CN111521265A - 一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光成像技术领域，尤其是一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法，通过激光产生装置产生人眼安全的多波长激光脉冲，经过激光放大器同时放大多波长激光脉冲能量，再使用衍射光栅对能量放大的多波长激光脉冲分束，产生多波束空间分布结构，得到的多波长多波束激光脉冲对成像目标进行扫描，通过时间相关单光子符合计数模块对使用同一个衍射光栅接收的多波长多波束回波信号进行分析得到多波长多波束激光脉冲的飞行时间以此求取成像目标上的各扫描位置的距离，从而构建成像目标的三维图像。本发明的优点是：通过采用不同波长、相位互相随机、重复频率不相等的人眼安全激光脉冲作为激光源，仅使用一个激光放大器放大多波束激光能量。
Description
技术领域
本发明涉及激光成像技术领域，尤其是一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法。
背景技术
光子计数激光成像技术在地形测绘、城市三维建模、水下成像等领域有广泛的应用前景，其中人眼安全的多波束光子计数激光成像有成像速度快、测距误差小、人眼安全等优点，是目前激光成像系统发展的重要方向。多波束光子计数激光成像系统通常采用单光子探测器阵列作为信号探测端，其技术难度高，价格昂贵。而且人眼安全波段的激光器一般能量较低，需要激光放大器才能实现远距离的成像，使用多个激光放大器分别对多波束进行放大会大大提高系统成本。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法，通过采用波长各不相同、相位互相随机、重复频率不相等的人眼安全的脉冲激光作为激光源，使用一个激光放大器对激光脉冲能量进行放大，使用衍射光栅形成多波束空间分布结构，得到人眼安全的多波长多波束脉冲激光，扫描成像目标。通过同一衍射光栅接收回波光子，形成同轴光路，耦合进一个单像素单光子探测器作为探测端同时探测多波束的回波信号，通过时间相关单光子符合计数模块测量对应光子的飞行时间，从而计算得到成像目标距离的点云数据，实现激光三维成像。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
激光产生装置产生人眼安全的多波长激光脉冲，经过一个激光放大器同时放大所述多波长激光脉冲的能量，再使用衍射光栅对能量放大的所述多波长激光脉冲分束，产生多波束空间分布结构；
得到的多波长多波束激光脉冲对成像目标进行扫描，同时将多波长多波束激光脉冲的同步信号传输至时间相关单光子符合计数模块；
使用同一个所述衍射光栅接收回波信号，形成同轴光路，耦合进一个单像素单光子探测器对返回的多波束激光同时进行探测，并将计数信号传输至所述时间相关单光子符合计数模块，所述时间相关单光子符合计数模块分析得到所述多波长多波束激光脉冲的飞行时间以此求取成像目标上的各扫描位置的距离，从而构建成像目标的三维图像。
所述多波长多光束激光脉冲中的各个波束激光脉冲的波长各不相同，且各个波束激光脉冲的相位互相随机且重复频率互不相等。
所述激光产生装置包括激光器阵列与密集波分复用合波器。
使用所述密集波分复用合波器将多波长激光脉冲合束到一根光纤里。
所述时间相关单光子符合计数模块包括与所述多波长多波束激光脉冲的波束数量相同的时间间隔测量单元。
求取所述成像目标上的各所述扫描位置的距离的具体方法为：每个所述时间间隔测量单元对所述计数信号与一路所述同步信号进行时间相关单光子符合计数，记录所述计数信号与所述同步信号之间的时间间隔，通过多个周期的计数积累得到所述计数信号中与所述同步信号频率一致的计数脉冲的计数峰，而与所述同步信号频率不一致的所述计数信号的计数脉冲将呈随机分布，无法得到计数峰，从而计算出各所述扫描位置的距离，计算公式为：
，式中，Ln为所述扫描位置与对应光子出射位置之间的距离，c为所述对应光子在空气中的传播速度，Tn为所述计数信号的计数峰与所述同步信号的时间间隔，n为各个波束的序号。
所述时间相关单光子符合计数模块与一计算机连接，所述计算机接收所述时间相关单光子符合计数模块传入的所述时间间隔Tn数据，然后根据所述计算公式
计算各所述扫描位置的距离并将其以点云数据形式进行存储，从而构建所述成像目标的三维图像。
利用光束扫描装置控制所述激光产生装置运动，使其对所述成像目标进行移动扫描，所述光束扫描装置由一计算机连接控制。
本发明的优点是：通过采用不同波长、相位互相随机、重复频率不相等的人眼安全激光脉冲作为激光源，仅使用一个激光放大器放大多波束激光能量；通过使用衍射光栅构建同轴光路，保证成像系统回波率；仅使用一个单像素单光子探测器完成多波束探测，简化了系统结构，降低了设备成本。
附图说明
图1为本发明的成像原理示意图；
图2为本发明的装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-2所示，图中标记1-12分别表示为：16路激光驱动电路1、C波段16波长分布式反馈激光器阵列2、合波器3、掺铒光纤放大器4、光纤准直器5、反射镜6、衍射光栅7、法布里-珀罗腔8、透镜9、单像素InGaAs单光子探测器10、16通道FPGA时间相关单光子符合计数模块11、计算机12。
实施例：如图2所示，本实施例中具体的多波长多波束光子计数激光成像方法，通过采用波长各不相同、相位互相随机、重复频率不相等的脉冲激光作为激光源，使用衍射光栅形成多波束空间分布结构，得到多波长多波束脉冲激光，扫描成像目标。通过同一衍射光栅接收回波光子，形成同轴光路，耦合进一个单像素单光子探测器作为探测端同时探测多波束的回波信号，通过时间相关单光子符合计数模块测量对应光子的飞行时间，从而计算得到成像目标距离的点云数据，实现激光三维成像。
如图1所示，本实施例中的多波长多波束光子计数激光成像方法包括以下步骤：
（1）使用激光发射装置发出多波长激光脉冲，激光发射装置包括多波长分布式反馈激光器阵列、合波器和准直器。其中多波长分布式反馈激光器阵列产生多波长激光脉冲，各个波长激光脉冲的相位互相随机，且重复频率互不相等。合波器将多波长激光脉冲合束到一根光纤中。而准直器则对出射的多波长脉冲激光进行准直处理。同时，激光发射装置将各波长激光脉冲的同步信号传输至时间相关单光子符合计数模块中，各路时间间隔测量单元与各波长激光脉冲一一对应，作为其start/stop信号；
（2）准直器出射的激光通过衍射光栅形成多波束空间分布结构，得到多波束多波长脉冲激光。出射到成像目标表面，经过成像目标反射后，由同一个衍射光栅接收，形成同轴光路。通过透镜耦合进一个单像素单光子探测器，同时探测各路波束的回波信号，然后将计数信号传输至时间相关单光子符合计数模块中，作为stop/start信号；
（3）每个时间间隔测量单元对所述计数信号与一路所述同步信号进行时间相关单光子符合计数，记录计数信号与同步信号之间的时间间隔，通过多个周期的计数积累得到计数信号中与同步信号频率一致的计数脉冲的计数峰，而与同步信号频率不一致的计数信号的计数脉冲将呈随机分布，无法得到计数峰，从而计算出各扫描位置的距离，计算公式为：
，其中，Ln为扫描位置与对应光子出射位置之间的距离，c为对应光子在空气中的传播速度，Tn为计数信号的计数峰与同步信号的时间间隔，n为各个波束的序号；
（4）利用光束扫描装置控制激光发射装置运动，使其对成像目标进行移动扫描，按步骤（1）至（3）不断获取各扫描位置的距离数据信息，时间相关单光子符合计数模块再将得到的距离数据信息传输至一计算机，由计算机以点云数据形式进行存储并最终获得成像目标的激光三维成像图。
如图2所示，本实施例具体以16波长波束激光脉冲作为扫描激光对本发明作进一步说明：
（1）采用16个互相独立的1 MHz晶振同步的激光驱动电路1和16波长分布式反馈激光器阵列2组成激光发射装置的脉冲激光光源。16波长分布式反馈激光的波长在C波段依次间隔200 GHz。使用合波器3将16波长脉冲激光合束到一根光纤中，经过掺铒光纤放大器4得到高能量16波长脉冲激光，再通过光纤准直器5将合束的激光准直。同时，将16个相互独立的1MHz晶振输出作为同步信号传输至16通道FPGA时间相关单光子符合计数模块11的16个start端；
（2）16波长脉冲激光经过反射镜6反射，通过衍射光栅7产生16光束空间分布结构的扫描激光，各光束之间夹角约为1.08 mrad，发散角约为0.66 mrad。选用电控旋转台作为光束扫描装置，将光纤准直器5、反射镜6、衍射光栅7、法布里-珀罗腔8、透镜9和单像素InGaAs单光子探测器10置于电控旋转台上，通过控制电控旋转台转动，实现对成像目标的多光束扫描；
（3）16波长波束激光脉冲照射到成像目标表面，经过成像目标反射后形成回波信号，经过同一个衍射光栅7接收后，形成同轴光路。通过法布里-珀罗腔8对回波光进行过滤，抑制背景光噪声。选用的法布里-珀罗腔可通过波长间隔为200 GHz，与选用的16波长激光波长间隔相等。再通过透镜9耦合进单像素InGaAs单光子探测器10中；
（4）16通道FPGA时间相关单光子符合计数模块11对采集到的16路同步信号以及计数信号进行时间相关符合计数分析，16路通道中的每路通道测量一路同步信号与计数信号之间的时间间隔，由于对应波束的计数信号与其同步信号相关，通过多个周期的计数累计将出现计数峰，而其他波束与该同步信号频率不同且相对相位随机，故其时间间隔分布呈现与背景噪声相同的随机分布特性，取计数信号的计数峰与同步信号的时间间隔为对应光子的飞行时间Tn；
（5）16通道FPGA时间相关单光子符合计数模块11将获取的对应光子的飞行时间信息传输至计算机12，计算机12根据计算公式：
计算出成像目标上各个扫描位置的距离，其中，Ln为各扫描位置与对应光子出射位置之间的距离，c为对应光子在空气中的传播速度，Tn为计数信号的计数峰与同步信号的时间间隔，n为各个波束的序号；并以点云数据形式进行存储并最终获得成像目标的激光三维成像图。
本实施例通过采用波长不同、相位互相随机、重复频率不相等的16波长波束激光脉冲作为扫描激光，构建同轴光路，在保证回波率的前提下，在探测端仅用一个单像素单光子探测器便可实现多波束探测，简化了探测结构，降低了设备成本。
虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。
Claims (8)
1.一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
激光产生装置产生人眼安全的多波长激光脉冲，经过一个激光放大器同时放大所述多波长激光脉冲的能量，再使用衍射光栅对能量放大的所述多波长激光脉冲分束，产生多波束空间分布结构；
得到的多波长多波束激光脉冲对成像目标进行扫描，同时将多波长多波束激光脉冲的同步信号传输至时间相关单光子符合计数模块；
使用同一个所述衍射光栅接收回波信号，形成同轴光路，耦合进一个单像素单光子探测器对返回的多波束激光同时进行探测，并将计数信号传输至所述时间相关单光子符合计数模块，所述时间相关单光子符合计数模块分析得到所述多波长多波束激光脉冲的飞行时间以此求取成像目标上的各扫描位置的距离，从而构建成像目标的三维图像。
2.根据权利要求1所述的一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法，其特征在于：所述多波长多光束激光脉冲中的各个波束激光脉冲的波长各不相同，且各个波束激光脉冲的相位互相随机且重复频率互不相等。
3.根据权利要求1所述的一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法，其特征在于：所述激光产生装置包括激光器阵列与密集波分复用合波器。
4.根据权利要求3所述的一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法，其特征在于：使用所述密集波分复用合波器将多波长激光脉冲合束到一根光纤里。
5.根据权利要求1所述的一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法，其特征在于：所述时间相关单光子符合计数模块包括与所述多波长多波束激光脉冲的波束数量相同的时间间隔测量单元。
6.根据权利要求1所述的一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法，其特征在于：求取所述成像目标上的各所述扫描位置的距离的具体方法为：每个所述时间间隔测量单元对所述计数信号与一路所述同步信号进行时间相关单光子符合计数，记录所述计数信号与所述同步信号之间的时间间隔，通过多个周期的计数积累得到所述计数信号中与所述同步信号频率一致的计数脉冲的计数峰，而与所述同步信号频率不一致的所述计数信号的计数脉冲将呈随机分布，无法得到计数峰，从而计算出各所述扫描位置的距离，计算公式为：
，式中，Ln为所述扫描位置与对应光子出射位置之间的距离，c为所述对应光子在空气中的传播速度，Tn为所述计数信号的计数峰与所述同步信号的时间间隔，n为各个波束的序号。
7.根据权利要求6所述的一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法，其特征在于：所述时间相关单光子符合计数模块与一计算机连接，所述计算机接收所述时间相关单光子符合计数模块传入的所述时间间隔Tn数据，然后根据所述计算公式
计算各所述扫描位置的距离并将其以点云数据形式进行存储，从而构建所述成像目标的三维图像。
8.根据权利要求1所述的一种人眼安全的多波束光子计数激光成像方法，其特征在于：利用光束扫描装置控制所述激光产生装置运动，使其对所述成像目标进行移动扫描，所述光束扫描装置由一计算机连接控制。
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