CN112965079B - 一种基于msm探测的amcw远距离激光成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像方法及系统，属于激光成像领域。本发明是为了解决MSM自混频探测器不能实现远距离成像的问题。本发明利用MSM光电探测器采集目标的激光反射信号；MSM光电探测器所接收到来自某一距离Ri处反射的光子的光强I(i)；将调制信号的相位每次减少π/2，分别得到I1(i)，I2(i)，I3(i)，进而得到距离Ri以及Ri处光子反射的概率p(Ri)；经过多次测量，得到p(Ri)关于Ri的变化曲线，然后根据探测概率与此处目标反射强度得到Ri处光子强度值；最后根据Ri处光子强度值P(Ri)得到目标的激光成像。主要用于目标的激光成像。
Description
技术领域
本发明属于激光成像领域，具体涉及一种激光成像方法及系统。
背景技术
面阵MSM自混频探测器是一种可国产化的表面成像器件。由于表面载流子渡越时间短，具有高速成像能力。目前主要应用于调频连续波(FMCW)非相干方法。FMCW非相干激光成像方法是将激光的振幅调制为频率线性变化的啁啾信号，通过本振信号与回波产生的光电流信号的频率差获取光子飞行时间实现测距的一种电混频激光成像方法。该方法由于扫频带宽较大，高频信号衰减导致外差混频效率不高(经测试仅有0.2％)，严重影响了探测距离，导致成像距离仅有220米。这对于激光成像的远距离应用(探测距离要求公里级)，是很大的短板。如将扫频信号的宽度降低，确实可以改善外差混频效率，但使得距离分辨率大大降低，得不偿失。
发明内容
本发明是为了解决MSM自混频探测器不能实现远距离成像的问题。现提供一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像方法。
一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像方法，包括以下步骤：
利用MSM光电探测器采集目标的激光反射信号；在时间Δt内，MSM光电探测器所接收到来自某一距离Ri处反射的光子的光强记为I(i)；
将调制信号的相位每次减少π/2，分别得到I1(i)，I2(i)，I3(i)；并基于I1(i)、I2(i)、I3(i)得到距离Ri以及Ri处光子反射的概率p(Ri)；经过多次测量，得到p(Ri)关于Ri的变化曲线，峰值处为Ri探测目标的距离值；
然后根据探测概率与此处目标反射强度得到Ri处光子强度值；最后根据Ri处光子强度值P(Ri)得到目标的激光成像。
进一步地，所述MSM光电探测器所接收到来自某一距离Ri处反射的光子的光强如下：
其中，c为光速；p(Ri)为Ri处光子反射的概率；f为频率；Bi为噪声。
进一步地，基于I1(i)、I2(i)、I3(i)得到距离Ri以及Ri处光子反射的概率p(Ri)如下：
进一步地，所述根据探测概率与此处目标反射强度得到Ri处光子强度值如下：
P(Ri)＝PT·p(Ri)
其中，PT为回波总强度，即目标反射强度。
一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像系统，所述系统用于执行一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像方法。
有益效果：
本发明所述方法能够解算出目标的强度像和距离像。由于其采用单频相干成像，所以规避了扫频频段宽度造成的信号衰减，混频效率可达40％以上，从而提高了回波信号，增大了探测距离。与传统的FMCW非相干方法相比较，同等条件下，距离可从220米提升到3公里以上，可满足面阵激光远距离成像需求。
附图说明
图1为MSM面阵探测AMCW方法成像原理示意图；
图2为透过性环境目标成像模型；
图3为面阵中单像元多目标成像模型；
图4为距离分辨率随频率及强度级变化规律。
具体实施方式
具体实施方式一：
本实施方式为一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像方法，即应用MSM面阵探测器进行AMCW成像的方法，是一种激光连续波外差成像方法。其成像原理图如图1所示。
调幅连续波AMCW是将激光的振幅调制为单一频率的正弦(或者脉冲串)信号，通过本振信号与接收光产生的光电流信号的相位差来获取光子飞行时间实现测距的一种成像方法。该方法可以避免由于带宽较大造成的高频衰减问题。但是，目前该方法所应用的传感器存在成像死时间较长，不能实现高速成像。导致虽然在近距离或实验室内，成像结果较为准确，但在远距离大气背景下或者水下等透过性环境背景(指光在传播路径中产生散射或者多个透过性目标反射)时对进行目标成像，就会严重影响距离像的准确性。且激光响应波段为808nm(无放大器)，不易获得较大功率的激光输出，限制了成像距离。
本实施方式所述的一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像方法，包括以下步骤：
由于MSM光电探测器属于表面器件，光电子在其表面的渡越时间极端，因此可以响应较高的成像频率，具有较高的成像速度。在极短的时间Δt内，考虑探测器所接收到来自某一距离Ri处反射的光子的光强：
其中，c为光速；p(Ri)为Ri处光子反射的概率；f为频率；Bi为噪声；
将调制信号的相位每次减少π/2，分别得到I1(i)，I2(i)，I3(i)；
基于I1(i)、I2(i)、I3(i)得到距离Ri以及Ri处光子反射的概率p(Ri)：
多次测量，会得到p(Ri)关于Ri的变化曲线，峰值处为Ri探测目标的距离值，如图2和图3所示；
本发明得到的距离值应为与背景散射及目标反射有关的一种分布。而经典AMCWToF相机中所用的MSM面阵探测器不具备高速成像能力，所求得的距离为平均值，因此影响透过性环境(大气，水下等环境)中的目标成像准确性。图2和图3分别表示透过性环境中目标成像及同像元多目标成像情况中，当前ToF相机与MSM器件获得距离像的对比图。
而探测概率与此处目标反射强度成正比，Ri处光子强度值为：
P(Ri)＝PT·p(Ri) (4)
其中，PT为回波总强度，即目标反射强度；
根据Ri处光子强度值P(Ri)得到目标的激光成像。
本发明得到目标的激光成像的距离分辨率为：
其中，N为MSM探测器的探测强度级。
距离分辨率随频率及强度级变化规律如图4所示。
本发明所述方法能够解算出目标的强度像和距离像。由于其采用单频相干成像，所以规避了扫频频段宽度造成的信号衰减，混频效率可达40％以上，从而提高了回波信号，增大了探测距离。与传统的FMCW非相干方法相比较，同等条件下，距离可从220米提升到3公里以上，可满足面阵激光远距离成像需求。
而且，本发明还能够解决在透过性环境中的成像准确性差问题，使之适应于远距离激光成像应用，本发明即使在透过性环境中也能够准确的成像。此外，MSM面阵探测器基底材料(GaAs/InGaAs)不同，激光波长可拓展为532nm/1550nm，较易产生高功率激光输出，易将应用领域拓展为水下及空间远距离成像领域，将对于面阵远距离激光外差成像领域具有推动作用。
具体实施方式二：
本实施方式为一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像系统，用于执行一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像方法。
Claims (5)
1.一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用MSM光电探测器采集目标的激光反射信号；在时间Δt内，MSM光电探测器所接收到来自某一距离Ri处反射的光子的光强记为I(i)；
将调制信号的相位每次减少π/2，分别得到I1(i)，I2(i)，I3(i)；并基于I1(i)、I2(i)、I3(i)得到距离Ri以及Ri处光子反射的概率p(Ri)；经过多次测量，得到p(Ri)关于Ri的变化曲线，峰值处为Ri探测目标的距离值；
然后根据探测概率与此处目标反射强度得到Ri处光子强度值；最后根据Ri处光子强度值P(Ri)得到目标的激光成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像方法，其特征在于，所述MSM光电探测器所接收到来自某一距离Ri处反射的光子的光强如下：
其中，c为光速；p(Ri)为Ri处光子反射的概率；f为频率；Bi为噪声。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像方法，其特征在于，基于I1(i)、I2(i)、I3(i)得到距离Ri以及Ri处光子反射的概率p(Ri)如下：
4.根据权利要求3所述的一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像方法，其特征在于，所述根据探测概率与此处目标反射强度得到Ri处光子强度值如下：
P(Ri)＝PT·p(Ri)
其中，PT为回波总强度，即目标反射强度。
5.一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像系统，其特征在于，所述系统用于执行权利要求1至4之一所述的一种基于MSM探测的AMCW远距离激光成像方法。
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