CN112946688B - 新型光子计数激光雷达3d成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型光子计数激光雷达3D成像方法及装置，该装置包括包括激光器、多阳极MCP‑PMT阵列、收发光学系统、振镜扫描装置、反射镜组、DMD、光子计数模块和控制与数据处理器。本发明成像方法以压缩感知为基本理论框架，结合光子计数激光雷达系统，以多阳极MCP‑PMT作为单光子探测器，获取光子飞行时间信息和光子数目信息，利用压缩感知重构算法反演重构出高质量图像，结合光子飞行时间信息实现3D目标的成像，具有大面阵、高灵敏度、采样简单快速、重构数据量小、超快时间响应、抗强磁场干扰、成像质量高等特点，大大提升了采样速率和成像质量，特别适合于暗弱目标的探测及3D成像。

Description

新型光子计数激光雷达3D成像方法及装置

技术领域

本发明涉及光子计数激光雷达3D成像技术领域，特别涉及一种新型光子计数激光雷达3D成像装置。

背景技术

传统激光雷达由于其重量、体积以及功耗都比较大，系统探测效率低，灵敏度低，并且易受到外部环境影响，应用范围有限。基于光子计数探测的激光雷达改善了传统激光雷达的这些缺点，应用具有光子灵敏度的探测器可实现暗弱目标的探测，在深空探测、航空航天以及夜间目标识别等领域有着优越的性能，逐渐成为新型激光测距3D成像研究的热点。在光子计数激光雷达的成像领域，首先，对于极其微弱的照明条件下对远距离目标成像时，信号的获取容易受到多种噪声的影响，使得光子计数激光雷达探测目标的回波利用率不高。其次，对于大的目标场景的重建会存在巨大的内存占用问题和计算复杂度问题。最后，由于大多数单光子成像系统的成像面积非常小，致使系统成像的量子效率低下，噪声影响严重。

针对现存的这些问题，提出一种基于压缩感知的光子计数激光雷达3D成像系统，采用多阳极MCP-PMT阵列作为单光子探测器，具有单光子探测灵敏度、高量子效率、大探测面、较小时间弥散等优点，因此能够提高目标回波的利用效率，实现更远距离，更加暗弱目标的探测。传统的光子计数激光雷达成像系统的采样方式是遵循Nyquist采样定理，要求信号采样速率是信号带宽的2倍才能精确重构信号，使得采样数据非常多并且含有大多冗余信号，不利于采集且在存储和传输时为了降低硬件存储压力又对其进行压缩，存在有采样速度慢、采集数据量大、效率低下，以及所用的单光子探测器的探测面阵小、灵敏度低、回波利用效率低等问题。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种能提升目标回波的利用效率，提高数据采集速度，减小重构所需要的数据量，实现更远距离、更加暗弱目标的探测，更高效率、更高质量的目标成像的新型光子计数激光雷达3D成像方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

一种新型光子计数激光雷达3D成像方法，其包括以下步骤：

(1)激光器发出激光脉冲进入收发光学系统；

(2)收发光学系统将激光器发出的激光脉冲处理成均匀的平行激光，并将平行激光分成两束激光，其中一束激光入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块，另一束激光经过反射镜组、DMD以及振镜扫描装置照射到目标表面；

(3)照射到目标表面的激光回波经过振镜扫描装置的收集返回入射到DMD，此时DMD收到控制与数据处理器发回的同步信号开始加载编码信息，被DMD编码调制的信息将返回到收发光学系统处理后入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个结束计时信号反馈至光子计数模块；

(4)由光子计数模块的分析处理获得被调制的每个光子飞行时间和光子的数目，此时光子的总数目便为本次测量被调制的总光强，光子飞行时间是本次测量对应的每个光子从目标处到探测端行走距离所需要的时间，并将光子飞行时间和光子数目收集保存至控制与数据处理器；

(5)经过多次测量获得多个被调制的测量值和多组光子飞行时间，将多组光子飞行时间归并，依据一定的需求量化，多个测量值经过压缩感知重构算法获得高质量的重构图像，融入光子飞行时间形成点云数据，然后经过点云重构算法实现3D目标重构。

作为本发明的一种优选方案，所述收发光学系统包括扩束器、第一半波片、第二半波片、四分之一波片、偏振分束棱镜和光纤耦合器；激光器发出激光脉冲进入扩束器，通过该扩束器将该激光脉冲处理成为均匀的平行激光，然后通过第一半波片的旋转来调整激光的偏振方向，以配合后端的偏振分束棱镜；平行激光进入偏振分束棱镜被分成两束激光，其中一束激光通过光纤耦合器入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块；另一束激光依次经过四分之一波片、第二半波片、反射镜组、DMD以及振镜扫描装置才照射到目标表面。

作为本发明的一种优选方案，通过调整所述四分之一波片和第二半波片的旋转角度来减小后向散射增大接收到的回波能量，通过调整振镜扫描装置来控制出射激光按指定的角度进行扫描，以完成对目标场景的面阵扫描。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤(3)选用哈达玛矩阵作为测量编码矩阵，输入到DMD中作为编码模板实现对目标图像的调制。

作为本发明的一种优选方案，搭建DMD调试光路进行初步调试，DMD通过USB连接到控制与数据处理器，连续发送编码模板控制微镜翻转来调制光信号，所述控制与数据处理器通过同步线连接或者同步指令来实现对多阳极MCP-PMT阵列、激光器、光子计数模块以及DMD的工作状态进行控制。

一种新型光子计数激光雷达3D成像装置，其包括激光器、多阳极MCP-PMT阵列、收发光学系统、振镜扫描装置、反射镜组、DMD、光子计数模块和控制与数据处理器，激光器发出激光脉冲，收发光学系统将激光器发出的激光脉冲处理成均匀的平行激光，并将平行激光分成两束激光，其中一束激光入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块，另一束激光经过反射镜组、反射镜组、DMD以及振镜扫描装置照射到目标表面；照射到目标表面的激光回波经过振镜扫描装置的收集返回入射到DMD，此时DMD收到控制系统发回的同步信号开始加载编码信息，被DMD编码调制的信息将返回到收发光学系统处理后入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个结束计时信号反馈至光子计数模块，由光子计数模块的分析处理获得被调制的每个光子飞行时间和光子的数目，并收集保存至控制与数据处理器，由控制与数据处理器进行分析运算实现3D目标重构。

作为本发明的一种优选方案，所述收发光学系统包括扩束器、第一半波片、第二半波片、四分之一波片、偏振分束棱镜和光纤耦合器，所述扩束器、第一半波片和偏振分束棱镜沿第一光轴方向依次排列设置，所述光纤耦合器、偏振分束棱镜、四分之一波片和第二半波片沿第二光轴方向依次排列设置，所述第一光轴和第二光轴之间呈一定夹角。

作为本发明的一种优选方案，所述第一光轴和第二光轴的之间夹角为90度。

作为本发明的一种优选方案，所述反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜在第一光轴上，所述第二反射镜设置在所述DMD的一侧位置。

作为本发明的一种优选方案，所述振镜扫描装置包括扫描振镜和设置在该扫描振镜前方的镜头。

本发明的有益效果为：本发明新型光子计数激光雷达3D成像方法以压缩感知为基本理论框架，结合光子计数激光雷达系统，以多阳极MCP-PMT作为单光子探测器，获取光子飞行时间信息和光子数目信息，利用压缩感知重构算法反演重构出高质量图像，结合光子飞行时间信息实现3D目标的成像。本发明新型光子计数激光雷达3D成像装置结构设计合理，具有大面阵、高灵敏度、采样简单快速、重构数据量小、超快时间响应、抗强磁场干扰、成像质量高等特点，在一定程度上提升了采样速率和成像质量，并且适合于暗弱目标的探测及3D成像，利用范围广。

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的工作步骤流程图。

图3为本发明中压缩感知采集测量流程图。

图4为每个时间戳下的光子数目示意图。

具体实施方式

参见图1至图4，本实施例提供的一种新型光子计数激光雷达3D成像装置，其包括激光器1、多阳极MCP-PMT阵列2、收发光学系统、振镜扫描装置、反射镜组、DMD3、光子计数模块17和控制与数据处理器4。所述控制与数据处理器4优选为预装有LabView的工控机。所述激光器1优选为高重频脉冲激光器，能满足较高的能量和较高的重复频率。优选多阳极MCP-PMT阵列2来作为探测器，能实现更微弱或者更远距离的目标探测。

为方便操作，可以同时将所述激光器1、多阳极MCP-PMT阵列2、收发光学系统、振镜扫描装置、反射镜组、DMD3和控制与数据处理器4设置在工作台上，并在工作台上设有能将所述激光器1、多阳极MCP-PMT阵列2、收发光学系统、振镜扫描装置、反射镜组、DMD3和控制与数据处理器4罩住的隔光罩。通过隔光罩来减小外界杂光的影响。

具体的，所述收发光学系统包括扩束器5、第一半波片6、第二半波片7、四分之一波片8、偏振分束棱镜9和光纤耦合器10，所述扩束器5、第一半波片6和偏振分束棱镜9沿第一光轴方向依次排列设置，所述光纤耦合器10、偏振分束棱镜9、四分之一波片8和第二半波片7沿第二光轴方向依次排列设置，所述第一光轴和第二光轴之间呈一定夹角。所述第一光轴和第二光轴的之间夹角优选为90度。所述光纤耦合器10和多阳极MCP-PMT阵列2通过光纤15进行连接。

参见图1，所述反射镜组包括第一反射镜11和第二反射镜12，其中所述第一反射镜11位于第一光轴上，所述第二反射镜12设置在所述DMD3的一侧位置。通过第一反射镜11和第二反射镜12相配合，确保激光束的传导。

所述振镜扫描装置包括扫描振镜13和设置在该扫描振镜13前方的镜头14，能实现通过振镜扫描方式完成对大范围目标场景的扫描获取。

工作时，本发明的新型光子计数激光雷达3D成像装置的成像方法如下：

激光器1发出激光脉冲进入扩束器5，扩束器5将激光器1发出的激光脉冲处理成均匀的平行激光，然后通过第一半波片6的旋转来调整激光的偏振方向，以配合后端的偏振分束棱镜9；平行激光进入偏振分束棱镜9被分成两束激光，其中一束激光通过光纤耦合器10入射到多阳极MCP-PMT阵列2形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块17；另一束激光依次经过四分之一波片8、第二半波片7、第一反射镜11、第二反射镜12、DMD3、扫描振镜13以及镜头14才照射到目标表面；可以通过调整所述四分之一波片8和第二半波片7的旋转角度来减小后向散射增大接收到的回波能量，通过调整振镜扫描装置来控制出射激光按指定的角度进行扫描，以完成对目标场景的面阵扫描。

照射到目标表面的激光回波经过振镜扫描装置的收集返回入射到DMD3，此时DMD3收到所述控制与数据处理器4发回的同步信号开始加载编码信息，被DMD编码调制的信息将返回到收发光学系统处理后入射到多阳极MCP-PMT阵列2形成一个结束计时信号反馈至光子计数模块17；具体实施中，可以选用哈达玛矩阵作为测量编码矩阵，输入到DMD3中作为编码模板实现对目标图像的调制；首先搭建DMD调试光路进行初步调试，DMD3通过USB连接到控制与数据处理器4，连续发送编码模板控制微镜翻转来调制光信号，通过控制与数据处理器4或操作LabView，通过同步线连接或者同步指令来实现对多阳极MCP-PMT阵列2、激光器1、光子计数模块17以及DMD3的工作状态进行控制。

所述开始计时信号和结束计时信号优选通过MCP-PMT后置电路模块16进行处理转化成TTL电平信号，以适合于后端电路模块的读取，使得光子计数模块17能准确识别开始与结束的脉冲信号；由光子计数模块17的分析处理获得被调制的每个光子飞行时间和光子的数目，此时光子的总数目便为本次测量被调制的总光强，光子飞行时间是本次测量对应的每个光子从目标处到探测端行走距离所需要的时间，并将光子飞行时间和光子数目收集保存至控制与数据处理器4；同理，经过M(M<<N)次测量获得M个被调制的测量值和M组光子飞行时间，将M组光子飞行时间归并，依据一定的需求量化，M个测量值则经过压缩感知重构算法获得高质量的重构图像，融入光子飞行时间形成点云数据，然后经过点云重构算法实现3D目标重构。

参见图3，为压缩感知采集测量流程图，对于N*N的目标图像探测，需要根据采样率确定采样次数M，由激光器1照射目标成像映射在数字微镜设备DMD上被编码模板调制，其中编码模板图像是由测量矩阵Φ的一行Φ_i重组的，并且输入到DMD的微镜中来对目标信号X进行编码调制：Y＝ΦX，每一次探测采集的数据是一个被调制后的强度值y_i＝Φ_iX＝φ_i1x₁+φ_i2x₂+φ_i3x₃+……+φ_iNx_N，其中X＝{x₁，x₂，x₃，……，x_N}，M次探测之后这些强度值便用于压缩感知重构端作为重构算法的测量值Y＝{y₁，y₂，y₃，……，y_m}，从而实现压缩感知成像。

在激光雷达3D成像中，得到每个光子的飞行时间t_i以及每次探测的光子总数目，每个光子能量约为2.5ev(可见光的一个光子能量E＝hc/λ＝3.98x10^(-19)J～＝2.5eV，其中h＝6.63x10^(-34)为普朗克常量，c＝3x10^8m/s为光速，λ为光的波长)，那么可认为每次测量的总光子数目为本次探测的总光子能量值，由于这些光子都是经过DMD的编码模板测量矩阵Φ调制过的，所以每一个测量值y_i＝Φ_iX为各个光子的能量叠加即总光子数目。

当得到M个测量值后，应用压缩感知重构算法反演重构出2D强度图像：

minmize||x||₁ subjectto:||Φx-y||₂≤ε；

应用光子飞行时间即可得到每个光子对应的距离d_i＝c*t_i/2。完成所有测量后得到的每个时间戳均对应了相应的的光子数目，将测得的所有时间戳相连接，对应的光子数目相积累，可以得到每个时间戳下的光子总数分布，即可得到对应的距离图像，如图4所示。距离图像结合强度图像即可实现3D目标重建。本发明新型光子计数激光雷达3D成像方法以压缩感知为基本理论框架，结合光子计数激光雷达系统，以多阳极MCP-PMT作为单光子探测器，增大了光信号的接收面阵和探测效率，从而提高了目标信号的回波效率和成像信噪比，在获取光子飞行时间信息和光子数目信息后，利用压缩感知重构算法反演重构出高质量图像，结合光子飞行时间信息实现3D目标的成像，具有大面阵、高灵敏度、采样简单快速、重构数据量小、超快时间响应、抗强磁场干扰、成像质量高等特点。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似的其它方法和装置，均在本发明保护范围内。

Claims (8)

1.一种新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)激光器发出激光脉冲进入收发光学系统；

(2)收发光学系统将激光器发出的激光脉冲处理成均匀的平行激光，并将平行激光分成两束激光，其中一束激光入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块，另一束激光经过反射镜组、DMD以及振镜扫描装置照射到目标表面；

(3)照射到目标表面的激光回波经过振镜扫描装置的收集返回入射到DMD，此时DMD收到控制与数据处理器发回的同步信号开始加载编码信息，被DMD编码调制的信息将返回到收发光学系统处理后入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个结束计时信号反馈至光子计数模块；

(4)由光子计数模块的分析处理获得被调制的每个光子飞行时间和光子的数目，此时光子的总数目便为本次测量被调制的总光强，光子飞行时间是本次测量对应的每个光子从目标处到探测端行走距离所需要的时间，并将光子飞行时间和光子数目收集保存至控制与数据处理器；

(5)经过多次测量获得多个被调制的测量值和多组光子飞行时间，将多组光子飞行时间归并，依据一定的需求量化，多个测量值经过压缩感知重构算法获得高质量的重构图像，融入光子飞行时间形成点云数据，然后经过点云重构算法实现3D目标重构；

所述收发光学系统包括扩束器、第一半波片、第二半波片、四分之一波片、偏振分束棱镜和光纤耦合器；激光器发出激光脉冲进入扩束器，通过该扩束器将该激光脉冲处理成为均匀的平行激光，然后通过第一半波片的旋转来调整激光的偏振方向，以配合后端的偏振分束棱镜；平行激光进入偏振分束棱镜被分成两束激光，其中一束激光通过光纤耦合器入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块；另一束激光依次经过四分之一波片、第二半波片、反射镜组、DMD以及振镜扫描装置才照射到目标表面。

2.根据权利要求1所述的新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，通过调整所述四分之一波片和第二半波片的旋转角度来减小后向散射增大接收到的回波能量，通过调整振镜扫描装置来控制出射激光按指定的角度进行扫描，以完成对目标场景的面阵扫描。

3.根据权利要求1所述的新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，所述步骤(3)选用哈达玛矩阵作为测量编码矩阵，输入到DMD中作为编码模板实现对目标图像的调制。

4.根据权利要求3所述的新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，搭建DMD调试光路进行初步调试，DMD通过USB连接到控制与数据处理器，连续发送编码模板控制微镜翻转来调制光信号，所述控制与数据处理器通过同步线连接或者同步指令来实现对多阳极MCP-PMT阵列、激光器、光子计数模块以及DMD的工作状态进行控制。

5.一种新型光子计数激光雷达3D成像装置，其特征在于，其包括激光器、多阳极MCP-PMT阵列、收发光学系统、振镜扫描装置、反射镜组、DMD、光子计数模块和控制与数据处理器，激光器发出激光脉冲，收发光学系统将激光器发出的激光脉冲处理成均匀的平行激光，并将平行激光分成两束激光，其中一束激光入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块，另一束激光经过反射镜组、反射镜组、DMD以及振镜扫描装置照射到目标表面；照射到目标表面的激光回波经过振镜扫描装置的收集返回入射到DMD，此时DMD收到控制系统发回的同步信号开始加载编码信息，被DMD编码调制的信息将返回到收发光学系统处理后入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个结束计时信号反馈至光子计数模块，由光子计数模块的分析处理获得被调制的每个光子飞行时间和光子的数目，并收集保存至控制与数据处理器，由控制与数据处理器进行分析运算实现3D目标重构；

所述收发光学系统包括扩束器、第一半波片、第二半波片、四分之一波片、偏振分束棱镜和光纤耦合器，所述扩束器、第一半波片和偏振分束棱镜沿第一光轴方向依次排列设置，所述光纤耦合器、偏振分束棱镜、四分之一波片和第二半波片沿第二光轴方向依次排列设置，所述第一光轴和第二光轴之间呈一定夹角。

6.根据权利要求5所述的新型光子计数激光雷达3D成像装置，其特征在于，所述第一光轴和第二光轴的之间夹角为90度。

7.根据权利要求5所述的新型光子计数激光雷达3D成像装置，其特征在于，所述反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜在第一光轴上，所述第二反射镜设置在所述DMD的一侧位置。

8.根据权利要求5所述的新型光子计数激光雷达3D成像装置，其特征在于，所述振镜扫描装置包括扫描振镜和设置在该扫描振镜前方的镜头。