CN111307303B - 一种基于单光子三维成像系统的成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单光子三维成像系统及其成像方法，成像系统包括：收发共孔径光路、激光发射单元、单光子探测单元、扫描振镜单元和数据处理系统；收发共孔径光路包括穿孔反射镜，激光发射单元发射的激光经过穿孔反射镜的通孔进入收发共孔径光路；回波光信号经过穿孔反射镜的反射面反射后进入单光子探测单元；扫描振镜单元设置在收发共孔径光路上，控制调节激光发射方向和回波光信号接收方向；数据处理系统根据出射激光和回波光信号的数据进行三维图像重构。采用激光收发共孔径方案，结构紧凑，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种单光子三维成像系统及其成像方法。
背景技术
激光雷达技术具有非常广泛的应用，例如卫星遥感和机载监视。随着需求的不断增长，应用平台对激光雷达系统提出了更高要求，其要求成像系统体积重量更小，功耗更低，作用距离更远，具有超远距离的高分辨率三维成像能力。随着单光子探测技术的发展，基于单光子探测的TCSPC(Time-correlated single-photon counting,时间相关单光子计数)激光雷达可以满足这些苛刻的要求。特别是，单光子探测器可以提供单光子灵敏度和超高的时间分辨率，这种高灵敏度允许使用更低功率的激光器，并且具有更远的探测距离。因此，开发用于远程三维成像的单光子激光雷达具有非常重要的意义。
然而由于发射激光的后向散射，系统接收到的信号会包含有大量的后向散射噪声，这些后向散射噪声制约了系统的探测信噪比，因此需要采用一定的手段来降低后向散射的影响。此外，由于单光子测量的特性，在进行三维成像时，每个像素点所获得的平均信号光子数量只有十几个甚至几个，并且这些信号光子还淹没在大量的背景噪声和暗计数中，获得这些信号光子技术非常困难，而采用时间相关单光子计数的方法则需要发射多次脉冲，进行测量统计，探测时间相对较长，因此需要开发特殊的单光子三维成像方法。
现有技术公开的单光子三维成像系统成像距离可以达到公里级别。但是，从其公布的数据中可以看出，其成像结果非常简单，空间分辨率和距离分辨率都相对较低。此外，由于激光发射距离较远时，目标上的光斑面积较大，进而导致远距离成像效果较差，不能满足高分辨率成像的要求。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种单光子三维成像系统及其成像方法，解决现有技术中单光子三维成像系统成像效果较差的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种单光子三维成像系统，包括：收发共孔径光路、激光发射单元、单光子探测单元、扫描振镜单元和数据处理系统16；
所述收发共孔径光路包括穿孔反射镜03，所述激光发射单元发射的激光经过所述穿孔反射镜03的通孔进入所述收发共孔径光路；回波光信号经过所述穿孔反射镜03的反射面反射后进入所述单光子探测单元；
所述扫描振镜单元设置在所述收发共孔径光路上，控制调节激光发射方向和回波光信号接收方向；
所述数据处理系统根据出射激光和回波光信号的数据进行三维图像重构。
一种基于上述单光子三维成像系统的成像方法，包括：
步骤1，所述激光发射单元发射脉冲激光时向所述单光子探测单元发送触发信号；
步骤2，所述单光子探测单元标记收到的第一个所述脉冲信号的时间tij，并记录到tij时间为止所述激光器发射的脉冲光的次数nij；
其中，(i，j)表示在所述扫描振镜单元控制下的像素点位置；
步骤3，所述单光子探测单元判断第一次接收到的回波信号时向所述扫描振镜单元发送终止当前探测流程的信号，所述扫描振镜单元收到所述信号后运动到下一个位置，循环执行步骤1-2直至所述扫描振镜单元完成所有位置的移动；
步骤4，所述单光子探测单元将各次得到的数据发送给所述数据处理系统16，所述数据处理系统16根据二维矩阵T和二维矩阵N实现三维图像重构；
其中，所述二维矩阵T中的元素tij表示像素点(i，j)处的回波时间，二维矩阵N中的元素nij表示所述成像系统对像素点(i，j)处发射的激光脉冲的数量。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种单光子三维成像系统，采用激光收发共孔径方案，结构紧凑，可靠性高。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述收发共孔径光路还包括：透镜一05和望远系统06，所述扫描振镜单元包括扫描振镜04；
所述穿孔反射镜03的法线与所述收发共孔径光路的光轴的夹角为45°，所述激光发射单元设置于所述穿孔反射镜03的水平一侧，所述单光子探测单元设置于所述穿孔反射镜03的下端；
所述扫描振镜04设置于所述穿孔反射镜03的水平另一侧，所述透镜一05和望远系统06依次设置于所述扫描振镜04的上端。
进一步，所述扫描振镜单元还包括扫描振镜驱动控制模块15；
所述扫描振镜驱动控制模块15根据预先设定的扫描程序驱动扫描振镜04的扫描运动，并当所述扫描振镜04运动到指定位置后向所述激光发射单元发送发出所述激光的信号。
进一步，所述激光发射单元包括偏振皮秒激光器01和半波片02；
所述偏振皮秒激光器发射的偏振皮秒脉冲激光经过所述半波片02调整偏振方向后进入所述收发共孔径光路；
所述激光的偏振方向为垂直偏振方向。
进一步，所述单光子探测单元包括在所述穿孔反射镜03的下端依次设置的透镜二07、带通滤光片08、窄带滤光片09、偏振分束镜10和光纤耦合器11；
所述透镜二07对接收的光束准直后，所述带通滤光片08和所述窄带滤光片09分别对准直后的光束进行不同波段的滤波；
所述偏振分束镜10接收滤波后的所述光束，反射垂直偏振光，透过水平偏振光。
进一步，所述单光子探测单元还包括光纤跳线12以及互相连接的光子探测器13和单光子计数器14；
所述单光子探测器13和所述光纤耦合器11通过所述光纤跳线12连接，所述光纤耦合器11将所述回波光信号耦合进光纤跳线12中后，所述光纤跳线12将所述回波光信号传输到所述单光子探测器13中，所述单光子探测器13将单光子的所述回波光信号转换为脉冲信号后，所述单光子计数器14对所述脉冲信号进行计数和时间标记。
进一步，所述激光发射单元包括偏振皮秒激光器01，所述偏振皮秒激光器01的外同步信号输出端口与单光子计数器14的外同步信号输入端口连接；
所述偏振皮秒激光器01每发射一个皮秒脉冲激光时，对所述单光子计数器14发送一个触发信号；
所述单光子计数器14收到所述触发信号后开始计时，标记收到所述脉冲信号的时间，并记录接收到的所述脉冲信号的次数。
进一步，所述步骤4包括：
步骤401，根据所述二维矩阵N计算各个像素点的目标表面反射率；
步骤402，剔除被背景光子干扰的像素点；
步骤403，计算各个所述像素点的目标深度图。
进一步，所述步骤401包括：建立条件函数：
其中，αij为像素点(i，j)位置的表面反射率，bλ为背景光回波率，T为设定的时间间隔，φα为低通滤波算子，β为正规化参数，Pr[nij；αij]表示条件概率；通过求解所述条件函数的最优值得到所述目标表面反射率；
所述步骤402中判断任一像素点(i，j)是否被背景光子干扰的方法为：
建立以(i，j)为中心、大小为m*m的滤波窗口，将所述滤波窗口中除去所述中心位置后的所有元素对所述中心位置做差值绝对值，将所述差值绝对值按升序排列得到集合Δ，取所述集合Δ中前一半的代数和为差值绝对值统计量Fij，如果
则认定(i,j)位置为被背景光子干扰；
其中，TP表示激光脉冲宽度；
所述步骤403计算目标深度图的方法为：建立目标函数：
其中，ftij表示探测噪声光子条件下时间τ的概率密度函数，s(τ)为激光脉冲的时域表示，zij表示(i，j)位置深度值，djj表示zij的估计值，c表示光速，Θ表示剔除背景噪声光子干扰后的剩余区域，求解所述目标函数的最优解可以得到目标深度图。
采用特殊的单光子图像重构方法，解决了现有单光子三维成像技术中的信噪比低、成像时间长、分辨率低等问题。
采用上述进一步方案的有益效果是：发射的激光经过半波片调整为垂直偏振方向，接收的激光经过偏振分束镜发射垂直偏振光，使激光和回波光信号的收发实现偏振隔离，有效抑制后向散射光子；采用特殊的单光子图像重构方法，解决了现有单光子三维成像技术中的信噪比低、成像时间长、分辨率低等问题。
附图说明
图1为本发明提供的一种单光子三维成像系统的实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的一种单光子三维成像方法的实施例的流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
01、偏振皮秒激光器，02、半波片，03、穿孔反射镜，04、扫描振镜，05、透镜一，06、望远系统，07、透镜二，08、可将光截止滤光片，09、窄带滤光片，10、偏振分束镜，11、光纤耦合器，12、光纤跳线，13、单光子探测器，14、单光子计数器，15、扫描振镜驱动控制模块，16、数据处理系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供的一种单光子三维成像系统，包括：收发共孔径光路、激光发射单元、单光子探测单元、扫描振镜单元和数据处理系统16。
收发共孔径光路包括穿孔反射镜03，激光发射单元发射的激光经过穿孔反射镜03的通孔进入收发共孔径光路；回波光信号经过穿孔反射镜03的反射面反射后进入单光子探测单元。
扫描振镜单元设置在收发共孔径光路上，控制调节激光发射方向和回波光信号接收方向。
数据处理系统根据出射激光和回波光信号的数据进行三维图像重构。
本发明提供的一种单光子三维成像系统，采用激光收发共孔径方案，结构紧凑，可靠性高。
实施例1
本发明提供的实施例1为本发明提供的一种单光子三维成像系统的实施例，如图1所示为本发明提供的一种单光子三维成像系统的实施例的结构示意图，由图1可知，该成像系统包括：收发共孔径光路、激光发射单元、单光子探测单元、扫描振镜单元和数据处理系统16。
收发共孔径光路包括穿孔反射镜03，激光发射单元发射的激光经过穿孔反射镜03的通孔进入收发共孔径光路；回波光信号经过穿孔反射镜03的反射面反射后进入单光子探测单元。
扫描振镜单元设置在收发共孔径光路上，控制调节激光发射方向和回波光信号接收方向。
优选的，收发共孔径光路还包括：透镜一05和望远系统06，扫描振镜单元包括扫描振镜04。
穿孔反射镜03的法线与收发共孔径光路的光轴的夹角为45°，激光发射单元设置于穿孔反射镜03的水平一侧，单光子探测单元设置于穿孔反射镜03的下端。
扫描振镜04设置于穿孔反射镜03的水平另一侧，透镜一05和望远系统06依次设置于扫描振镜04的上端。
穿孔反射镜03的中间通孔可以穿过发射激光，面向回波光信号的一面镀有增反膜，以45°角反射回波光信号。
通过调节扫描振镜04的旋转角度可以实现激光发射方向和接收方向的调节，透镜一05和望远系统06用于汇聚发射光束或者准直接收光束，激光脉冲经过透镜05和望远系统06后发散角压缩到0.1mrad以下。
优选的，扫描振镜单元还包括扫描振镜驱动控制模块15。
扫描振镜驱动控制模块15根据预先设定的扫描程序驱动扫描振镜04的扫描运动，并当扫描振镜04运动到指定位置后向激光发射单元发送发出激光的信号。
具体的，扫描振镜驱动控制模块15控制扫描振镜04进行二维步进扫描，使得发射激光在矩形区域内进行扫描。描振镜驱动控制模块15的位置稳定信号输出端口与偏振皮秒激光器01的外触发信号输入端口相连，当扫描振镜04运动到指定位置后，扫描振镜驱动控制模块15将向偏振皮秒激光器01发送高电平信号，偏振皮秒激光器01接收到信号后开始持续对外发射皮秒脉冲光。
优选的，激光发射单元包括偏振皮秒激光器01和半波片02。
偏振皮秒激光器发射的偏振皮秒脉冲激光经过半波片02调整偏振方向后进入收发共孔径光路。
激光的偏振方向为垂直偏振方向。
优选的，单光子探测单元包括在穿孔反射镜03的下端依次设置的透镜二07、带通滤光片08、窄带滤光片09、偏振分束镜10和光纤耦合器11。
透镜二07对接收的光束准直后，带通滤光片08和窄带滤光片09分别对准直后的光束进行不同波段的滤波。
其中，带通滤光片08在可见光波段截止的近红外滤光片；窄带滤光片09在激光发射波段选通的窄带滤光片，波段半高宽小于2ns。
偏振分束镜10接收滤波后的光束，反射垂直偏振光，透过水平偏振光。
具体的，可以设置偏振分束镜10的放置位置使其45°角反射垂直偏振光，透过水平偏振光，实现发射光近场后向散射的过滤。
发射的激光经过半波片调整为垂直偏振方向，接收的激光经过偏振分束镜反射垂直偏振光，只接收，使激光和回波光信号的收发实现偏振隔离，有效抑制后向散射光子。
优选的，单光子探测单元还包括光纤跳线12以及互相连接的光子探测器13和单光子计数器14。
具体的，单光子探测器13的信号输出端口和单光子计数器14的信号输入端口连接。
单光子探测器13和光纤耦合器11通过光纤跳线12连接，光纤耦合器11将回波光信号耦合进光纤跳线12中后，光纤跳线12将回波光信号传输到单光子探测器13中，单光子探测器13将单光子的回波光信号转换为脉冲信号后，单光子计数器14对脉冲信号进行计数和时间标记。
具体的，激光脉冲被目标反射后经过望远系统06、透镜一05、透镜二07后被准直，随后经过将光截止滤光片08、窄带滤光片09、偏振分束镜10、光纤耦合器11、光纤跳线12后被单光子探测器13探测，单光子探测器13将光子信号以一定概率转换为电脉冲信号，并传输给单光子计数器14。
优选的，激光发射单元包括偏振皮秒激光器01，偏振皮秒激光器01的外同步信号输出端口与单光子计数器14的外同步信号输入端口连接。
偏振皮秒激光器01每发射一个皮秒脉冲激光时，对单光子计数器14发送一个触发信号。
单光子计数器14收到触发信号后开始计时，标记收到脉冲信号的时间，并记录接收到的脉冲信号的次数(即偏振皮秒激光器01发射的脉冲个数)。
数据处理系统根据出射激光和回波光信号的数据进行三维图像重构。
实施例2
本发明提供的实施例2为本发明提供的一种单光子三维成像方法的实施例，该成像方法基于本发明提供的一种回波信号单光子三维成像系统的实施例，如图2所示为本发明提供的一种单光子三维成像方法的实施例的流程图，由图2可知，该成像方法包括：步骤1，激光发射单元发射脉冲激光时向单光子探测单元发送触发信号。
步骤2，单光子探测单元标记收到第一个脉冲信号的时间tij，并记录到tij时间为止激光器发射的脉冲光的次数nij。
其中，(i，j)表示在扫描振镜单元控制下的像素点位置。
步骤3，单光子探测单元判断第一次接收到的回波信号时向扫描振镜单元发送终止当前探测流程的信号，扫描振镜单元收到信号后运动到下一个位置，循环执行步骤1-2直至扫描振镜单元完成所有位置的移动。
步骤4，单光子探测单元将各次得到的数据发送给数据处理系统16，数据处理系统16根据二维矩阵T和二维矩阵N实现三维图像重构。
其中，二维矩阵T中的元素tij表示像素点(i，j)处的回波时间，二维矩阵N中的元素nij表示成像系统对像素点(i，j)处发射的激光脉冲的数量。
优选的，步骤4包括：
步骤401，根据二维矩阵N计算各个像素点的目标表面反射率。
具体的，该步骤401包括：建立条件函数：
其中，αij为像素点(i，j)位置的表面反射率，bλ为背景光回波率，T为设定的时间间隔，其小于单光子探测器死时间，φα为低通滤波算子，β为正规化参数，Pr[nij；αij]表示条件概率；通过求解该条件函数的最优值得到目标表面反射率。
步骤402，剔除被背景光子干扰的像素点。
具体的，步骤402中判断任一像素点(i，j)是否被背景光子干扰的方法为：
建立以(i，j)为中心、大小为m*m的滤波窗口，将滤波窗口中除去中心位置后的所有元素对中心位置做差值绝对值，将差值绝对值按升序排列得到集合Δ，取集合Δ中前一半的代数和为差值绝对值统计量Fij，如果
则认定(i,j)位置为被背景光子干扰；其中，TP表示激光脉冲宽度。
步骤403，计算各个像素点的目标深度图。
具体的，步骤403计算目标深度图的方法为：建立目标函数：
其中，ftij表示探测噪声光子条件下时间τ的概率密度函数，s(τ)为激光脉冲的时域表示，zij表示(i，j)位置深度值，djj表示zij的估计值，c表示光速，Θ表示剔除背景噪声光子干扰后的剩余区域，求解该目标函数的最优解可以得到目标深度图。
本发明提供的一种单光子三维成像方法，采用特殊的单光子图像重构方法，解决了现有单光子三维成像技术中的信噪比低、成像时间长、分辨率低等问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于单光子三维成像系统的成像方法，其特征在于，所述成像系统包括：收发共孔径光路、激光发射单元、单光子探测单元、扫描振镜单元和数据处理系统(16)；
所述收发共孔径光路包括穿孔反射镜(03)，所述激光发射单元发射的激光经过所述穿孔反射镜(03)的通孔进入所述收发共孔径光路；回波光信号经过所述穿孔反射镜(03)的反射面反射后进入所述单光子探测单元；
所述扫描振镜单元设置在所述收发共孔径光路上，控制调节激光发射方向和回波光信号接收方向；
所述数据处理系统根据出射激光和回波光信号的数据进行三维图像重构；
所述成像方法包括：
步骤1，所述激光发射单元发射脉冲激光时向所述单光子探测单元发送触发信号；
步骤2，所述单光子探测单元标记收到的第一个脉冲信号的时间tij，并记录到tij时间为止激光器发射的所述脉冲光的次数nij；
其中，(i，j)表示在所述扫描振镜单元控制下的像素点位置；
步骤3，所述单光子探测单元判断第一次接收到回波信号时向所述扫描振镜单元发送终止当前探测流程的信号，所述扫描振镜单元收到所述信号后运动到下一个位置，循环执行步骤1-2直至所述扫描振镜单元完成所有位置的移动；
步骤4，所述单光子探测单元将各次得到的数据发送给所述数据处理系统(16)，所述数据处理系统(16)根据二维矩阵T和二维矩阵N实现三维图像重构；
其中，所述二维矩阵T中的元素tij表示像素点(i，j)处的回波时间，二维矩阵N中的元素nij表示所述成像系统对像素点(i，j)处发射的激光脉冲的数量；
所述步骤4包括：
步骤401，根据所述二维矩阵N计算各个像素点的目标表面反射率；
步骤402，剔除被背景光子干扰的像素点；
步骤403，计算各个所述像素点的目标深度图。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述收发共孔径光路还包括：透镜一(05)和望远系统(06)，所述扫描振镜单元包括扫描振镜(04)；
所述穿孔反射镜(03)的法线与所述收发共孔径光路的光轴的夹角为45°，所述激光发射单元设置于所述穿孔反射镜(03)的水平一侧，所述单光子探测单元设置于所述穿孔反射镜(03)的下端；
所述扫描振镜(04)设置于所述穿孔反射镜(03)的水平另一侧，所述透镜一(05)和望远系统(06)依次设置于所述扫描振镜04)的上端。
3.根据权利要求2所述的成像方法，其特征在于，所述扫描振镜单元还包括扫描振镜驱动控制模块(15)；
所述扫描振镜驱动控制模块(15)根据预先设定的扫描程序驱动扫描振镜(04)的扫描运动，并当所述扫描振镜(04)运动到指定位置后向所述激光发射单元发送发出所述激光的信号。
4.根据权利要求1所述的成像方法 ，其特征在于，所述激光发射单元包括偏振皮秒激光器(01)和半波片(02)；
所述偏振皮秒激光器发射的偏振皮秒脉冲激光经过所述半波片(02)调整偏振方向后进入所述收发共孔径光路；
所述激光的偏振方向为垂直偏振方向。
5.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述单光子探测单元包括在所述穿孔反射镜(03)的下端依次设置的透镜二(07)、带通滤光片(08)、窄带滤光片(09)、偏振分束镜(10)和光纤耦合器(11)；
所述透镜二(07)对接收的光束准直后，所述带通滤光片(08)和所述窄带滤光片(09)分别对准直后的光束进行不同波段的滤波；
所述偏振分束镜(10)接收滤波后的所述光束，反射垂直偏振光，透过水平偏振光。
6.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于，所述单光子探测单元还包括光纤跳线(12)以及互相连接的光子探测器(13)和单光子计数器(14)；
所述单光子探测器(13)和所述光纤耦合器(11)通过所述光纤跳线(12连接，所述光纤耦合器(11)将所述回波光信号耦合进光纤跳线(12)中后，所述光纤跳线(12)将所述回波光信号传输到所述单光子探测器(13)中，所述单光子探测器(13)将单光子的所述回波光信号转换为脉冲信号后，所述单光子计数器(14)对所述脉冲信号进行计数和时间标记。
7.根据权利要求6所述的成像方法，其特征在于，
所述激光发射单元包括偏振皮秒激光器(01)，所述偏振皮秒激光器(01)的外同步信号输出端口与单光子计数器(14)的外同步信号输入端口连接；
所述偏振皮秒激光器(01)每发射一个皮秒脉冲激光时，对所述单光子计数器(14)发送一个触发信号；
所述单光子计数器(14)收到所述触发信号后开始计时，标记收到所述脉冲信号的时间，并记录接收到的所述脉冲信号的次数。
8.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述步骤401包括：建立条件函数：
其中，αij为像素点(i，j)位置的表面反射率，bλ为背景光回波率，T 为设定的时间间隔，φα为低通滤波算子，β为正规化参数，Pr[nij；αij]表示条件概率；通过求解所述条件函数的最优值得到所述目标表面反射率；
所述步骤402中判断任一像素点(i，j)是否被背景光子干扰的方法为：
建立以(i，j)为中心、大小为m*m的滤波窗口，将所述滤波窗口中除去所述中心位置后的所有元素对所述中心位置做差值绝对值，将所述差值绝对值按升序排列得到集合Δ，取所述集合Δ中前一半的代数和为差值绝对值统计量Fij，如果
则认定(i，j)位置为被背景光子干扰；
其中，TP表示激光脉冲宽度；
所述步骤403计算目标深度图的方法为：建立目标函数：
其中，
表示探测噪声光子条件下时间τ的概率密度函数，s(τ)为激光脉冲的时域表示，zij表示(i，j)位置深度值，djj表示zij的估计值，c表示光速，Θ表示剔除背景噪声光子干扰后的剩余区域，求解所述目标函数的最优解可以得到目标深度图。
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