CN111562593B - 基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统，旨在提高现有光子计数雷达系统在运动条件下的成像能力。本发明通过叠加不同像素对同一目标点的测量数据，然后进行目标距离值优化估计，得到目标距离图像，从而提高了运动条件下光子计数雷达系统的三维成像质量。

Description

基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统

技术领域

本发明涉及光子计数激光雷达领域，具体涉及一种基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统。

背景技术

近年来，基于单光子探测的光子计数激光雷达技术因具备高探测灵敏度、高时间分辨及系统轻量化等优点逐渐成为新一代激光雷达的发展趋势。受半导体工艺的限制，目前无法获得各像素均具备定时功能的大面阵光子计数探测器，大多数光子计数激光雷达系统仍然采用耗时较长的单元扫描或多元线阵扫描方式获取目标三维图像。由于光子计数雷达的单次探测通常只能区分有无光子探测事件而无法区分信号和噪声光子，每像素需要累积多次探测以便提取信号。因此，在运动条件下，光子计数雷达的成像质量普遍欠佳，当其工作于移动速度较快的运动平台时，例如卫星或飞机平台，雷达系统的三维成像质量将严重下降。

发明内容

本发明提供了一种基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统，以提高现有光子计数雷达系统在运动条件下的成像能力。本发明通过叠加不同像素对同一目标点的测量数据，然后进行目标距离值优化估计，得到目标距离图像，从而提高运动条件下光子计数雷达系统的三维成像质量。

本发明具体技术方案如下：

基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统，包括移动平台和设置在所述移动平台上的光子计数三维成像装置；

其特殊之处在于：

所述光子计数三维成像装置包括同步脉冲信号产生器、脉冲光源、扩散发射光学系统、接收光学系统、面阵光子计数探测器、像素复用图像处理与产生器；

同步脉冲信号产生器用于产生脉冲信号，同时触发所述脉冲光源发射照明激光束以及触发所述面阵光子计数探测器所有像素的定时单元开始计时；

扩散发射光学系统用于将所述照明激光束扩散发射；

接收光学系统用于收集从目标表面反射和/或散射的回波信号光子，并聚焦至所述面阵光子计数探测器的光敏面上；

面阵光子计数探测器用于探测所述回波信号光子，若某像素上探测到光子，则该像素定时单元结束计时；还用于对所述定时单元输出的计时结束时刻与计时开始时刻作差，得到光子飞行时间数据集；

像素复用图像处理与产生器对垂直于移动平台运动方向的面阵探测器中每个线阵所扫描得到的光子飞行时间数据集进行错位叠加处理，以及各像素距离值优化估计，输出最优三维距离图像。

进一步地，所述脉冲光源包括脉冲激光器和准直器。

进一步地，所述扩散发射光学系统由光散射片和平凸透镜组合而成，或由光学衍射元件和平凸透镜组合而成。

进一步地，所述接收光学系统由光学物镜和光学带通滤波片组合而成。

进一步地，所述面阵光子计数探测器和接收光学系统均设置在带旋转平台的双轴线性位移平台上。

进一步地，所述像素复用图像处理与产生器提取最优三维距离图像的方法如下：

1)读取原始数据集S，S为N_r×N_c×N_k的矩阵；N_r和N_c分别为面阵探测器的像素总行数和总列数，N_k表示总共采集的图像帧数；矩阵中的元素s_r,c,k＝[S]_r,c,k表示面阵光子计数探测器中第r行c列的像素，在第k帧采集到的光子飞行时间数据，其中r＝1,2,...,N_r，c＝1,2,...,N_c，k＝1,2,...,N_k；

2)初始化参数M和D_p，其中M为每像素生成一个距离值所需要累积的帧数，由单个像素的瞬时视场区域大小FoR、移动平台的速度V_p和探测器帧时T_f决定，即

D_p为相邻线阵间隔的像素数目，由像素间距Δp和像素尺寸Φ_p决定，即

3)抽取沿垂直于移动平台运动方向的每个线阵一维扫描得到的飞行时间数据集

在每个像素上累积M帧，得到规模为N_r行N_k/M列的子距离图像的飞行时间数据集

其中，c＝1,2,...,N_c；

4)以间隔D_p对所有N_c列线阵一维扫描得到的子距离图像的飞行时间数据集

进行错位叠加，并估计每个像素的最优距离值；

5)输出最优三维距离图像：

进一步地，所述移动平台的移动速度V_p须满足条件：

M⁰为每像素产生距离值所需要的最少累积帧数，也就是累积探测次数；FoR为单个像素的瞬时视场区域大小；T_f为探测器帧时。

进一步地，步骤4)中每个像素的最优距离值的估计方法采取光子飞行时间直方图峰值法、质心法或互相关方法。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用像素信息复用方法可在一定平台运动速度下增加同一目标点的累积探测次数，提高探测概率，从而提高面阵光子计数雷达系统在快速运动条件下的成像质量。

2.本发明通过面阵光子计数探测器多个像素对同一目标点进行探测，有效解决了当前面阵光子计数探测器普遍存在的热像素对成像质量的影响问题。

3.本发明中的扩散发射光学系统由光散射片和平凸透镜组合而成，或由光学衍射元件和平凸透镜组合而成，不但能对照明激光束进行扩散，还可以对照明激光束进行匀化，避免了面阵光子计数探测器边缘像素探测不到光子的情况发生。

附图说明

图1为本发明基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统的原理框图。

图2是本发明基于像素复用的光子计数三维图像提取流程图。

图3是数学符号的图形示意，以及在移动平台运动速度为V_p＝20mm/s，采用32×32面阵光子计数探测器对3.3米外目标进行推扫成像实验所得结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

如图1所示，本发明所提供的基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统包括移动平台和设置在该移动平台上的光子计数三维成像装置；移动平台用于搭载面阵光子计数三维成像装置以实现对目标的推扫成像；光子计数三维成像装置包括同步脉冲信号产生器、脉冲光源、扩散发射光学系统、接收光学系统、面阵光子计数探测器、像素复用图像处理与产生器。同步脉冲信号产生器的输出端同时与脉冲光源的外触发端口以及面阵光子计数探测器的同步端口相连；扩散发射光学系统设置在脉冲光源的输出光路上；接收光学系统设置在被照射目标的反射光路上，接收光学系统的视场角约等于出射激光扩散后的发散角；面阵光子计数探测器设置在接收光学系统的焦面上；像素复用图像处理与产生器对垂直于移动平台运动方向的面阵探测器中每个线阵所扫描得到的飞行时间数据集进行错位叠加处理，以及各像素距离值优化估计，输出最优三维距离图像。

优选的，上述脉冲光源包括脉冲激光器和准直器；上述扩散发射光学系统由光散射片和平凸透镜组合而成，或由光学衍射元件和平凸透镜组合而成；上述接收光学系统由光学物镜和光学带通滤波片组合而成；上述面阵光子计数探测器和接收光学系统均被固定在带旋转平台的双轴线性位移平台上，通过手动调节双轴线性位移平台的旋转角度和位置使接收视场和激光照明区域对准。

本发明的工作原理：

同步脉冲信号产生器输出重频一定的脉冲信号，然后将其分成两路：一路连接至脉冲光源的外触发端口，触发脉冲光源发射照明激光束；另一路连接至面阵光子计数探测器的同步端口，触发面阵光子计数探测器中各像素的定时单元开始计时；

扩散发射光学系统对脉冲光源发射的照明激光束的发散角进行扩大并对出射光斑进行匀化扩散，使出射光斑覆盖并照射目标表面；

从目标表面反射和/或散射的回波信号光子被接收光学系统收集，并聚焦至面阵光子计数探测器的光敏面；

面阵光子计数探测器的各个像素探测回波信号光子，若某像素上探测到光子，则该像素定时单元结束计时；还用于对各个像素上回波信号光子到达时刻(即计时结束时刻)与相应出射激光脉冲发射时刻(即开始计时时刻)的作差得到光子飞行时间数据集；

像素复用图像处理与产生器对垂直于移动平台运动方向的面阵探测器中每个线阵所扫描得到的飞行时间数据集进行错位叠加处理，以及结合光速常数对各像素的最优距离值进行估计，输出最优三维距离图像。

如图2所示为基于像素复用的光子计数三维图像提取流程图：

首先，读取原始数据集S，S为N_r×N_c×N_k的矩阵；N_r和N_c分别为面阵探测器的像素总行数和总列数，N_k表示总共采集的图像帧数；矩阵中的元素s_r,c,k＝[S]_r,c,k表示面阵光子计数探测器中第r行c列的像素，在第k帧采集到的光子飞行时间数据，其中r＝1,2,...,N_r，c＝1,2,...,N_c，k＝1,2,...,N_k；

其次，初始化参数M和D_p，其中M为每像素生成一个距离值所需要的累积帧数(或称累积探测次数)，由单个像素的瞬时视场区域大小FoR、移动平台的速度V_p和探测器帧时T_f决定，即

D_p为相邻线阵间隔的像素数目，由像素间距Δp和像素尺寸Φ_p决定，即

然后，抽取沿垂直于移动平台运动方向的每个线阵一维扫描得到的飞行时间数据集

每个像素上累积M帧，得到规模为N_r行N_k/M列的子距离图像的飞行时间数据集

其中，c＝1,2,...,N_c；

再次，以间隔D_p对所有N_c列线阵一维扫描得到的子距离图像的飞行时间数据集

进行错位叠加，例如，第c列和第c+1列像素所扫描得到的图像数据，在平移D_p之后才能完全重合，也就是对应同一目标区域；基于叠加之后的飞行时间数据估计每个像素的最优距离值；最优距离值估计方法包含但不局限于直方图峰值法、质心法和互相关方法；

最后，输出最优三维距离图像：

由于以间隔D_p进行错位叠加，最终得到图像的列数在一维线阵扫描的N_k/M基础上增加D_p(N_c-1)列。

仿真验证：

如图3所示为数学符号的图形示意，以及在移动平台运动速度为V_p＝20mm/s，采用32×32面阵光子计数探测器对3.3米外目标进行推扫成像实验所得结果。从图3中成像结果可以看出：在相同的运动速度下，本发明能够获得较好的成像质量，针对同一平面目标区域，本发明的平面精度可达2.7mm，而传统单线阵推扫方法的平面精度最好仅达18.0mm，尤其受到面阵探测器的热像素影响，有的线阵推扫平面精度劣达1米以上。

Claims (7)

1.基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统，包括移动平台和设置在所述移动平台上的光子计数三维成像装置；

其特征在于：

所述光子计数三维成像装置包括同步脉冲信号产生器、脉冲光源、扩散发射光学系统、接收光学系统、面阵光子计数探测器、像素复用图像处理与产生器；

同步脉冲信号产生器用于产生脉冲信号，同时触发所述脉冲光源发射照明激光束以及触发所述面阵光子计数探测器所有像素的定时单元开始计时；

扩散发射光学系统用于将所述照明激光束扩散发射；

接收光学系统用于收集从目标表面反射和/或散射的回波信号光子，并聚焦至所述面阵光子计数探测器的光敏面上；

面阵光子计数探测器用于探测所述回波信号光子，若某像素上探测到光子，则该像素定时单元结束计时；还用于对所述定时单元输出的计时结束时刻与计时开始时刻作差，得到光子飞行时间数据集；

像素复用图像处理与产生器对垂直于移动平台运动方向的面阵探测器中每个线阵所扫描得到的光子飞行时间数据集进行错位叠加处理，以及各像素距离值优化估计，输出最优三维距离图像；

所述像素复用图像处理与产生器提取最优三维距离图像的方法如下：

1)读取原始数据集S，S为N_r×N_c×N_k的矩阵；N_r和N_c分别为面阵探测器的像素总行数和总列数，N_k表示总共采集的图像帧数；矩阵中的元素s_r,c,k＝[S]_r,c,k表示面阵光子计数探测器中第r行c列的像素，在第k帧采集到的光子飞行时间数据，其中r＝1,2,...,N_r，c＝1,2,...,N_c，k＝1,2,...,N_k；

2)初始化参数M和D_p，其中M为每像素生成一个距离值所需要累积的帧数，由单个像素的瞬时视场区域大小FoR、移动平台的速度V_p和探测器帧时T_f决定，即

D_p为相邻线阵间隔的像素数目，由像素间距Δp和像素尺寸Φ_p决定，即

3)抽取沿垂直于移动平台运动方向的每个线阵一维扫描得到的飞行时间数据集

在每个像素上累积M帧，得到规模为N_r行N_k/M列的子距离图像的飞行时间数据集

其中，c＝1,2,...,N_c；

4)以间隔D_p对所有N_c列线阵一维扫描得到的子距离图像的飞行时间数据集

进行错位叠加，并估计每个像素的最优距离值；

5)输出最优三维距离图像：

2.根据权利要求1所述的基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统，其特征在于：所述脉冲光源包括脉冲激光器和准直器。

3.根据权利要求2所述的基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统，其特征在于：所述扩散发射光学系统由光散射片和平凸透镜组合而成，或由光学衍射元件和平凸透镜组合而成。

4.根据权利要求3所述的基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统，其特征在于：所述接收光学系统由光学物镜和光学带通滤波片组合而成。

5.根据权利要求4所述的基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统，其特征在于：所述面阵光子计数探测器和接收光学系统均设置在带旋转平台的双轴线性位移平台上。

6.根据权利要求1-5任一所述的基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统，其特征在于：所述移动平台的移动速度V_p须满足条件：

M⁰为每像素产生距离值所需要的最少累积帧数，也就是累积探测次数；FoR为单个像素的瞬时视场区域大小；T_f为探测器帧时。

7.根据权利要求1所述的基于像素复用的面阵推扫式光子计数三维成像系统，其特征在于：步骤4)中每个像素的最优距离值的估计方法采取光子飞行时间直方图峰值法、质心法或互相关方法。

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