CN107807364A - 一种三维成像光子计数系统及其动态偏压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维成像光子计数系统及其动态偏压控制方法，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、信号处理单元、高压模块、温度传感器以及过载保护模块。本发明动态偏压控制方法是：设置初始偏压值V0、TCSPC时间相关光子计数器绘制直方图；信号处理单元解算直方图，获取当前偏压值V1；过载保护模块对实际偏压值V1进行监控，当实际偏压值V1小于探测器击穿电压，则将实际偏压值V1加载到Gm‑APD阵列探测器，当实际偏压值V1小于探测器击穿电压，过载保护模块发出报警信号，停止工作。本发明能够动态控制Gm‑APD阵列探测器进行探测工作，实现不同强度回波光信号自适应调节。

Description

一种三维成像光子计数系统及其动态偏压控制方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种三维成像光子计数系统及其动态偏压控制方法。

背景技术

目前在激光三维成像雷达领域，传统探测方法采用的是飞行时间测量方法，此方法原理简单：通过测量脉冲激光从激光雷达出射、经目标物体反射、再到光电探测器接受到回波信号的总时间，将其转换为目标物体的距离，而回波信号的强度即为目标物体的反射率，由此两种信息构建目标三维图像。此技术已经很成熟，目前已经在军事民用领域得到大范围的应用。

光子计数成像技术则是目前乃至未来很长一段时间的热门研究领域。相较于传统三维成像激光雷达所采用的飞行时间测量方法，此技术大大降低了远距离三维成像应用中对激光脉冲能量的要求，因而能够大幅度提升探测距离，即使平均脉冲激光回波光子到达数目小于0.01个，也能够正常工作。同时由于工作周期发射多个脉冲激光，在相同的探测距离下，相较于传统飞行时间测量方法提高了测量周期的探测效率。光子计数成像技术是未来的发展方向。

但此技术目前存在以下问题：

实际中回波光脉冲强度与探测距离的平方成反比，与探测所需要的累积时间成反比。在大动态测量范围时，以典型的100m到10Km这一距离范围为例，其回波光脉冲能量相差10000倍。而由于TCSPC时间相关光子计数器工作原理的限制，要求平均脉冲激光回波光子到达数目小于0.01个才能正常工作；

若取最小测量距离处平均脉冲激光回波光子到达数目为0.01个，则最大测量距离处平均脉冲激光回波光子到达数目小于10^-6个，最大距离处探测累计时间为最近距离处探测累计时间的10000倍，实际应用中无法接受；

若取大远测量距离处平均脉冲激光回波光子到达数目为0.01个，则最小然测量距离处平均脉冲激光回波光子到达数目为大于100个，此时TCSPC时间相关光子计数器由于光子堆积效应，信号畸变，无法读取其中有效信息。这也是基于时间相关光子探测技术亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种三维成像光子计数系统，此系统能够针对不同距离目标物体的回波光脉冲信号，自适应的调节Gm-APD阵列探测器两端的偏置电压，从而改变Gm-APD阵列探测器的量子效率，完成不同距离下回波光脉冲信号自适应调节，保证到达TCSPC时间相关光子计数器的光子个数始终处于正常工作范围。

本发明提供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、信号处理单元、高压模块、温度传感器以及过载保护模块；

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；

总控制器通过高压模块与Gm-APD阵列探测器连接用于改变Gm-APD阵列探测器的偏压的值；温度传感器贴覆在Gm-APD阵列探测器上，并将测得温度分别输出到总控制器以及过载保护模块；过载保护模块与高压模块连接用于实时监控着高压模块的输出电压。

本发明控制系统工作原理如下：

Gm-APD阵列探测器作为激光三维成像雷达的核心探测元器件，能够对单个光子能量水平的极弱光信号进行探测，其灵敏度较传统光电探测器高出了5～7个数量级，具有明显的优势。Gm-APD阵列探测器的量子效率直接决定探测器的探测效率，即能够探测到的最小平均脉冲激光回波光子到达数目，此参数决定了Gm-APD阵列探测器的工作效率，同时也决定了后续的TCSPC时间相关光子计数器能否正常工作，是一个需要着重考虑的性能指标。

在进行大动态范围测量时，平均脉冲激光回波光子到达数目与探测距离的平方成反比，与探测所需要的累积时间成反比。

Gm-APD阵列探测器的量子效率同时受工作温度和Gm-APD阵列探测器两端的偏置电压影响。每一块Gm-APD阵列探测器出厂时都会给出探测器击穿电压V_max随温度的变化函数关系V_max＝f(T)，以及探测量子效率Q与探测器两端偏压V的函数关系Q＝g(V)。

通过对原理的分析，只要能够自适应的改变不同距离下Gm-APD阵列探测器的量子效率就可解决光子计数成像技术无法应用于大动态范围测量的问题。而改变Gm-APD阵列探测器的量子效率就得依据不同距离而改变探测器两端的偏压值。所以本发明针对不同距离目标物体的回波光脉冲信号，通过检测恒定时间内TCSPC时间相关光子计数器的脉冲计数直方图，等效判断当前目标物体所处的大致位置，自适应的调节Gm-APD阵列探测器两端的偏载电压，从而改变Gm-APD阵列探测器的量子效率，完成不同距离下回波光脉冲信号自适应调节，保证到达TCSPC时间相关光子计数器的光子个数始终处于正常工作范围。

本发明的技术系统的动态偏压控制方法具体流程如下：

1)设置Gm-APD阵列探测器的偏压值；

总控制器控制温度传感器测得Gm-APD阵列探测器的初始温度值T0，并将其回传给总控制器，总控制器通过高压模块对Gm-APD阵列探测器设置初始偏压值V0；其中，V_max≥V0≥V_on，；

V_on为Gm-APD阵列探测器的开启电压；V_max为室温下Gm-APD阵列探测器的击穿电压；V_max＝f(T)

2)Gm-APD阵列探测器以及TCSPC时间相关光子计数器开始工作，TCSPC时间相关光子计数器记录下来由Gm-APD阵列探测器所探测到的脉冲信号序列，并绘制成计数直方图传入到信号处理单元中；

3)信号处理单元对所接收到的直方图进行解算，得出当前Gm-APD阵列探测器所需的实际偏压值V1；

设：

计数直方图中有n个数据位，每个数据位的数值为H_n；

典型探测距离下的典型值为S_T，即TCSPC时间相关光子计数器厂商数据手册典型工作状态下的直方图求和值；

过载畸变阈值为S_O，即以典型值S_T为标准值，S_O＝0.8·S_T，；

欠缺畸变阈值为S_L，即以典型值S_T为标准值，S_L＝1.2·S_T；

Gm-APD阵列探测器的量子效率为Q_T；

当或时，则当前Gm-APD阵列探测器所需的实际偏压值V1的具体求解公式如下：

其中，k为量纲系数，即每次偏压调节的步长值；

当时，维持当前偏压值不变，即V1＝V0；

4)信号处理单元将实际偏压值V1传入总控制器；总控制器将实际偏压值V1重新输入到高压模块中；

5)过载保护模块对高压模块中需要输出实际偏压值V1进行监控，同时也监控温度传感器的温度值T1；

若检测到高压模块需要输出的实际偏压值V1＜V_max，则进行步骤6)；

若检测到高压模块需要输出的实际偏压值V1＞V_max，过载保护模块会切断高压模块的电压，并发出报警信号；

6)高压模块将实际偏压值V1加载到Gm-APD阵列探测器的两端，由此完成一次Gm-APD阵列探测器的动态偏压控制。

本发明的优点在于：

1、采用本发明不仅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，同时完成了不同距离下回波光脉冲信号自适应调节，保证到达TCSPC时间相关光子计数器的光子个数始终处于正常工作范围。

2、采用本发明能够在不同工作温度下有效保护Gm-APD阵列探测器，避免Gm-APD阵列探测器受温度变化等外界环境变化而引起击穿电压变化的影响。

附图说明

图1为本发明的计数系统结构框图；

图2为动态偏压控制的流程图；

图3为TCSPC时间相关光子计数器输出的典型直方图；

图4为不同光子数的TCSPC时间相关光子计数器光子漂移效应曲线图；

图5为信号发生器产生N重脉冲编码序列的流程图；

图6为N重脉冲编码序列的结构图；

图7为信号处理单元解码的流程图。

图8为多周期数据累积图；

图9为传统方法和本发明系统采用的计数方法的抗扰干能力曲线对比图。

具体实施方式

参见图1说明本实施方案，本实施方案所叙述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、信号处理单元、高压模块、温度传感器以及过载保护模块；

总控制器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与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。经目标物体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，以实现对回波脉冲信号进行探测，探测的结果输入到TCSPC时间相关光子计数器进行计数，将结果输出到信号处理模块中，判断TCSPC时间相关光子计数器输出信号是否过饱和，然后将结果传输到总控制器中。总控制器通过控制高压模块来实现改变Gm-APD阵列探测器的偏压的值。温度传感器紧贴Gm-APD阵列探测器，测得温度分两路输出，一路输出到总控制器，另一路输出到过载保护模块。过载保护模块实时监控着高压模块的输出电压。

需要说明的是：上述三维成像计数系统中的总控制器、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。

上述三维成像计数系统中的脉冲激光器采用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。

上述三维成像计数系统中的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3x 3mm，像素个数3584个，光谱响应范围为320～900nm，最大量子效率40％。

上述三维成像计数系统中的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。

上述高压模块采用EMCO公司的CA05N-0高压模块，输出电压为0～-500V，最大输出电流达2mA。

上述温度传感器采用温度系数为4000×10^-6/的温敏电阻。

上述三维成像计数系统中的过载保护模块采用ST公司的STM32F103IGT6，自带12bit位深ADC采样，最高采样速率1MHz。此芯片包含512KB FLASH，256KB SRAM，最高工作频率56MHz。

本示例中发射光学系统的作用是对激光脉冲信号进行准直与分束，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。其具体是由透镜组、窄带滤波片和耦合光纤组构成。

三维成像光子计数系统的动态偏压控制方法工作流程参见图2，说明如下：

步骤1)Gm-APD阵列探测器初始偏压值设置；

总控制器控制温度传感器测得Gm-APD阵列探测器的初始温度值T0，并将其回传给总控制器，总控制器并通过高压模块对Gm-APD阵列探测器设置初始偏压值V0；其中，V_max≥V0≥V_on，；

V_on为Gm-APD阵列探测器的开启电压；V_max为室温下Gm-APD阵列探测器的击穿电压；V_max＝f(T)；

步骤2)Gm-APD阵列探测器以及TCSPC时间相关光子计数器开始工作，TCSPC时间相关光子计数器记录下来由Gm-APD阵列探测器所探测到的脉冲信号序列，并绘制成计数直方图传入到信号处理单元中；

步骤3)信号处理单元对所接收到的直方图进行解算；图3为的TCSPC时间相关光子计数器典型直方图，由此可以将典型直方图等效为曲线形式，如图3中曲线部分所示。对其进行计算，判定直方图畸变程度TCSPC时间相关光子计数器曲线图；如图4所示的不同光子数的对应的TCSPC时间相关光子计数器光子漂移效应曲线，图中a为光子数过少时的光子漂移效应曲线，b为回波光子数正常时的光子漂移效应曲线，c为回波光子数过多时的光子漂移效应曲线。结合图3和图4的解算方法如下：

设：直方图中有n个数据位，每个数据位的数值为H_n，这两个参数由TCSPC时间相关光子计数器的具体参数确定。设定典型探测距离下的典型值为S_T，过载畸变阈值为S_O，欠缺畸变阈值为S_L，探测器量子效率为Q_T，这四个参数由探测的距离范围、激光器能量、Gm-APD阵列探测器的量子效率确定。

其中，S_T为时间相关光子计数器典型工作状态下的直方图求和值；S_O＝0.8·S_T；S_L＝1.2·S_T；

当或时，则当前Gm-APD阵列探测器所需的实际偏压值V1的具体求解公式如下：

其中，k为量纲系数，即每次偏压调节的步长值；

当时，维持当前偏压值不变，即V1＝V0；

步骤4)信号处理单元将实际偏压值V1传入总控制器；总控制器将实际偏压值V1重新输入到高压模块中；

步骤5)过载保护模块对高压模块中需要输出实际偏压值V1进行监控，同时也监控温度传感器的温度值T1；

若检测到高压模块需要输出的实际偏压值V1＜V_max，则进行步骤6)；

若检测到高压模块需要输出的实际偏压值V1＞V_max，过载保护模块会切断高压模块的电压，并发出报警信号；

步骤6)高压模块将实际偏压值V1加载到Gm-APD阵列探测器的两端，由此完成一次Gm-APD阵列探测器的动态偏压控制。

为了更加清楚了解本发明计数系统，现对本发明计数系统的计数方法进行描述：

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5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。

步骤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。

步骤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；

步骤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,zp)，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；

步骤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)。

步骤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，K_2p＝(K₁,K2,…,K_2p)。

步骤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；

步骤1.3.1)生成M编码序列M_d，方法如下：

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：

步骤1.3.2)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

步骤1.4)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；

步骤1.4.1)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H_Jxyx，找出矩阵H_Jxyx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。

步骤1.4.2)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1.4.1)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)。

步骤1.5)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。

步骤1.6)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6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。

步骤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；

步骤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7所示，具体信息分析解算过程如下：

步骤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8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)。

步骤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。

步骤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/。

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。

步骤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。

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。

步骤3.5)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1.6)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。

步骤3.6)完成计数。

步骤3.7)最终完成目标物体的三维成像；

由步骤3.4)中生成的目标物体距离矩阵D_i×j和步骤3.5)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9，该图说明了采用本发明系统采用的计数方法，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。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 (9)

1.一种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、信号处理单元、高压模块、温度传感器以及过载保护模块；

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；

总控制器通过高压模块与Gm-APD阵列探测器连接用于改变Gm-APD阵列探测器的偏压的值；温度传感器贴覆在Gm-APD阵列探测器上，并将测得温度分别输出到总控制器以及过载保护模块；过载保护模块与高压模块连接用于实时监控着高压模块的输出电压。

2.根据权利要求1所述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所述的三维成像光子计数系统，其特征在于：所述高压模块的输出电压为0～-500V，最大输出电流达2mA。

7.根据权利要求1所述的三维成像光子计数系统，其特征在于：所述温度传感器采用温度系数为4000×10^-6/K的温敏电阻。

8.根据权利要求1所述的三维成像光子计数系统，其特征在于：所述过载保护模块自带12bit位深ADC采样，最高采样速率1MHz，包含512KB FLASH，256KB SRAM，最高工作频率56MHz。

9.基于权利要求1的三维成像光子计数系统的动态偏压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设置Gm-APD阵列探测器的偏压值；

总控制器控制温度传感器测得Gm-APD阵列探测器的初始温度值T0，并将其回传给总控制器，总控制器通过高压模块对Gm-APD阵列探测器设置初始偏压值V0；其中，V_max≥V0≥V_on，；

V_on为Gm-APD阵列探测器的开启电压；V_max为室温下Gm-APD阵列探测器的击穿电压；V_max＝f(T)；

2)Gm-APD阵列探测器以及TCSPC时间相关光子计数器开始工作，TCSPC时间相关光子计数器记录下来由Gm-APD阵列探测器所探测到的脉冲信号序列，并绘制成计数直方图传入到信号处理单元中；

3)信号处理单元对所接收到的直方图进行解算，得出当前Gm-APD阵列探测器所需的实际偏压值V1；

设：计数直方图中有n个数据位，每个数据位的数值为H_n，过载畸变阈值为S_O，欠缺畸变阈值为S_L，典型畸变值为S_T，Gm-APD阵列量子效率为Q_T；

其中，S_T为时间相关光子计数器典型工作状态下的直方图求和值；S_O＝0.8·S_T；S_L＝1.2·S_T；

当或时，则当前Gm-APD阵列探测器所需的实际偏压值V1的具体求解公式如下：

<mrow> <mi>V</mi> <mn>1</mn> <mo>=</mo> <msup> <mi>g</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <msub> <mi>H</mi> <mi>n</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>T</mi> </msub> </mfrac> <msub> <mi>Q</mi> <mi>T</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，k为量纲系数，即每次偏压调节的步长值；

当时，维持当前偏压值不变，即V1＝V0；

4)信号处理单元将实际偏压值V1传入总控制器；总控制器将实际偏压值V1重新输入到高压模块中；

5)过载保护模块对高压模块中需要输出实际偏压值V1进行监控，同时也监控温度传感器的温度值T₁；

若检测到高压模块需要输出的实际偏压值V1＜V_max，则进行步骤6)；

若检测到高压模块需要输出的实际偏压值V1＞V_max，过载保护模块会切断高压模块的电压，并发出报警信号；

6)高压模块将实际偏压值V1加载到Gm-APD阵列探测器的两端，由此完成一次Gm-APD阵列探测器的动态偏压控制。