抗干扰能力成正比；强度元P的长度p则直接决定N重编码单编码序列所能携带的强度信息量的大小，强度元P的长度与所携带的强度信息量成正比；N重编码单编码序列总长度k与本装置工作所需要的探测周期相关，同时与最大探测距离相关，其长度与探测周期长度成正相关，与最大探测距离也成正相关；而上述三个参数之间的关系式为k＝p+r，需要依据实际情况选取。

1.2)生成N重编码单编码序列以及N重编码单编码序列组：

将首先生成强度序列分布组S，再生成校验序列R，最终由强度序列分布组S和校验序列R一同生成N重编码单编码序列；

1.2.1)生成强度序列分布组S的方法：

N重编码单编码序列强度元P以0、1作为编码码字，长度为p，则其对应的强度等级为q级，q∈[0,p]，同时以长度p和0、1作为编码码字时，存在的所有强度组合类型有2^p个单强度编码，每一个单强度编码之间互不相同；

将所有2^p个组合类型称为强度序列分布组，记为S，其中的单个组合类型称为强度单序列，并记做z＝(z¹,z²,…,z^p-1,z^p)，z^p为强度单序列第p位上的码字，对于每一个固定的强度等级J，存在个单强度编码与之对应，其中J∈[0,p]，将这个单强度编码称为单强度编码组，记为其中 中的每一元素代表一种单强度编码，而中所有元素的强度等级相同；

1.2.2)生成校验序列R

校验序列可以设置为任意纠错码，只要是以强度单序列z为校验对象的线性码、卷积码、循环码等都是可行的。例如校验序列R选为线性重复码，重复次数设置为2，单编码序列总长度k＝4，校验序列长度r＝8，则校验序列R＝(z¹,z²,z³,z⁴,z⁴,z³,z²,z¹)。

1.2.3)生成N重编码单编码序列组

由步骤1.2.2)所叙述的校验序列R的生成方法，对所有2^p个强度单序列z生成其对应的校验序列R，再将强度单序列z和其对应的校验序列R进行排列合并，强度单序列z排在校验序列R前，最终生成2^p个互不相同的N重编码单编码序列K；将2^p个不同的N重编码单编码序列K称为N重编码单编码序列组，记为K_2p，

1.3)生成复合强度编码序列后备组T：

由M编码序列M_d和N重编码单编码序列组生成复合强度编码序列后备组T，具体生成包括如下过程；

设线性反馈移位寄存器级数为d，记为(m₀,m₁,m₂,…m_d-1)，设M编码序列M_d＝(w_d-1,w_d-2,…,w₁,w₀)，每个线性反馈移位寄存器中的数值随机取0或1，且两两之间互不相关。M编码序列M_d由下述公式产生：

1.4)完成复合强度编码序列后备组T的生成，过程如下：

对M编码序列M_d进行长度为p的等分，即每一个等份长度与N重编码单编码序列强度元P长度为一样，称为强度等份，等分后的M编码序列记为U＝(U₁,U₂,…,U_X-1,U_X)，长度为X，R任意两个相邻的强度等份记为U_x和U_x+1，其中X∈[1,(2^d-1)/p]。每一个强度等份U_x对应一个确定的强度级别J_x。由步骤1.2.1)可知，这一确定强度等级J_x对应一个确定的单强度编码组其包含有个不同的N重编码单编码序列。将等分后的M编码序列U=(U₁,U₂,…,U_X-1,U_X)中所有强度等份U_x替换为与其对应的单强度编码组其中由此生成了复合强度编码序列后备组，记为

1.5)计算码元间汉明距离并置换：

计算复合强度编码序列后备组中的相邻单强度编码组(码元)的汉明距离，并依据计算结果替换单强度编码组为对应N重编码单编码序列；

1.5.1)计算复合强度编码序列后备组中的相邻单强度编码组的汉明距离，方法如下：

对复合强度编码序列后备组进行分组，两两为一组，即1、2为第1组，3、4为第2组，以此类推。

对上述的任意一个分组，其中包含的两个单强度编码组和并分别对应和个单强度编码，其中计算中的每一个单强度编码与中所有的单强度编码之间的汉明距离，公式如下

其中，o为变量，取值范围是：p≥o≥1；

每两个相邻强度等份总共需要计算次汉明距离，计算结果为一大小的汉明距离矩阵找出矩阵中所有元素的最大值，将这个汉明距离最大值所对应的两个强度单序列分别记为v_x和v_x+1。

重复上述过程，得出每一对使复合强度编码序列后备组T中相邻单强度编码组间汉明距离值最大的强度单序列v_x和v_x+1，并按其所对应的单强度编码组在复合强度编码序列后备组T中的顺序进行排列，记为V＝(v₁,v₂,…,v_X-1,v_X)，称为单强度编码排列组。

1.5.2)替换单强度编码组为对应N重编码单编码序列，方法如下：

由步骤1.5.1)所解算出的所有汉明距离值最大的强度单序列集合V，找出与之对应的在步骤1.2.3)中生成的N重编码单编码序列，并按照顺序排列，记为K＝(k₁,k₂,…,k_X-1,k_X)。

1.6)通过校验序列R生成分割序列；其中分割序列为一串具有明显特征且易于识别的码字组成，其长度与校验序列R的长度成正比。在整个N重脉冲编码序列中分割序列恒定且唯一。例如分割序列可以设置为000011110000。

1.7)生成N重脉冲编码序列：

在K＝(k₁,k₂,…,k_X-1,k_X)中每的两个相邻N重编码单编码序列之间插入分割序列，完成N重脉冲编码序列的生成。

生成的N重脉冲编码序列结构图如图3所示，图中编码参数设置为：强度元P长度为4；校验序列长度8，并采用二阶重复码；线性反馈移位寄存器的级数为16级；分割序列设置为00011000。图中(a)为M编码序列，(b)为等效强度编码，(c)为单强度编码排列组，(d)最终的由信号发生器产生的N重脉冲编码。

2)通过N重脉冲编码序列触发脉冲激光器发射出激光，激光依次经过发射光学系统、待测目标物体、接收光学系统后被Gm-APD阵列探测器探测，Gm-APD阵列探测器将探测结果输入至TCSPC时间相关光子计数器，TCSPC时间相关光子计数器对探测结果中的光子数进行统计分析后将数据输送至信号处理单元；

3)对TCSPC时间相关光子计数器输送的数据进行时间相关和解码，从而由目标的距离信息和强度信息绘制成目标的三维图像，具体的数据分析解算流程如图4所示，具体信息分析解算过程如下：

3.1)多周期数据累积；

由于在远距离脉冲激光主动探测过程中，回波能量极其微弱，已经达到了单光子能量级甚至更低。故需要多个工作周期的数据累积，才能完成有效数据采集。多周期的数据累积过程，如图5所示，具体实施方案如下：

记从脉冲激光器发射出一束包含完整N重脉冲编码序列脉冲激光，到Gm-APD阵列探测器完整接收到目标物体反射回来的脉冲激光为一个工作周期。在一个工作周期结束后，TCSPC时间相关光子计数器输送到信号处理单元的数据记为G。完成输送之后，才能继续下一个周期。

以探测器单个像素作为说明，每当信号处理单元接收到c个工作周期的数据G后，进行一次计算处理。解算数据G，记这c个工作周期内接收到的光子事件的时间分布为G_C＝{G₁,G₂,…,G_c}。将每一个工作周期的探测到的序列进行累加，则探测器单个像素接收到的N重脉冲编码序列记为L，表示为L=(G₁∪G₂∪…∪G_c)。

3.2)信号识别与分割；

接收到的N重脉冲编码序列L仍需要进一步的处理，分割出其中的N重编码单编码序列。具体方法如下：

对接收到的N重脉冲编码序列L进行遍历，由分割序列长度恒定且唯一的特性，识别出序列L中的分割序列。并以所有分割序列的起始和截止为界，对序列L进行分割。接着去掉分割序列，将分割后的序列称为后分割序列，记为F＝{F₁,F₂,…,F_i}，其中i＝(2^d-1)/p。

3.3)还原等效M序列；

对于后分割序列F，需要通过计算序列F中每一个小序列汉明距离，将其还原为等效M序列中的码字，才能进一步解算出目标物体的距离，具体方法如下：

将后分割序列F中每一个元素F_i分别与步骤1.2.3)中生成的N重编码单编码序列组K_2p中2^p个不同的N重编码单编码序列K计算汉明距离，计算公式如下所示

总共需要计算(2^d-1)/P·2^p次汉明距离，计算结果为一(2^d-1)/p×2^p大小的汉明距离矩阵H_ij。

找出矩阵H_ij每一列中所有元素的最小值，即找出N重编码单编码序列组K_2p中与每一个小序列F_i汉明距离最小的N重编码单编码序列。由步骤1.2.3)可知，每一个N重编码单编码序列对应唯一的一个强度单序列z。将每一个小序列F_i对应汉明距离最小的N重编码单编码序列按照F_i在后分割序列F中的位置排序，再将排序后的每一个N重编码单编码序列替换与之对应的强度单序列z,并记为 称为后等效强度序列组，其中j＝(2^d-1)/p。

由步骤1.3.2)可知，复合强度编码序列后备组T是由M编码序列M_d进行p等分后计算强度等级J_x，并替换而来。则每一个强度等分U_x对应后等效强度序列组z^H中相同位置的强度单序列z。故将后等效强度序列组z^H中每个强度单序列z按照顺序依次首尾相连，即可以得到解算后的M编码序列，称为后M编码序列，并记为M_R。

3.4)解算目标物体距离矩阵；

通过步骤3.3)解算出来的后M编码序列M_R与步骤1.3.1)中生的M编码序列M_d之间的相关高峰，可以解算出目标物体的距离。具体方法如下：

对M编码序列M_d和后M编码序列M_R做离散傅立叶变换，计算公式为

结果分别记为F(M_d)和F(M_R)。由此可以计算相关函数的离散傅立叶变换为R_xy(M)＝F(M_d)F^*(M_R)，其中F^*(M_R)为F(M_R)的共轭。

对相关函数的离散傅立叶变换R_xy(M)做N点傅立叶逆变换(IFFT)，公式如下

搜索序列r_xy的极大值，极大值在序列r_xy中的位置即为相关高峰值所在，记做r_des。

则Gm-APD阵列探测器中单个探测器单元所探测到目标物体的距离可以由如下公式计算

D＝C*r_des*t/2

其中C为光速；t为系统时间分辨率，即TCSPC时间相关光子计数器的时间分辨率。

3.5)对于Gm-APD阵列探测器中每一个探测器单元，都能按照步骤3.1)至步骤3.4)解算出其所探测到目标物体的距离。故由此可以计算出目标物体距离矩阵D_i×j，其中i×j为Gm-APD阵列探测器的分辨率。

3.6)解算目标物体灰度矩阵；

由Gm-APD阵列探测器每一个探测器单元接收到的总能量分别比上脉冲激光器所发出的总能量，即可以解算出目标物体灰度矩阵，具体方法如下：

分别统计步骤1.7)中生成N重脉冲编码序列、步骤3.1中接收到的N重脉冲编码序列L中有效脉冲信号“1”的个数，分别记为A_G和A_R。则目标物体强度信息可以表示为

其中H为强度图的最大灰度值。

对于Gm-APD阵列探测器中每一个探测器单元，都能按照本步骤解算出其所探测到目标物体的灰度值。故由此可以计算出目标物体灰度矩阵H_i×j，其中i×j为Gm-APD阵列探测器的分辨率。

3.7)完成计数。

3.8)最终完成目标物体的三维成像；

由步骤3.5)中生成的目标物体距离矩阵D_i×j和步骤3.6)中生成的目标物体灰度矩阵H_i×j，按照Gm-APD阵列探测器中每一个像素点一一对应的关系，即可描绘出目标物体三维点云图，进而生成目标三维图像。

参见图6，该图说明了采用本发明的系统和方法，较传统采用飞行时间测量方法的光学三维成像系统在抗干扰方面的优势，纵坐标代表误码率，横坐标代表所接收到的错误回波脉冲数占总回波脉冲的百分比，错误回波为随机位移偏差，最大位移偏差不大于总码长的2％，模拟实际探测情况。图中曲线可以看出，在错误回波脉冲低于总脉冲的50％时候，采用本发明的系统和方法可以很好的修正应环境因素带来的干扰。即使错误回波脉冲高于总脉冲的60％时候，采用本发明的系统和方法仍然能够将环境因素带来的干扰限制在一定比率以内。传统方法相比于本发明，总体误码率随着错误回波脉冲所占比率成线性增长，完全没有抗干扰能力。

本发明的上述的实施例仅仅是为清楚说明本发明所作的举例，而非是对本发明的实施方法的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡是在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统，其特征在于：包括总控制器、信号发生器、脉冲激光器、发射光学系统、接收光学系统、Gm-APD阵列探测器、TCSPC时间相关光子计数器以及信号处理单元；

总控制器的输入端与信号处理单元连接，总控制器的输出端分别与信号发生器输入端以及TCSPC时间相关光子计数器输入端连接；TCSPC时间相关光子计数器的输出端与信号处理单元的输入端连接；

信号发生器信号输出端同时与TCSPC时间相关光子计数器输入端和脉冲激光器信号输入端连接；

脉冲激光器发射的光依次经过发射光学系统、待测目标物体、接收光学系统后被Gm-APD阵列探测器接收；Gm-APD阵列探测器的输出端与TCSPC时间相关光子计数器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统，其特征在于：所述总控制器、信号发生器、信号处理单元均集成在FPGA芯片上，逻辑单元数412,160个，I/O引脚数600个，片上RAM大小为31,680Kb。

3.根据权利要求1所述采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统，其特征在于：所述脉冲激光器的工作波段为850nm，脉冲重复频率最大为80MHz，功率为9mW。

4.根据权利要求1所述采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统，其特征在于：所述Gm-APD阵列探测器的阵列通道个数64，有效感光面积为3x3mm，像素个数3584个，光谱响应范围为320～900nm，最大量子效率40％。

5.根据权利要求1所述采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统，其特征在于：所述TCSPC时间相关光子计数器最大支持64通道，最高时间分辨率64ps，饱和计数率20Mcps，死时间50ns。

6.根据权利要求1所述的采用N重脉冲编码的三维成像光子计数系统的计数方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)信号发生器产生N重脉冲编码序列；

1.1)编码参数设置：所述编码参数包括N重编码单编码序列总长度k、N重编码单编码序列强度元长度为p、N重编码单编码序列编码强度2^p、校验序列长度r、线性反馈移位寄存器的级数d以及M编码序列总长度2^d-1；

其中，N重编码单编码序列总长度k、N重编码单编码序列强度元长度为p以及校验序列长度r之间满足如下关系：

k＝p+r；

1.2)生成N重编码单编码序列：

1.2.1)生成强度序列分布组S；

将N重编码单编码序列强度元P以0、1作为编码码字，长度为p，则其对应的强度等级为q级，q∈[0,p]，同时以长度p和0、1作为编码码字时，存在的所有强度组合类型有2^p个单强度编码，每一个单强度编码之间互不相同，将所有2^p个组合类型称为强度序列分布组S；

其中，单个组合类型称为强度单序列z＝(z¹,z²,…,z^p-1,z^p)，z^p为强度单序列第p位上的码字，对于每一个固定的强度等级J，存在个单强度编码与之对应，其中J∈[0,p]，将这个单强度编码称为单强度编码组，记为其中J∈[0,p]、 中的每一元素代表一种单强度编码，且中所有元素的强度等级相同；

1.2.2)以强度单序列z为校验对象生成校验序列R；

1.2.3)生成N重编码单编码序列以及N重编码单编码序列组；

对所有2^p个强度单序列z生成其对应的校验序列R，再将强度单序列z和其对应的校验序列R进行排列合并，强度单序列z排在校验序列R前，最终生成2^p个互不相同的N重编码单编码序列K；将2^p个不同的N重编码单编码序列K称为N重编码单编码序列组K_2p，

1.3)生成M编码序列M_d；

设线性反馈移位寄存器级数为d，记为(m₀,m₁,m₂,…m_d-1)，设M编码序列M_d＝(w_d-1,w_d-2,…,w₁,w₀)，每个线性反馈移位寄存器中的数值随机取0或1，且两两之间互不相关，则M编码序列M_d由下述公式产生：

<mrow> <msub> <mi>M</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>m</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>&amp;CirclePlus;</mo> <msub> <mi>m</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>&amp;CirclePlus;</mo> <mo>...</mo> <mo>&amp;CirclePlus;</mo> <msub> <mi>m</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>W</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&amp;CirclePlus;</mo> <msub> <mi>m</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>W</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>d</mi> </munderover> <msub> <mi>m</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mrow>

1.4)生成复合强度编码序列后备组T：

由M编码序列M_d和N重编码单编码序列组生成复合强度编码序列后备组T；

对M编码序列M_d进行长度为p的等分，等分后的M编码序列记为U＝(U₁,U₂,…,U_X-1,U_X)，长度为X；任意两个相邻的强度等份记为U_x和U_x+1，其中，X∈[1,(2^d-1)/p]；

每一个强度等份U_x对应一个确定的强度级别J_x，根据步骤1.2.1)强度等级J_x对应一个单强度编码组其包含有个不同的N重编码单编码序列，将等分后的M编码序列U＝(U₁,U₂,…,U_X-1,U_X)中所有强度等份U_x替换为与其对应的单强度编码组其中由此生成了复合强度编码序列后备组

1.5)计算码元间汉明距离并置换：

1.5.1)计算复合强度编码序列后备组中的相邻单强度编码组的汉明距离；

对复合强度编码序列后备组进行分组，从开始，相邻两个为一组，得到X/2组；

对X/2组中的任意一个，其中包含的两个单强度编码组和并分别对应和个单强度编码，其中计算中的每一个单强度编码与中所有的单强度编码之间的汉明距离，公式如下

<mrow> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <msub> <mi>J</mi> <mi>X</mi> </msub> <msub> <mi>y</mi> <mi>X</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <msub> <mi>J</mi> <mi>X</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msubsup> <mi>C</mi> <mi>p</mi> <mi>J</mi> </msubsup> </munderover> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>X</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msubsup> <mi>C</mi> <mi>p</mi> <msub> <mi>J</mi> <mi>X</mi> </msub> </msubsup> </munderover> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>o</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>p</mi> </munderover> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>S</mi> <msub> <mi>Y</mi> <mi>X</mi> </msub> <msub> <mi>J</mi> <mi>X</mi> </msub> </msubsup> <mo>&amp;CirclePlus;</mo> <msubsup> <mi>S</mi> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>X</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>J</mi> <mrow> <mi>X</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，o为变量，取值范围是：p≥o≥1；

每两个相邻强度等份总共需要计算次汉明距离，计算结果为一大小的汉明距离矩阵找出矩阵中所有元素的最大值，将这个汉明距离最大值所对应的两个强度单序列分别记为v_x和v_x+1；

重复上述过程，得出每一对使复合强度编码序列后备组T中相邻单强度编码组间汉明距离值最大的强度单序列v_x和v_x+1，并按其所对应的单强度编码组在复合强度编码序列后备组T中的顺序进行排列，记为V＝(v₁,v₂,…,v_X-1,v_X)，称为单强度编码排列组；

1.5.2)替换单强度编码组为对应N重编码单编码序列；

根据步骤1.5.1)得到的所有汉明距离值最大的强度单序列集合V，找出与之对应的在步骤1.2.3)中生成的N重编码单编码序列，并按照顺序排列，记为K＝(k₁,k₂,…,k_X-1,k_X)；

1.6)通过校验序列R生成分割序列；

1.7)生成N重脉冲编码序列：

在K＝(k₁,k₂,…,k_X-1,k_X)中每两个相邻N重编码单编码序列之间插入分割序列，完成N重脉冲编码序列的生成；

2)通过N重脉冲编码序列触发脉冲激光器发射出激光，激光依次经过发射光学系统、待测目标物体、接收光学系统后被Gm-APD阵列探测器探测，Gm-APD阵列探测器将探测结果输入至TCSPC时间相关光子计数器，TCSPC时间相关光子计数器对探测结果中的光子数进行统计分析后将数据输送至信号处理单元；

3)信号处理单元对TCSPC时间相关光子计数器输送的数据进行时间相关和解码，从而获取目标物体的距离信息和强度信息；

3.1)多周期数据累积；

设一个工作周期TCSPC时间相关光子计数器输送到信号处理单元的数据为G；所述一个工作周期为从脉冲激光器发射出一束包含完整N重脉冲编码序列脉冲激光到Gm-APD阵列探测器完整接收到目标物体反射回来的脉冲激光；

每当信号处理单元接收到一个工作周期的数据G将其解算为光子事件的时间分布为G_c＝{G₁,G₂,…,G_c}；

重复接收多个工作周期的数据，将每一个工作周期的探测到的序列进行累加，则Gm-APD阵列探测器中每个探测器单元接收到的N重脉冲编码序列记为L，表示为L＝(G₁∪G₂∪…∪G_c)；

3.2)N重脉冲编码序列L识别与分割；

对接收到的N重脉冲编码序列L进行遍历，由分割序列长度恒定且唯一的特性，识别出N重脉冲编码序列L中的分割序列；并以所有分割序列的起始和截止为界，对N重脉冲编码序列L进行分割；接着去掉分割序列，将分割后的序列称为后分割序列，记为F＝{F₁,F₂,…,F_i}，其中i=(2^d-1)/p；

3.3)还原等效M编码序列的后M编码序列M_R；

3.3.1)将后分割序列F中每一个元素F_i分别与步骤1.2.3)中生成的N重编码单编码序列组K_2p中2^p个不同的N重编码单编码序列K计算汉明距离，计算公式如下所示

<mrow> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mn>2</mn> <mi>d</mi> </msup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> <mo>/</mo> <mi>p</mi> </mrow> </munderover> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msup> <mn>2</mn> <mi>p</mi> </msup> </munderover> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>o</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>p</mi> </munderover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;CirclePlus;</mo> <mi>K</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

总共需要计算(2^d-1)/p·2^p次汉明距离，计算结果为(2^d-1)/P×2^p大小的汉明距离矩阵H_ij；

3.3.2)找出H_ij每一列中所有元素的最小值作为N重编码单编码序列组K_2p中与每一个小序列F_i汉明距离最小的N重编码单编码序列；每一个N重编码单编码序列对应唯一的一个强度单序列z；将每一个小序列F_i对应汉明距离最小的N重编码单编码序列按照F_i后分割序列F中的位置排序，再将排序后的每一个N重编码单编码序列替换与之对应的强度单序列z,并记为称为后等效强度序列组，其中j＝(2^d-1)/p；

3.3.3)每一个强度等分U_x对应后等效强度序列组Z^H中相同位置的强度单序列z；将后等效强度序列组z^H中每个强度单序列z按照顺序依次首尾相连，得到后M编码序列M_R；

3.4)解算目标物体距离矩阵；

3.4.1)通过步骤3.3)得出的后M编码序列M_R与步骤1.3)中生的M编码序列M_d做离散傅立叶变换，计算公式为

<mrow> <mi>F</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>D</mi> <mi>F</mi> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>W</mi> <mi>N</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msubsup> </mrow>

得到结果分别记为F(M_d)和F(M_R)；由此得到相关函数的离散傅立叶变换为R_xy(M)＝F(M_d)F^*(M_R)，其中F^*(M_R)为F(M_R)的共轭；

3.4.2)对相关函数的离散傅立叶变换R_xy(M)做N点傅立叶逆变换，公式如下：

<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mi>F</mi> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>(</mo> <mi>M</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>M</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>W</mi> <mi>N</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>n</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msubsup> </mrow>

搜索序列r_xy的极大值，极大值在序列r_xy中的位置即为相关高峰值所在，记做r_des；

则Gm-APD阵列探测器中一个探测器单元所探测到目标物体的距离为：

D＝C*r_des*t/2

其中C为光速；t为TCSPC时间相关光子计数器的时间分辨率；

3.5)重复步骤3.1)至步骤3.4)得出Gm-APD阵列探测器中所有探测器单元探测到目标物体的距离矩阵D_i×j；

其中i×j为Gm-APD阵列探测器的分辨率；

3.6)解算目标物体灰度矩阵；

设步骤1.7)中生成的N重脉冲编码序列为A_G，步骤3.1)中接收到的N重脉冲编码序列L中有效脉冲信号“1”的个数A_R；则目标物体强度信息表示为:

<mrow> <msub> <mi>O</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>R</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>H</mi> </mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>G</mi> </msub> </mfrac> </mrow>

其中，H为强度图的最大灰度值；

分别对于Gm-APD阵列探测器中每一个探测器单元，计算出目标物体灰度矩阵H_i×j，其中i×j为Gm-APD阵列探测器的分辨率；

3.7)完成计数。

7.根据权利要求6所述的采用N重脉冲编码的三维成像光子计数方法，其特征在于：所述分割序列为一串具有明显特征且易于识别的码字组成，其长度与校验序列R的长度成正比；在整个N重脉冲编码序列中分割序列恒定且唯一。