CN111880194A - 非视域成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种非视域成像装置，包括：近红外脉冲激光器，用于发射红外脉冲激光，双望远镜模块，用于将红外脉冲激光扩束准直后发射给中介墙，以及，接收经过中介墙散射回来的红外脉冲激光，其中，红外脉冲激光被中介墙散射回来之前，经过了中介墙附近的非视域空间内的目标散射，单光子探测器，用于探测经中介墙散射回来红外脉冲激光的光子数，计算机，用于记录光子数和红外脉冲激光的传播时间，统计光子数在时间上的分布，并基于光子数在时间上的分布，实现对目标的三维重构。本公开提供的非视域成像装置采用了双望远镜系统，可实现对红外脉冲激光的同轴收发，降低重构算法难度，可实现对非视域探测目标的实时追踪和定位。

Description

非视域成像装置及方法

技术领域

本公开涉及非视域成像技术领域，尤其涉及一种非视域成像装置及方法。

背景技术

基于激光雷达的三维非视域成像技术是一种对被遮挡的非视域隐藏物体目标进行三维成像的技术。非视域成像的实现过程通常是将激光发射到中介墙反射面上，利用中介墙使激光散射到被遮挡的非视域空间中去，散射后的激光经过该空间中的隐藏物体目标反射后，再次被反射到中介墙反射面上，然后被中介墙反射至接收系统，最后，由计算机系统利用激光的飞行时间等信息，通过算法实现对被遮挡的非视域空间内的隐藏物体目标进行三维重构。

目前，该技术在室内场景下已经取得了一系列积极地进展，但尽管现有的技术能够实现对隐藏物体的非视域三维成像，由于成像系统视场小，导致激光信号的接收效率较低、背景噪声较高以及信噪比差，现有技术仍然未能实现公里量级的非视域三维成像。

发明内容

本公开的一个方面提供了一种非视域成像装置，包括：近红外脉冲激光器，用于发射红外脉冲激光；双望远镜模块，用于将所述红外脉冲激光扩束准直后发射给中介墙，以及，接收经过所述中介墙散射回来的所述红外脉冲激光，其中，所述红外脉冲激光被所述中介墙散射回来之前，经过了所述中介墙附近的非视域空间内的目标散射；单光子探测器，用于探测经所述中介墙散射回来所述红外脉冲激光的光子数；计算机，用于记录所述光子数和所述红外脉冲激光的传播时间，统计所述光子数在时间上的分布，并基于所述光子数在时间上的分布，实现对所述目标的三维重构。

可选地，所述双望远镜模块包括：发射望远镜，用于将所述红外脉冲激光扩束直准后发射给所述中介墙；接收望远镜，用于接收经过所述中介墙散射回来的所述红外脉冲激光。

可选地，所述发射望远镜和所述接收望远镜指向所述中介墙的位置相同。

可选地，所述装置还包括：透镜组，用于将所述红外脉冲激光扩束；振镜组，用于调节所述红外脉冲激光的传播角度。

可选地，所述发射望远镜和所述接收望远镜靠近所述振镜组的一端设有双色镜。

可选地，所述单光子探测器的接收端设有窄带滤波片。

可选地，所述装置还包括：时间数字转换器，用于记录所述红外脉冲激光从被发射到被反射回所述单光子探测器的传播时间。

可选地，所述装置还包括：信号源，用于受所述计算机控制，控制所述近红外脉冲激光器发射红外脉冲激光，在发射所述红外脉冲激光的同时，给所述时间数字转换器发送同步计时信号。

可选地，所述单光子探测器还用于当探测到经所述中介墙散射回来所述红外脉冲激光时，向所述时间数字转换器发送当前时间信号。

本公开另一方面还提供了一种非视域成像方法，应用于如第一方面所述的装置，包括：将双望远镜模块的镜头转向中介墙，其中，所述双望远镜模块中的发射望远镜和接收望远镜指向所述中介墙上相同的初始位置；控制近红外脉冲激光器发射红外脉冲激光，使所述红外脉冲激光经过透镜组扩束和振镜组反射后，经所述发射望远镜射向所述初始位置；接收望远镜收集从中介墙散射回来的所述红外脉冲激光，并将其耦合到单光子探测器中；根据所述单光子探测器探测到的所述红外脉冲激光的光子数和所述红外脉冲激光从发射到被所述单光子探测器接收的时间，统计所述光子数在时间上的分布，获得时间光子数分布图；调节所述发射望远镜和接收望远镜对应的振镜组，改变所述红外脉冲激光的发射角度，实现对中介墙上不同位置探测，获得一系列的所述时间光子数分布图；基于所述一系列的时间光子数分布图，实现对所述目标的三维重构。

本公开提供的一种非视域成像装置采用双望远镜结构，可以通过中介墙对红外脉冲激光的散射来获取非视域目标的信息，对包含有非视域目标的信息的红外脉冲激光信号进行处理，可实现对非视域目标的三维重构。其中，该装置使用红外脉冲激光作为探测光源，可保护人眼的安全；该装置采用双望远经结构，使红外脉冲激光被同轴收发，降低了重构算法的复杂度，且重构速度更快；发射望远镜和接收望远镜分别配合独立的振镜组和透镜组，构成可调节红外脉冲激光发射角度的扫描装置，可实现对非视域目标的选择性测量，提高了系统的灵活性，还可实现对非视域目标的实时追踪定位；单光子探测器的接收端设置的窄带滤波片可对自然光中的背景噪声，提高单光子探测器接收到的红外脉冲激光的信噪比。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了非视域成像系统的应用场景的示意图；

图2示意性示出了本公开实施例提供的一种非视域成像装置的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

图1示意性示出了本公开实施例提供的一种非视域成像系统的应用场景的示意图。

如图1所示，对在位于位置104的人来说，由于墙面103的遮挡，位于墙面101和墙面103之间构成的非视域空间内的被测目标102是不可见的，为了获取到被测目标102的相关信息，实现对目标102的三维重构，相关技术人员可利用一些信号发射装置，以墙面101为中介，向墙面101发射信号，使该信号被墙面101反射或散射之后达到被测目标102，再被被测目标反射或散射回墙面101，经由墙面101被重新反射或散射回位置104，这样，位于位置104的相关技术人员即可获得带有被测目标102的表面信息的信号，根据该信号，可实现对被测目标102的三维重构。

图2示意性示出了本公开实施例提供的一种非视域成像装置的示意图。

如图2所示，本公开实施例提供的一种非视域成像装置主要包括：近红外脉冲激光器201，双望远镜模块204，单光子探测器205，计算机20g。

近红外脉冲激光器201，用于发射红外脉冲激光。

双望远镜模块204，用于将红外脉冲激光扩束准直后发射给中介墙，以及，接收经过中介墙散射回来的红外脉冲激光，其中，红外脉冲激光被中介墙散射回来之前，经过了中介墙附近的非视域空间内的目标散射。

单光子探测器205，用于探测经中介墙散射回来红外脉冲激光的光子数。

计算机208，用于记录所述光子数和所述红外脉冲激光的传播时间，统计所述光子数在时间上的分布，并基于所述光子数在时间上的分布，实现对所述目标的三维重构。

在本公开实施例中，近红外脉冲激光器201发射红外脉冲激光，用于探测非视域空间内的目标，红外脉冲激光是人眼无法察觉的，在探测过程中不会对人眼造成伤害。双望远镜模块204保证了红外脉冲激光的同轴发射和接收，可降低重构算法的复杂度，提高重构速度。

其中，双望远镜模块204包括：发射望远镜204a，接收望远镜204b。

发射望远镜204a，用于将红外脉冲激光扩束直准后发射给中介墙。

接收望远镜204b，用于接收经过中介墙散射回来的红外脉冲激光。

发射望远镜204a和接收望远镜204b指向中介墙的位置相同，可使接收望远镜204b最大限度地接收到的发射望远镜204a所发射地红外脉冲激光的信号，获取到红外脉冲激光的信号中更多的关于非视域空间内的目标的信息。

需要说明的是，发射望远镜204a和接收望远镜204b的指向调节需要相机辅助配合实现。

装置还包括：透镜组202，振镜组203。

透镜组202，用于将红外脉冲激光扩束。

振镜组203，用于调节所述红外脉冲激光的传播角度。

所述接收望远镜204b和所述发射望远镜204a各对应一个透镜组202和一个振镜组203。

在本公开实施例中，为了进一步提升系统接收效率，针对中介墙与非视域成像设备距离远的问题，通过调整透镜组202的焦距位置将红外脉冲激光的发射光斑和接收视场进行扩束，其中，发射光斑通过扩束后准直出射且小于发射望远镜204a口径，接收视场扩束后充满整个接收望远镜204b的口径且汇聚到远距离的中介墙上。这样，一方面充分利用了接收望远镜204b的口径大实现高收集效率，另一方面将接收端的视场尽可能的减小提高系统分辨率，从而实现提高系统收集效率和系统的分辨率。

发射望远镜204a和接收望远镜204b靠近振镜组203的一端设有双色镜。为了能够使望远镜对准远距离的可见中介墙，在望远镜后端放置双色镜，将能够进入到望远镜的可见光部分信号反射到相机中用于对准，将红外光透射用于非视域成像。这样可以通过相机实现被动成像，用来观察望远镜的指向，并根据相机的图像调整望远镜的指向，提高对准精度，不影响非视域成像的收集效率。

单光子探测器205的接收端设有窄带滤波片，用于过滤白天太阳光背景噪声，进一步提高红外脉冲激光信号的信噪比。

装置还包括：时间数字转换器206，用于记录红外脉冲激光从被发射到被反射回单光子探测器205的传播时间。

装置还包括：信号源207，用于受计算机208控制，控制近红外脉冲激光器201发射红外脉冲激光，在发射红外脉冲激光的同时，给时间数字转换器206发送同步计时信号。

单光子探测器205还用于当探测到经中介墙散射回来红外脉冲激光时，向时间数字转换器206发送当前时间信号。

参阅图2，对本公开实施例提供的一种非视域成像装置的工作流程进行详细描述。计算机208控制信号源207发出500kHz信号给红外脉冲激光器201，同时，信号源207给时间数字转换器206发射同步计时信号开始计时，红外脉冲激光器201出射的红外脉冲激光经透镜组202和振镜组203后入射进入到发射望远镜204a，经发射望远镜204a扩束准直后到达中介墙上，中介墙散射的红外脉冲激光经非视域空间内的被测目标散射后，再次入射至中介墙，接收望远镜204b接收中介墙返回的红外脉冲激光，该激光经透镜组202和振镜组203后耦合到62.5μm多模光纤中，并入射至单光子探测器205，单光子探测器205的输出端与时间数字转换器206的输入端连接，在接收到红外脉冲激光后给时间数字转换器206发送当前时间信号，计算机208根据单光子探测器205探测的光子数和时间数字转换器206记录的时间长度，得到时间光子计数图。通过调整振镜组203地角度方向、不断地进行激光扫描，可使红外脉冲激光从不同角度探测被测目标，获取到多幅带有被测目标地表面信息地时间光子计数图，计算机208根据时间光子计数图，通过重构算法可实现对被测目标地三维重构。

在本公开实施例中，图像重构过程如下。

首先，建立模型，假设红外脉冲激光点入射到中介墙上的光斑以及接收望远镜204b的视场的初始位置坐标为P0(0，0，0)，第i个扫描点为Pi(xi，yi，zi)，对于非视域空间中的任意一点Q(x，y，z)，得到的光子计数时间分布si(xi，yi，zi，ti)可以表示为

si(xi，yi，zi，ti)＝∫a(x，y，z)*δ(2|PiQ|-c·ti)/|PiQ|^4dxdydz；

其中，a(x，y，z)为非视域空间点Q的反射率，δ(·)为狄拉克函数，c为光速。通过求解方程，可以得到非视域空间任意一点的反射率分布a(x，y，z)，包括被测目标表面的反射率分布，即一幅非视域空间的三维图。

然后，为了能够得到更好的结果对三维图进行滤波处理，采用高斯-拉普拉斯滤波器进行滤波可以得到：

aLOG(x，y，z)＝a-(L*G(a))。

最后，采用阈值滤波，进一步提升重构质量，即aresult＝aLOG-a(a＜β)，其中β为选取的阈值0＜β＜max(aLOG)，a(a＜β)为aLOG＜β时aLOG的值。

本实施提供地装置能够测量距离装置1km以内的非视域场景中的隐藏物体。为了获得足够高的时间分辨率和空间分辨率，要求发射光(红外脉冲激光)的光斑和接收视场大小应小于10cm，同时要求激光脉冲的宽度小于100皮秒，单光子探测器205的响应时间也要小于200皮秒。

本公开提供的一种非视域成像装置采用双望远镜结构，可以通过中介墙对红外脉冲激光的散射来获取非视域目标的信息，对包含有非视域目标的信息的红外脉冲激光信号进行处理，可实现对非视域目标的三维重构。其中，该装置使用红外脉冲激光作为探测光源，可保护人眼的安全；该装置采用双望远经结构，使红外脉冲激光被同轴收发，降低了重构算法的复杂度，且重构速度更快；发射望远镜204a和接收望远镜204b分别配合独立的振镜组203和透镜组202，构成可调节红外脉冲激光发射角度的扫描装置，可实现对非视域目标的选择性测量，提高了系统的灵活性，还可实现对非视域目标的实时追踪定位；单光子探测器205的接收端设置的窄带滤波片可对自然光中的背景噪声，提高单光子探测器205接收到的红外脉冲激光的信噪比。

本公开实施例另一方面还提供了一种非视域成像方法，应用于如图2所示的装置，包括S1～S6。

S1，将双望远镜模块204的镜头转向中介墙，其中，双望远镜模块204中的发射望远镜204a和接收望远镜204b指向中介墙上相同的初始位置。

S2，控制近红外脉冲激光器201发射红外脉冲激光，使红外脉冲激光经过透镜组202扩束和振镜组203反射后，经发射望远镜204a射向初始位置。

S3，接收望远镜204b收集从中介墙散射回来的红外脉冲激光，并将其耦合到单光子探测器205中。

S4，根据单光子探测器205探测到的红外脉冲激光的光子数和红外脉冲激光从发射到被单光子探测器205接收的时间，统计光子数在时间上的分布，获得时间光子数分布图。

S5，调节发射望远镜204a和接收望远镜204b对应的振镜组203，改变红外脉冲激光的发射角度，实现对中介墙上不同位置探测，获得一系列的时间光子数分布图。

S6，基于一系列的时间光子数分布图，实现对目标的三维重构。

本公开实施例提供的一种非视域成像方法具有与上述非视域成像装置具有相同的有益效果，在不作赘述。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种非视域成像装置，其特征在于，包括：

近红外脉冲激光器(201)，用于发射红外脉冲激光；

双望远镜模块(204)，用于将所述红外脉冲激光扩束准直后发射给中介墙，以及，接收经过所述中介墙散射回来的所述红外脉冲激光，其中，所述红外脉冲激光被所述中介墙散射回来之前，经过了所述中介墙附近的非视域空间内的目标散射；

单光子探测器(205)，用于探测经所述中介墙散射回来所述红外脉冲激光的光子数；

计算机(208)，用于记录所述光子数和所述红外脉冲激光的传播时间，统计所述光子数在时间上的分布，并基于所述光子数在时间上的分布，实现对所述目标的三维重构。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述双望远镜模块(204)包括：

发射望远镜(204a)，用于将所述红外脉冲激光扩束直准后发射给所述中介墙；

接收望远镜(204b)，用于接收经过所述中介墙散射回来的所述红外脉冲激光。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述发射望远镜(204a)和所述接收望远镜(204b)指向所述中介墙的位置相同。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

透镜组(202)，用于将所述红外脉冲激光扩束；

振镜组(203)，用于调节所述红外脉冲激光的传播角度；

所述接收望远镜(204b)和所述发射望远镜(204a)各对应一个透镜组(202)和一个振镜组(203)。

5.根据权利要求3和4所述的装置，其特征在于，所述发射望远镜(204a)和所述接收望远镜(204b)靠近所述振镜组(203)的一端设有双色镜。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于，所述单光子探测器(205)的接收端设有窄带滤波片。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

时间数字转换器(206)，用于记录所述红外脉冲激光从被发射到被反射回所述单光子探测器(205)的传播时间。

8.根据权利要求1和7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

信号源(207)，用于受所述计算机(208)控制，控制所述近红外脉冲激光器(201)发射红外脉冲激光，在发射所述红外脉冲激光的同时，给所述时间数字转换器(206)发送同步计时信号。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征还在于，所述单光子探测器(205)还用于当探测到经所述中介墙散射回来所述红外脉冲激光时，向所述时间数字转换器(206)发送当前时间信号。

10.一种非视域成像方法，应用于如权利要求1至9所述的装置，其特征在于，包括：

将双望远镜模块(204)的镜头转向中介墙，其中，所述双望远镜模块(204)中的发射望远镜(204a)和接收望远镜(204b)指向所述中介墙上相同的初始位置；

控制近红外脉冲激光器(201)发射红外脉冲激光，使所述红外脉冲激光经过透镜组(202)扩束和振镜组(203)反射后，经所述发射望远镜(204a)射向所述初始位置；

接收望远镜(204b)收集从中介墙散射回来的所述红外脉冲激光，并将其耦合到单光子探测器(205)中；

根据所述单光子探测器(205)探测到的所述红外脉冲激光的光子数和所述红外脉冲激光从发射到被所述单光子探测器(205)接收的时间，统计所述光子数在时间上的分布，获得时间光子数分布图；

调节所述发射望远镜(204a)和接收望远镜(204b)对应的振镜组(203)，改变所述红外脉冲激光的发射角度，实现对中介墙上不同位置探测，获得一系列的所述时间光子数分布图；

基于所述一系列的时间光子数分布图，实现对所述目标的三维重构。

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