CN115079203A - 一种非视域成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种非视域成像系统及成像方法，用以解决目前基于飞行时间的非视域成像技术存在的光能利用率低及信噪比低的技术问题。本系统包括偏振激光器、偏振分束器、法拉第旋光器、电控扫描模块、中介面、探测器及采集处理单元；偏振分束器、法拉第旋光器、电控扫描模块、中介面依次位于激光出射光路上；中介面用于将激光散射到达待测目标，经待测目标反射后返回；中介面、电控扫描模块、法拉第旋光器、偏振分束器以及探测器依次位于待测目标的返回光路上；采集处理单元分别与偏振激光器及探测器电连接。本方法通过偏振光配合偏振分束器，使入射光和返回光在经过偏振分束器后全部反射或透射，有效减少了系统的光能损失。
Description
技术领域
本发明属于非视域成像领域，具体涉及一种非视域成像系统及成像方法，可用于需要对拐角进行成像的解救人质和自动驾驶等领域。
背景技术
非视域成像技术是对传统光学视场范围外的目标进行成像探测的技术，通过主动发光，经过中介面散射之后，极少部分光到达目标并反射之后，经由中介面二次散射，最终被探测器接收，进行数据处理之后对目标进行形状、反射率等信息复原的技术。该技术突破了传统光学成像系统的视场极限，能够对视域外的目标进行探测，在紧急救援、自动驾驶等领域具有极其重要的应用价值。
非视域成像技术主要包括以下三类：
1、基于相干调制的非视域成像方法，待测目标的大部分光学信息经过被作为遮挡物的中继墙的散射后基本难以保存，但是其相干特性依然保留了下来。散斑图是相干光干涉所产生的强度波动，编码了隐藏场景的图像信息，基于散斑相关性的“记忆效应”，通过视觉上不透明的层和绕过遮挡物的图像进行分辨率有限的探测，但是其视场比较受限。
2、基于强度成像的非视域成像方法，依靠光传输矩阵和遮挡物位置估计进行目标场景重建，该技术成本低，操作简单，无需复杂的遮挡校准、主动照明、时间分辨率和运动部件。但是对复杂图像难以重构且分辨率较低。
3、基于飞行时间的非视域成像方法，使用超快脉冲激光和高时间分辨率的条纹相机，通过计算光子的飞行时间作为重建算法的核心，解码两次漫反射和一次反射后的时间信息。基于飞行时间的技术能够解析携带隐藏场景的深度信息，是目前应用最为广泛的非视域成像方式。在基于光子飞行时间的非视域成像技术中，激光器与分束器配合后，一半的光发生透射，一半的光发生反射，其中只有反射光或者透射光中的一路可以进入到后续的电控扫描模块，从而在光束发射过程就损失了50％的光强。在收光过程中，由电控扫描模块收回的光传输到分束器时，一半的光透射或者反射进入探测器，成为了探测器接收到的有效的目标光，而另一半则返回到激光器，干扰照明系统，并对激光器产生不可逆的损伤，此过程中，返回光又将丢失50％的光强，即系统的有效光能利用率将不超过25％。光能利用率的降低不仅使系统对主动照明光源(激光)的强度的要求大大提升，而且在实际应用中，激光强度过高将大大威胁安全问题，另一方面，该技术在收光过程中存在较大的环境光噪声，从而增加了基于飞行时间的非视域成像技术使用化推广的难度。因此，提高系统的光能利用率和信噪比，成为了基于飞行时间的非视域成像技术亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决目前基于飞行时间的非视域成像技术存在的光能利用率低及信噪比低的技术问题，而提供一种非视域成像系统及成像方法。
一种非视域成像系统，其特殊之处在于，包括偏振激光器、偏振分束器、法拉第旋光器、电控扫描模块、中介面、探测器及采集处理单元；
所述偏振分束器、法拉第旋光器、电控扫描模块、中介面依次位于偏振激光器的激光出射光路上；
所述中介面用于将激光散射，在障碍物的遮挡下部分散射光到达待测目标，再经待测目标反射后返回；
所述中介面、电控扫描模块、法拉第旋光器、偏振分束器以及探测器依次位于待测目标的返回光路上；
所述采集处理单元分别与偏振激光器、探测器电连接，用于采集偏振激光器发射的重复频率信号和探测器发出的光子计数信号，并通过反演进行光学图像复原和反射率复构，完成非视域的待测目标成像。
本发明还提供一种非视域成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)调整偏振激光器的出射光为竖直偏振态或水平偏振态；
2)根据待测目标和遮挡待测目标的障碍物的位置确定中介面，所述中介面为位于待测目标反射光路上的平面；
3)发光过程：偏振激光器的出射光入射至偏振分束器，经偏振分束器进入法拉第旋光器，经法拉第旋光器改变振动方向后，进入到电控扫描模块，通过电控扫描模块控制光束传输方向并对中介面进行扫描，光束到达中介面后发生散射，部分光束达到待测目标；
收光过程：待测目标对接收到的光束发生反射，到达中介面后通过中介面发生散射，部分光束经过电控扫描模块到达法拉第旋光器，经法拉第旋光器改变振动方向，成为水平偏振光或竖直偏振光，经偏振分束器后到达探测器，探测器进行光电转换；
4)利用采集处理单元采集偏振激光器发射的重复频率信号和探测器发出的光子计数信号，获取光子飞行时间，进而反演进行光学图像复原和反射率复构，完成非视域的待测目标成像。
进一步地，步骤1)中，当调整偏振激光器的出射光为竖直偏振态时，步骤3)具体为：
发光过程：偏振激光器的出射光以竖直偏振态垂直入射至偏振分束器，经偏振分束器全部反射进入法拉第旋光器，经法拉第旋光器改变振动方向后，进入到电控扫描模块，通过电控扫描模块控制光束传输方向并对中介面进行扫描，光束到达中介面后发生散射，部分光束传输至待测目标；
收光过程：待测目标对接收到的光束发生反射，到达中介面后通过中介面发生散射，部分光束经过电控扫描模块到达法拉第旋光器，经法拉第旋光器改变振动方向，成为水平偏振光，经偏振分束器全部透射后到达探测器，探测器进行光电转换。
进一步地，步骤1)中，当调整偏振激光器的出射光为水平偏振态时，步骤3)具体为：
发光过程：偏振激光器的出射光以水平偏振态垂直入射至偏振分束器，经偏振分束器全部透射进入法拉第旋光器，经法拉第旋光器改变振动方向后，进入到电控扫描模块，通过电控扫描模块控制光束传输方向并对中介面进行扫描，光束到达中介面后发生散射，部分光束传输至待测目标；
收光过程：待测目标对接收到的光束发生反射，到达中介面后通过中介面发生散射，部分光束经过电控扫描模块到达法拉第旋光器，经法拉第旋光器改变振动方向，成为竖直偏振光，经偏振分束器全部反射后到达探测器，探测器进行光电转换。
进一步地，所述偏振激光器采用超快式皮秒脉冲激光器。
进一步地，所述探测器采用单光子雪崩二极管。
本发明相比于现有技术的有益效果为：
1、本发明提供的一种非视域成像系统，相比于传统的共轴发射和接收系统带来的光能量损失，本发明采用偏振激光器引入偏振光，结合偏振分束器和法拉第旋光器，使经过偏振分束器的光全部反射或者全部透射，有效减少了光的损失，提高了系统的光能利用率。
2、本发明提供的一种非视域成像方法，在发光过程中，采用偏振激光器引入偏振光，和偏振分束器相互配合，使得激光器的出射光在经过偏振分束器之后全部反射或者全部透射，有效减少了发射光的损失，提高了系统的光能利用率；在收光过程中，返回光经过偏振分束器透射或者反射，从而全部进入到探测器中，减少了分束器造成的返回偏振激光器的光束能量，从而进一步提高了系统的光能利用率。
3、本发明提供的一种非视域成像方法，将探测器放置在偏振分束器之后，通过偏振滤除了50％的自然光等环境光噪声，减少了系统收光过程中接收到的自然杂散光，提高了系统的信噪比。
4、本发明提供的一种非视域成像方法，突破了传统基于飞行时间的非视域成像方法的弊端，对被遮挡的待测目标进行光学图像复原和反射率复构，为非视域成像技术的进一步推广和工程化做出了巨大贡献，在解救人质、无人驾驶等领域具有重大作用。
5、本发明提供的一种非视域成像方法，偏振激光器采用超快式皮秒激光器，可以满足非视域成像激光重复发射频率的要求，性价比较高。
6、本发明提供的一种非视域成像方法，探测器采用单光子雪崩二极管，用以保证非视域成像过程中要求的探测的高灵敏度。
附图说明
图1为本发明一种非视域成像系统实施例的结构示意图(未显示采集处理单元)；
图2为本发明实施例中法拉第旋光器对发射和接收光能时的偏振态改变示意图；
图3为本发明方法实施例中发光过程示意图；
图4为本发明方法实施例中收光过程示意图。
具体附图标记如下：
1-偏振激光器；2-偏振分束器；3-法拉第旋光器、4-电控扫描模块；5-中介面；6-待测目标；7-探测器；8-障碍物。
具体实施方式
为使本发明的优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种非视域成像系统，包括偏振激光器1、偏振分束器2、法拉第旋光器3、电控扫描模块4、中介面5、探测器7以及采集处理单元。偏振分束器2、法拉第旋光器3、电控扫描模块4、中介面5依次位于偏振激光器2的激光出射光路上；中介面5用于将激光散射，在障碍物8的遮挡下部分散射光到达待测目标6，再经待测目标6反射后返回；中介面5、电控扫描模块4、法拉第旋光器3、偏振分束器2、探测器7依次位于待测目标6的返回光路上。中介面5通常选择待测目标6附近的墙或者地板等物体。探测器7为光电转换探测器。采集处理单元包括计数板和数据处理模块，计数板分别与偏振激光器和探测器电连接，用于采集偏振激光器1发射的重复频率信号和探测器7发出的光子计数信号，两组信号通过数据处理模块获取光子飞行时间，并通过反演进行光学图像复原和反射率复构，完成非视域的待测目标成像。上述待测目标6的返回光路为待测目标6的反射光路。
非视域成像系统的发光光路(激光的出射光路)为：偏振激光器1发出的激光经由偏振分束器2全部反射或透射进入法拉第旋光器3，法拉第旋光器3调整振动方向后进入到电控扫描模块4，通过电控扫描模块4控制光束传输方向和速度后光束到达中介面5，经中介面5散射后，部分光束达到待测目标6。
非视域成像系统的收光光路(待测目标6的返回光路)为：待测目标6对接收到的光束进行反射后，到达中介面5，经过中介面5散射之后，部分光束通过电控扫描模块4到达法拉第旋光器3，法拉第旋光器3调整振动方向后经过偏振分束器2全部透射或反射，到达探测器7。
本实施例中，偏振激光器1的出射光以竖直偏振态入射，发光光路中光束经过偏振分束器2后全部反射进入法拉第旋光器3，经法拉第旋光器3振动方向顺时针旋转45°；收光光路中返回光经法拉第旋光器3振动方向顺时针旋转45°，调整为水平偏振态的光束，经过偏振分束器2后全部透射到探测器7。
在其他实施例中，也可以设计为偏振激光器1的出射光以水平偏振态入射，发光光路的光束经过偏振分束器2后全部透射进入法拉第旋光器3，收光光路中法拉第旋光器3调整为竖直偏振态的光束，经过偏振分束器2后全部反射到探测器7。
一种基于上述非视域成像系统的成像方法，具体包括以下步骤：
1)调整偏振激光器1的出射光为竖直偏振态或水平偏振态；
本实施例中偏振激光器1相对于偏振分束器2光束需全部反射，故将偏振激光器1的出射光调整为竖直偏振态。
2)根据待测目标6和遮挡待测目标6的障碍物8确定中介面5，使中介面5位于待测目标6反射光路上；中介面5通常选择待测目标6附近的墙或者马路等物体。
3)偏振激光器1的出射光以竖直偏振态垂直入射至偏振分束器2，发光过程如图3所示，偏振激光器1的出射光经偏振分束器2全部反射进入法拉第旋光器3，经法拉第旋光器3振动方向顺时针旋转45°，后进入到电控扫描模块4，通过电控扫描模块4控制光束传输方向和速度，并对中介面5进行扫描，光束到达中介面5后发生散射，部分光束传输至待测目标6；收光过程如图4所示，待测目标6对接收到的光束发生反射，到达中介面5后发生散射，部分光束经过电控扫描模块4到达法拉第旋光器3，经法拉第旋光器3后振动方向相应的顺时针旋转45°，成为水平偏振光，经偏振分束器2全部透射后到达探测器7，探测器7进行光电转换，输出电信号，图2为法拉第旋光器对发射和接收光能时的偏振态改变示意图。
在其他实施例中，当偏振激光器1的出射光以水平偏振态垂直入射至偏振分束器2时，发光过程为：偏振激光器1的出射光经偏振分束器2全部透射进入法拉第旋光器3，经法拉第旋光器3振动方向顺时针旋转45°，后进入到电控扫描模块4，通过电控扫描模块4控制光束传输方向和速度，并对中介面5进行扫描，光束到达中介面5后发生散射，部分光束传输至待测目标6；收光过程为：待测目标6对接收到的光束发生反射，到达中介面5后发生散射，部分光束经过电控扫描模块4到达法拉第旋光器3，经法拉第旋光器3振动方向相应的顺时针旋转45°，成为竖直偏振光，经偏振分束器2全部反射后到达探测器7，探测器7进行光电转换，输出电信号。
4)计数板分别采集探测器7发出的光子计数信号和偏振激光器1发射的重复频率信号，两组信号通过数据处理模块获取光子飞行时间，进而反演进行光学图像复原和反射率复构，隐藏的待测目标6的形状、深度、表面反射率等光学特性得到重构复原，非视域的待测目标6成像完成。计数板和数据处理模块可集成在一个计算机里。探测器7需要采用灵敏度极高的探测器，一般采用单光子雪崩二极管等探测器，并设置探测器7的死亡时间小于激光的脉冲周期，用于记录激光的脉冲信号；为满足高频计数，计数板采用高频计数板；为了快速发射激光，偏振激光器1采用超快式皮秒激光器，其发射的重复频率设置为MHz级别，通常设置为1MHz-10MHz；偏振激光器1发出完全偏振光，其脉冲带宽为Ps级。过程中，计数板也会接收到环境光噪声和或系统回波等干扰信号，本发明将探测器7设置在偏振分束器2之后，通过偏振滤除了50％的环境光噪声，提高了系统的信噪比。
本发明采用两方面的措施来提高光能利用率。一方面，采用偏振激光器1和偏振分束器2相互配合，具体为：偏振分束器2的分光特点为对水平偏振光发生透射，对竖直偏振光发生反射。在此情况下，将偏振激光器1的出射光调整为竖直偏振态或水平偏振态，使得激光器的出射光在经过偏振分束器2之后全部反射或全部透射，相比传统的基于光子飞行时间的非视域成像技术在光束发射过程就损失50％的光强，本发明有效减少了发射光的损失，提高了光能利用率。另一方面，采用法拉第旋光器3作为偏振调制模块，如图2所示，从偏振分束器2的出射光的振动方向为竖直振动，经过法拉第旋光器3后，光束的振动方向顺时针旋转45°；收光过程中，返回光的振动方向通过法拉第旋光器3顺时针旋转45°，成为了水平振动方向。水平振动的返回光则会透射经过偏振分束器2，从而全部进入到探测器7中，减少了分束器造成的返回偏振激光器1的光束能量，从而进一步提高了光能利用率。本发明提供的一种非视域成像系统的成像方法突破了传统基于飞行时间的非视域成像方法存在的弊端，对被遮挡的待测目标进行光学图像复原和反射率复构，为非视域成像技术的进一步推广和工程化做出了巨大贡献，在解救人质、无人驾驶等领域具有与重大作用。
本发明不考虑光束在与特定中介材质发生碰撞时或者在特殊天气环境时发生的偏振态改变，该优化方案在收光过程中对环境光噪声的抑制功能不受影响，不影响其信噪比的提升能力。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种非视域成像系统，其特征在于：
包括偏振激光器(1)、偏振分束器(2)、法拉第旋光器(3)、电控扫描模块(4)、中介面(5)、探测器(7)及采集处理单元；
所述偏振分束器(2)、法拉第旋光器(3)、电控扫描模块(4)、中介面(5)依次位于偏振激光器(2)的激光出射光路上；
所述中介面(5)用于将激光散射，在障碍物(8)的遮挡下部分散射光到达待测目标(6)，再经待测目标(6)反射后返回；
所述中介面(5)、电控扫描模块(4)、法拉第旋光器(3)、偏振分束器(2)以及探测器(7)依次位于待测目标(6)的返回光路上；
所述采集处理单元分别与偏振激光器(1)、探测器(7)电连接。
2.一种非视域成像方法，基于权利要求1的非视域成像系统，其特征在于，包括以下步骤：
1)调整偏振激光器(1)的出射光为竖直偏振态或水平偏振态；
2)根据待测目标(6)和遮挡待测目标(6)的障碍物(8)的位置确定中介面(5)，所述中介面(5)为位于待测目标(6)反射光路上的平面；
3)发光过程：偏振激光器(1)的出射光入射至偏振分束器(2)，经偏振分束器(2)进入法拉第旋光器(3)，经法拉第旋光器(3)改变振动方向后，进入到电控扫描模块(4)，通过电控扫描模块(4)控制光束传输方向并对中介面(5)进行扫描，光束到达中介面(5)后发生散射，部分光束传输至待测目标(6)；
收光过程：待测目标(6)对接收到的光束发生反射，到达中介面(5)后通过中介面(5)发生散射，部分光束经过电控扫描模块(4)到达法拉第旋光器(3)，经法拉第旋光器(3)改变振动方向，成为水平偏振光或竖直偏振光，经偏振分束器(2)后到达探测器(7)，探测器(7)进行光电转换；
4)利用采集处理单元采集偏振激光器(1)发射的重复频率信号和探测器(7)发出的光子计数信号，获取光子飞行时间，进而反演进行光学图像复原和反射率复构，完成非视域的待测目标(6)成像。
3.根据权利要求2所述的一种非视域成像方法，其特征在于：
步骤1)中，当调整偏振激光器(1)的出射光为竖直偏振态时，步骤3)具体为：
发光过程：偏振激光器(1)的出射光以竖直偏振态垂直入射至偏振分束器(2)，经偏振分束器(2)全部反射进入法拉第旋光器(3)，经法拉第旋光器(3)改变振动方向后，进入到电控扫描模块(4)，通过电控扫描模块(4)控制光束传输方向并对中介面(5)进行扫描，光束到达中介面(5)后发生散射，部分光束传输至待测目标(6)；
收光过程：待测目标(6)对接收到的光束发生反射，到达中介面(5)后通过中介面(5)发生散射，部分光束经过电控扫描模块(4)到达法拉第旋光器(3)，经法拉第旋光器(3)改变振动方向，成为水平偏振光，经偏振分束器(2)全部透射后到达探测器(7)，探测器(7)进行光电转换。
4.根据权利要求2所述的一种非视域成像方法，其特征在于：
步骤1)中，当调整偏振激光器(1)的出射光为水平偏振态时，步骤3)具体为：
发光过程：偏振激光器(1)的出射光以水平偏振态垂直入射至偏振分束器(2)，经偏振分束器(2)全部透射进入法拉第旋光器(3)，经法拉第旋光器(3)改变振动方向后，进入到电控扫描模块(4)，通过电控扫描模块(4)控制光束传输方向并对中介面(5)进行扫描，光束到达中介面(5)后发生散射，部分光束传输至待测目标(6)；
收光过程：待测目标(6)对接收到的光束发生反射，到达中介面(5)后通过中介面(5)发生散射，部分光束经过电控扫描模块(4)到达法拉第旋光器(3)，经法拉第旋光器(3)改变振动方向，成为竖直偏振光，经偏振分束器(2)全部反射后到达探测器(7)，探测器(7)进行光电转换。
5.根据权利要求3或4所述的一种非视域成像方法，其特征在于：所述偏振激光器(1)采用超快式皮秒脉冲激光器。
6.根据权利要求5所述的一种非视域成像方法，其特征在于：所述探测器(7)采用单光子雪崩二极管。
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| CN202210557665.7A CN115079203B (zh) | 2022-05-19 | 2022-05-19 | 一种非视域成像系统及成像方法 |
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ID=83248339
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| CN (1) | CN115079203B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117452433A (zh) * | 2023-12-25 | 2024-01-26 | 之江实验室 | 基于单点单光子探测器的360度三维成像装置及方法 |
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2022
- 2022-05-19 CN CN202210557665.7A patent/CN115079203B/zh active Active
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| CN117452433B (zh) * | 2023-12-25 | 2024-03-05 | 之江实验室 | 基于单点单光子探测器的360度三维成像装置及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115079203B (zh) | 2024-04-12 |
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