CN116009017A - 一种基于光谱时空双编码的非视域成像系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电探测技术领域，公开了一种基于光谱时空双编码的非视域成像系统与方法，宽谱脉冲激光器发射激光经过处理输出离散脉冲序列；将离散脉冲序列经过处理得到反射方向的线偏光，将反射方向的线偏光进行色散输出多个光束，多个光束在中继墙表面发生漫反射照射在被遮挡的隐藏物体表面，后又通过反射回到中继墙表面，在中继墙表面再次漫反射后的非视域三次回波光束经过空间色散元件被探测器进行采集；再由处理单元计算得到所需成像信息；本发明引入光谱时空双编码，利用时间编码和空间编码将照射点的空间位置信息与光子飞行时间信息同时编码在非视域三次回波的时间域中，实现非视域成像；具有快速无扫描、集成度高、重构精度高的优势。

Description

一种基于光谱时空双编码的非视域成像系统与方法

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体为一种基于光谱时空双编码的非视域成像系统与方法。

背景技术

由于街道和建筑的遮挡，难以用直接成像的方法对一些目标和活动场合进行有效观察，因而迫切需要可以绕过遮挡物体而对其后面的目标进行跟踪与观察的方法；非视域成像技术可以通过中继面漫反射，对隐藏物体表面形貌进行重构，在自动驾驶、灾害救援、医学诊断等诸多领域有着重要的应用前景；然而，受限于现有技术中利用振镜逐点扫描的数据采集时长，目前成像速度大多限制在单帧图像百秒级，导致成像慢。

发明内容

本发明的目的在于克服现有非视域成像技术成像慢的问题，提供了一种基于光谱时空双编码的非视域成像系统与方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于光谱时空双编码的非视域成像系统，包括：宽谱脉冲激光器、光复用器、光纤延时阵列、光放大器、激光偏振分束器、空间色散元件、中继墙、探测器、处理单元；

所述宽谱脉冲激光器输出激光依次经过所述光复用器、所述光纤延时阵列、所述光复用器输出具有不同中心波长的离散脉冲序列；其中，所述离散脉冲序列中相邻离散脉冲的时间间隔大于所述探测器的死时间；

所述离散脉冲序列经过所述光放大器、所述激光偏振分束器得到反射方向的线偏光，反射方向的线偏光通过所述空间色散元件进行色散，输出对应离散脉冲序列的多个光束，照射在所述中继墙表面形成二维正交离散照明；其中，多个光束以满足相长干涉条件的方式输出；

所述中继墙表面基于所述二维正交离散照明发生漫反射，在障碍物的遮挡下部分漫反射光照射在被遮挡的隐藏物体表面，在所述隐藏物体表面再次发生反射回到所述中继墙表面，在所述中继墙表面再次漫反射后的非视域三次回波光束经过所述空间色散元件被所述探测器进行采集；

所述处理单元根据所述探测器采集的对应所述非视域三次回波光束的探测信号计算得到所需成像信息。

作为一种可实施方式，还包括：止光器、多模光纤、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和透镜；所述离散脉冲序列经过所述激光偏振分束器还会得到透射方向的线偏光，所述透射方向的线偏光被所述止光器所收集；所述宽谱脉冲激光器输出的激光通过所述多模光纤发射至所述光复用器；所述离散脉冲序列通过所述第一反射镜和第二反射镜改变光路后入射至所述激光偏振分束器，反射方向的线偏光通过所述第三反射镜改变光路后入射至所述空间色散元件进行色散，在所述中继墙表面再次漫反射后的非视域三次回波光束依次回到所述空间色散元件再由所述透镜聚焦后被所述探测器进行采集。

作为一种可实施方式，所述光放大器为光纤放大器，所述光复用器为阵列波导光栅，所述探测器为单光子雪崩二极管探测器；所述光纤延时阵列为具有不同长度的单模光纤，其中，所述阵列波导光栅将激光分解得到的离散光谱通道的个数和所述单模光纤的个数相对应。

作为一种可实施方式，所述宽谱脉冲激光器输出激光依次经过所述光复用器、所述光纤延时阵列、所述光复用器输出具有不同中心波长的离散脉冲序列的过程具体为：

所述宽脉冲激光器发射激光至所述阵列波导光栅；所述阵列波导光栅将所述激光分解为多个离散光谱通道，多个离散光谱通道的激光分别通过对应的具有不同长度的单模光纤进行延时后传输至阵列波导光栅；所述阵列波导光栅将多个离散光谱通道的激光复用为具有不同中心波长且相邻离散脉冲具有时间间隔的离散脉冲序列。

作为一种可实施方式，所述空间色散元件包括柱透镜、虚像相位阵列和衍射光栅；

所述柱透镜将反射方向的线偏光聚焦到所述虚像相位阵列中，在入射平面内进行空间色散，形成对应离散脉冲序列的多个光束，多个光束相互干涉，使得以满足相长干涉条件的方式输出，满足相长干涉条件的多个光束以自由光谱范围的间隔隔开且在y轴方向具有相同的输出角度，所述衍射光栅将具有相同输出角度的多个光束在x轴方向衍射展开，照射在所述中继墙表面形成二维正交离散照明。

作为一种可实施方式，所述宽谱脉冲激光器为具有皮秒级分辨率的宽谱脉冲激光器，所述处理单元包括计数模块，所述计数模块根据所述探测器采集的探测信号和所述宽谱脉冲激光器的皮秒级分辨率同步信号进行分析处理，得到对应离散脉冲序列的皮秒级分辨率的光子数-飞行时间数据；其中，所述飞行时间为光子在中继墙与隐藏物体表面之间的来回飞行时间；所述探测器的门控窗口和所述宽谱脉冲激光器的皮秒级分辨率同步信号通过可调皮秒延时器进行精准延时，使其与所需要采集的非视域三次回波光束时间范围相匹配。

作为一种可实施方式，所述处理单元还包括重构模块，所述重构模块基于视锥变换的维纳滤波反卷积非视域重构算法以及得到的光子数-飞行时间数据以及其他相关参数，对所述隐藏物体表面的反射率信息进行重构与恢复，从而实现对隐藏物体的非视域重构。

作为一种可实施方式，所述自由光谱范围的间隔：

式中，c为光速，T为虚像相位阵列的腔体厚度，n为虚像相位阵列的腔体折射率，θ_i为虚像相位阵列的腔倾斜角，θ_in为光束在虚像相位阵列中的入射角，θ_y,为光束在虚像相位阵列腔中的出射角。

作为一种可实施方式，基于视锥变换的维纳滤波反卷积非视域重构算法以及得到的光子数-飞行时间数据以及其他相关参数，实现对所述隐藏物体表面的反射率信息进行重构与恢复的过程具体包括：

建立共焦情况下的标准正向模型；其中，标准正向模型的公式为：

式中，τ表示对应中继器表面各扫描点的光子数—飞行时间数据，(x′,y′)为中继墙表面的扫描点位置，(x,y,z)表示隐藏物体表面的空间位置点，r为隐藏物体表面的空间位置点与中继墙表面对应的扫描点之间的距离，ρ表示隐藏物体表面的反射率，δ表示狄拉克函数，Ω表示隐藏物体所在的三维空间，t表示飞行时间，c表示光速；

采用视锥变换，将所述标准正向模型转换为三维卷积形式，得到三维卷积形式的正向模型；其中，视锥变换公式为：

v＝(tc/2)²，式中，

表示新坐标系下的z，进而推出，v表示新坐标系下的(tc/2)²；

得到三维卷积形式的正向模型公式为：

R_t{τ}(x′,y′,v)＝∫∫∫_ΩR_z{ρ}(x,y,u)h(x′-x,y′-y,v-u)dxdydu；式中，R_t{τ}表示三维卷积形式的光子数—飞行时间数据，R_z{ρ}表示三维卷积形式的隐藏物体表面的反射率；

得到：

基于维纳滤波三维反卷积建立非视域重构公式，将R_t{τ}、R_z{ρ}以及其他相关参数带入非视域重构公式对所述隐藏物体表面的反射率信息进行重构与恢复；其中，非视域重构公式为：

式中，F表示三维傅里叶变换，ρ表示隐藏物体表面反射率信息，

表示包含三维卷积核傅里叶系数的对焦矩阵，α表示信噪比。

相应的，本发明还提供了一种基于光谱时空双编码的非视域成像方法，包括以下步骤：

输出激光并对激光进行处理得到具有不同中心波长的离散脉冲序列；其中，所述离散脉冲序列中相邻离散脉冲的时间间隔大于后续用于探测的探测器的死时间；

将所述离散脉冲序列进行放大并分束后得到反射方向的线偏光，将反射方向的线偏光进行色散，输出对应离散脉冲序列的多个光束，照射在中继墙表面形成二维正交离散照明；其中，多个光束以满足相长干涉条件的方式输出；

所述中继墙表面基于所述二维正交离散照明发生漫反射，在障碍物的遮挡下部分漫反射光照射在被遮挡的隐藏物体表面，在所述隐藏物体表面再次发生反射回到所述中继墙表面，在所述中继墙表面再次漫反射后的非视域三次回波光束经过聚集后被探测器进行采集；

根据所述探测器采集的对应所述非视域三次回波光束的探测信号计算得到所需成像信息。

本发明的有益效果：本发明公开了一种基于光谱时空双编码的非视域成像系统与方法，宽谱脉冲激光器发射激光经过处理输出离散脉冲序列；将离散脉冲序列经过处理得到反射方向的线偏光，将反射方向的线偏光进行色散输出多个光束，多个光束在中继墙表面发生漫反射照射在被遮挡的隐藏物体表面，后又通过反射回到中继墙表面，在中继墙表面再次漫反射后的非视域三次回波光束经过空间色散元件被探测器进行采集；处理单元根据探测器采集的探测信号计算得到所需成像信息；本发明基于宽谱激光的色散特性在非视域成像中引入光谱时空双编码，利用波分复用与离散延时方法对宽谱脉冲激光进行时间编码，并基于光谱空间色散模型进行照明空间编码与调控，将照射点的空间位置信息与光子飞行时间信息同时编码在非视域三次回波的时间域中，从而实现单个单光子雪崩二极管探测器探测下的无扫描快照式非视域成像。相比于基于振镜空间扫描以及基于单光子雪崩二极管探测器阵列的成像方法，具有快速无扫描、集成度高、重构精度高的优势。

附图说明

图1为基于光谱时空双编码的非视域成像系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种技术方案：一种基于光谱时空双编码的非视域成像系统，包括：宽谱脉冲激光器、光复用器、光纤延时阵列、光放大器、激光偏振分束器、空间色散元件、中继墙、探测器、处理单元；

所述宽谱脉冲激光器输出激光依次经过所述光复用器、所述光纤延时阵列、所述光复用器输出具有不同中心波长的离散脉冲序列；其中，所述离散脉冲序列中相邻离散脉冲的时间间隔大于所述探测器的死时间；

所述离散脉冲序列经过所述光放大器、所述激光偏振分束器得到反射方向的线偏光，反射方向的线偏光通过所述空间色散元件进行色散，输出对应离散脉冲序列的多个光束，照射在所述中继墙表面形成二维正交离散照明；其中，多个光束以满足相长干涉条件的方式输出；

所述中继墙表面基于所述二维正交离散照明发生漫反射，在障碍物的遮挡下部分漫反射光照射在被遮挡的隐藏物体表面，在所述隐藏物体表面再次发生反射回到所述中继墙表面，在所述中继墙表面再次漫反射后的非视域三次回波光束经过所述空间色散元件被所述探测器进行采集；

所述处理单元根据所述探测器采集的对应所述非视域三次回波光束的探测信号计算得到所需成像信息。

其中，所述光放大器可以为光纤放大器，具体为掺铒光纤放大器；所述光复用器可以为阵列波导光栅，所述探测器可以为单光子雪崩二极管探测器或者其他快速光电响应探测器；所述光纤延时阵列为具有不同长度的单模光纤，其中，所述阵列波导光栅将激光分解得到的离散光谱通道的个数和所述单模光纤的个数相对应，如图1所示，光纤延时阵列4包含了4个单模光纤，但该数量不代表进行重构时实际使用的单模光纤数量，实际使用的单模光纤数量需要根据需要重构的隐藏物体进行确定。

所述宽谱脉冲激光器输出激光依次经过所述光复用器、所述光纤延时阵列、所述光复用器输出具有不同中心波长的离散脉冲序列的过程具体为：

所述宽脉冲激光器发射激光至所述阵列波导光栅；所述阵列波导光栅将所述激光分解为多个离散光谱通道，多个离散光谱通道的激光分别通过对应的具有不同长度的单模光纤进行延时后传输至阵列波导光栅；所述阵列波导光栅将多个离散光谱通道的激光复用为具有不同中心波长且相邻离散脉冲具有时间间隔的离散脉冲序列。

也就是说，在激光经阵列波导光栅分解后，可以通过调整各离散光谱通道的单模光纤长度，使得各离散光谱通道的脉冲激光在时间上为等间隔序列，且相邻波长的离散脉冲之间的时间间隔大于单光子雪崩二极管的死程时间，以避免后续探测过程中单光子雪崩二极管的死程时间影响。

在本实施例中，所述空间色散元件包括柱透镜、虚像相位阵列和衍射光栅，但在其他实施例中，也可以为其他组成，本实施例不做限定。

具体的，所述柱透镜将所述反射方向的线偏光聚焦到所述虚像相位阵列中，在入射平面内进行空间色散，形成对应离散脉冲序列的多个光束，多个光束相互干涉，使得以满足相长干涉条件的方式输出，满足相长干涉条件的多个光束以自由光谱范围的间隔隔开且在y轴方向具有相同的输出角度，所述衍射光栅将具有相同输出角度的多个光束在x轴方向衍射展开，照射在所述中继墙表面形成二维正交离散照明。

其中，所述自由光谱范围的间隔满足如下公式：

即间隔

式中，c为光速，T为虚像相位阵列的腔体厚度，n为虚像相位阵列的腔体折射率，θ_i为虚像相位阵列的腔倾斜角，θ_in为光束在虚像相位阵列中的入射角，θ_y,为光束在虚像相位阵列腔中的出射角。

可以看到，y轴方向色散特性取决于虚像相位阵列的腔体厚度、腔体倾角、表面反射率、入射光性质等，因此为了使得光束以满足相长干涉条件的方式输出，在使用柱透镜-虚像相位阵列-衍射光栅组成的空间色散元件进行二维空间展开前，可以根据虚像相位阵列的空间色散特性确定虚像相位阵列的结构类型、结构尺寸、结构材料特性等，以优化二维正交离散照明光场的空间精度；

从而使得在本实施例中，所述虚像相位阵列的色散强度分布符合由高斯包络下的艾里-洛伦兹函数分布，通过调控自由光谱范围的大小，使得有效避免光谱空间混叠的现象；进一步结合衍射光栅在x方向的衍射效应，从而形成二维正交色散分布。

本实施例提供了一种基于光谱时空双编码的非视域成像系统，其中，双编码分别指时间编码和空间编码；

时间编码的过程为：将高时间分辨率的宽谱脉冲激光器发出的激光进行准直，入射至基于光波电路的阵列波导光栅，阵列波导光栅将宽谱脉冲激光分解为具有固定波长间隔(例如为0.4nm左右)并覆盖一定波段(例如其中一个波段为1530nm-1570nm)的离散光谱通道，其中，离散光谱通道的数量可以为100个或者其他，实际数量可以根据需要重构的隐藏物体进行确定；不同离散光谱通道的激光经过不同长度的单模光纤实现精准的时间延时，并利用阵列波导光栅解复用为一系列具有不同中心波长的离散脉冲序列；其中，为避免后续探测过程中探测器的死时间影响，相邻波长的离散脉冲之间的时间间隔应大于探测器的死时间；

空间编码的过程为：离散脉冲序列先通过光纤放大器放大，为离散照明点提供高瞬时强度；离散脉冲序列再通过柱透镜-虚像相位阵列-衍射光栅组成的空间色散元件进行展开，柱透镜将离散脉冲序列聚焦到虚像相位阵列腔中，在虚像相位阵列腔的入射平面内进行空间色散；由于对应离散脉冲序列的多光束干涉，虚像相位阵列的透射光谱显示出多个共振峰，这些共振峰以自由光谱范围的间隔隔开，并沿y轴方向具有相同的输出角度；衍射光栅将具有相同输出角度的透射光束在x轴方向衍射展开，从而实现中继墙表面的二维正交离散照明。

由于经时间编码形成的离散脉冲序列中的不同中心波长光束在二维正交离散照明中对应于隐藏物体表面的不同位置，再结合波长信息与离散脉冲时序的映射关系，最终将中继墙表面照射点的空间位置信息与对应的光子飞行时间信息同时编码在非视域三次回波的时间域中，实现重构；

其中，所述非视域三次回波光束指宽谱脉冲激光器发射的激光经过光复用器、光纤延时阵列、光放大器、激光偏振分束器、空间色散元件后，在中继墙表面漫反射后传输至非视域范围内隐藏物体表面，在隐藏物体表面再次反射后回到中继墙表面，在中继墙表面再次漫反射后回到空间色散元件的回波光束。

本实施例中基于光谱时空双编码的非视域成像系统还包括：止光器；所述离散脉冲序列经过所述激光偏振分束器还会得到透射方向的线偏光，所述透射方向的线偏光被所述止光器所收集。

本实施例中基于光谱时空双编码的非视域成像系统还包括：还包括：多模光纤、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和透镜；所述宽谱脉冲激光器输出的激光通过所述多模光纤发射至所述光复用器；所述离散脉冲序列通过所述第一反射镜和第二反射镜改变光路后入射至所述激光偏振分束器，反射方向的线偏光通过所述第二反射镜改变光路后入射至所述空间色散元件进行色散，在所述中继墙表面再次漫反射后的非视域三次回波光束依次回到所述空间色散元件再由所述透镜聚焦后被所述探测器进行采集。

所述处理单元根据所述探测器采集的对应所述非视域三次回波光束的探测信号计算得到所需成像信息中的成像信息为：根据探测信号处理得到的光子数-飞行时间数据；其中，所述飞行时间为光子在中继墙与隐藏物体表面之间的来回飞行时间。

进一步的，现有的非视域成像技术还受限于光电探测元件的时间精度与非视域算法的重建精度，目前可实现的重构图像空间分辨率大多限制在3-5cm左右；因此，为了解决上述问题，本实施例中的所述宽谱脉冲激光器为具有皮秒级分辨率的宽谱脉冲激光器，所述处理单元包括计数模块，所述计数模块根据所述探测器采集的探测信号和所述宽谱脉冲激光器的皮秒级分辨率同步信号进行分析处理，得到对应离散脉冲序列的皮秒级分辨率的光子数-飞行时间数据；其中，所述飞行时间为光子在中继墙与隐藏物体表面之间的来回飞行时间；所述探测器的门控窗口和所述宽谱脉冲激光器的皮秒级分辨率同步信号通过可调皮秒延时器进行精准延时，使其与所需要采集的非视域三次回波光束时间范围相匹配；

其中需要注意的是，本实施例根据对应非视域三次回波光束的探测信号得到光子数-飞行时间数据的技术为现有技术，本实施例不做详细说明。

具体的，在本实施例中，所述宽谱脉冲激光器的皮秒级分辨率同步信号可以通过可调皮秒延时器进行精准延时处理，以确保计数模块的时间幅度转换器的工作时间范围与所需要采集的探测信号时间范围匹配；同时，为避免非视域成像中继墙表面的直接回波造成的死程时间与后脉冲效应影响，可采用超快门控(通常为10MHz以上)的探测器进行高频门控探测，门控窗口也可以通过可调皮秒延时器进行精准延时，使其位于非视域三次回波光束区间；而不会误采集在中继墙表面直接发生反射而不再经过隐藏物体的直接反射光即一次反射光以及在隐藏物体表面发生反射而不再经过中继墙的二次反射光；

其中，所述一次反射光是指宽谱脉冲激光器发射的激光经过光复用器、光纤延时阵列、光放大器、激光偏振分束器、空间色散元件后，在所述中继墙表面发生反射后，不经过隐藏物体表面反射而直接经过空间色散元件后被探测器所采集的反射光；所述二次反射光是指宽谱脉冲激光器发射的激光经过光复用器、光纤延时阵列、光放大器、激光偏振分束器、空间色散元件后，在所述中继墙表面发生反射后照射在隐藏物体表面，在隐藏物体表面发生反射后不经过中继墙反射而直接经过空间色散元件后被探测器所采集的的反射光。

所述非视域三次回波被所述探测器进行采集后，所述计数模块同时获取宽谱脉冲激光器的皮秒级分辨率同步信号与单光子探测器的探测信号，对数据进行处理得到皮秒级分辨率即极短时间间隔的光子数分布曲线，其中，光子数分布曲线包括有光子数信息、可以对应到空间位置的波长信息和光子飞行时间信息；最终，对探测信号进行数据处理，结合非视域重构算法，对隐藏物体的表面反射率信息进行重构与恢复。

需要注意的是，探测器本身的分辨率和其自身的带宽有关，且一般只具有50-100纳秒分辨率，如果不获取宽谱脉冲激光器的皮秒级分辨率同步信号，则无法得到很高的分辨率，因此，本实施例通过获取宽谱脉冲激光器的皮秒级分辨率同步信号进行处理，得到了皮秒级分辨率的光子数分布曲线；使得最终重构出来的图像精度高、分辨率高。

本发明实施例基于二维空间色散编码，将波长信息与照射点的空间位置信息所对应，可实现无扫描快照式非视域成像，成像速度远快于传统振镜扫描式；通过波分分解、波分复用与离散延时时间编码，使得不同波长所对应的光子飞行时间信息编码在同一个激光脉冲时间序列中，可利用单个单光子探测器实现探测过程，避免使用昂贵的单光子探测器阵列，具有更高的集成度与更低的成本；并结合了光谱时空编码与光子飞行时间成像，实现了快照式非视域成像。

具体的，如图1所示，本实施例中的非视域成像系统包括宽谱脉冲激光器1、多模光纤2、阵列波导光栅3、光纤延时阵列4、掺铒光纤放大器5、第一反射镜6、第二反射镜7、激光偏振分束器8、止光器9、第三反射镜10、柱透镜11、虚像相位阵列12、衍射光栅13、中继墙14、遮挡墙15、隐藏物体16、透镜17、单光子雪崩二极管探测器18和处理单元19；

宽谱脉冲激光器1发出的激光准直后经多模光纤2传输至阵列波导光栅3，阵列波导光栅3将激光分解为具有固定波长间隔并覆盖一定波段的离散光谱通道，不同离散光谱通道的激光经过光纤延时阵列4实现精准的时间延时，并重新利用阵列波导光栅3解复用为一系列具有不同中心波长的离散脉冲序列。

被调制的离散脉冲序列经掺铒光纤放大器5放大后，经过第一反射镜6和第二反射镜7传输至激光偏振分束器8，被激光偏振分束器8分成透射方向的线偏光与反射方向的线偏光；透射方向的线偏光被止光器9收集，反射方向的线偏光经第三反射镜10反射后，依次经过柱透镜11-虚像相位阵列12-衍射光栅13组成的空间色散元件，柱透镜11将脉冲激光聚焦到虚像相位阵列12腔中，在入射平面内进行空间色散，由于多光束干涉，虚像相位阵列12的透射光谱显示出多个共振峰，这些共振峰以自由光谱范围的间隔隔开，并沿y轴方向具有相同的输出角度，衍射光栅13将具有相同输出角度的透射光束在x轴方向衍射展开，形成中继墙14表面的二维正交离散照明。

二维正交离散照明光束在中继墙14表面漫反射后传输至被遮挡墙15遮挡的隐藏物体16表面，在隐藏物体16表面再次反射后回到中继墙14表面，在中继墙14表面再次漫反射后的非视域三次回波光束重新经过所述衍射光栅13-虚像相位阵列12-柱透镜11组成的空间色散元件，回波光子通过激光偏振分束器8并通过透镜17聚焦后被单光子雪崩二极管探测器18和处理单元19进行采集，其中，回波光子经过激光偏振分束器8只是为了系统能够更紧凑的一种实施方式，而在其他实施例中也可以不经过分束器；从而获取极短时间间隔的光子数分布曲线；最终，对探测信号进行数据处理，结合非视域重构算法，对隐藏物体的表面反射率信息进行重构与恢复。

本实施例通过使用单光子雪崩二极管探测器等快速光电响应仪器对光谱特性、空间色散光强分布进行实时记录，确定虚像相位阵列腔体厚度、腔体倾角、表面反射率等对空间色散光强分布的影响，结合理论计算、软件仿真与实验数据，建立空间照射点分布与激光脉冲时序之间的精确映射关系，确立光谱时空双编码模型；基于光谱空间编码模型，确定衍射光栅-虚像相位阵列-柱透镜的二维空间色散元件具体结构参数，实现二维正交的离散空间照明光场。

本实施例基于光谱时空双编码模型，实现照射点精确二维空间位置的时空解码，将探测到的激光脉冲时序信号解码为对应于不同空间位置点的飞行时间信号。

进一步的，所述处理单元还包括重构模块，所述重构模块基于视锥变换的维纳滤波反卷积非视域重构算法以及得到的光子数-飞行时间数据以及其他相关参数，对所述隐藏物体表面的反射率信息进行重构与恢复，从而实现对隐藏物体的非视域重构。

本实施例的重构算法基于正交网格进行，因此本实施例中形成了正交网格结构的二维空间正交扫描照明，便于后续的算法重构。

基于视锥变换的维纳滤波反卷积非视域重构算法以及得到的光子数-飞行时间数据以及其他相关参数，实现对所述隐藏物体表面的反射率信息进行重构与恢复的过程具体包括：

建立共焦情况下的标准正向模型；其中，标准正向模型的公式为：

式中，τ表示对应中继器表面各扫描点的光子数—飞行时间数据，(x′,y′)为中继墙表面的扫描点位置，(x,y,z)表示隐藏物体表面的空间位置点，r为隐藏物体表面的空间位置点与中继墙表面对应的扫描点之间的距离，ρ表示隐藏物体表面的反射率，δ表示狄拉克函数，Ω表示隐藏物体所在的三维空间，t表示飞行时间，c表示光速，这些数据都可以直接根据测量或其他方式获得；

采用视锥变换，将所述标准正向模型转换为三维卷积形式，得到三维卷积形式的正向模型；其中，视锥变换公式为：

v＝(tc/2)²，式中，

表示新坐标系下的z，进而推出，v表示新坐标系下的(tc/2)²；

得到三维卷积形式的正向模型公式为：

R_t{τ}(x′,y′,v)＝∫∫∫_ΩR_z{ρ}(x,y,u)h(x′-x,y′-y,v-u)dxdydu；式中，R_t{τ}表示三维卷积形式的光子数—飞行时间数据，R_z{ρ}表示三维卷积形式的隐藏物体表面的反射率；

计算得到：

h(x′-x,y′-y,v-u)＝δ((x′-x)²+(y′-y)²+u-v)；

基于维纳滤波三维反卷积建立非视域重构公式，将R_t{τ}、R_z{ρ}以及其他相关参数带入非视域重构公式对所述隐藏物体表面的反射率信息进行重构与恢复，实现隐藏物体的非视域重构；其中，非视域重构公式为：

式中，F表示三维傅里叶变换，ρ表示隐藏物体表面反射率信息，

表示包含三维卷积核傅里叶系数的对焦矩阵，α表示信噪比，这些数据都可以直接获得。

本发明公开了一种基于光谱时空双编码的非视域成像系统，基于宽谱激光的色散特性在非视域成像中引入光谱时空双编码，利用波分复用与离散延时方法对宽谱脉冲激光进行时间编码，并基于光谱空间色散模型进行照明空间编码与调控，将照射点的空间位置信息与光子飞行时间信息同时编码在非视域三次回波的时间域中，从而实现单个单光子雪崩二极管探测器探测下的无扫描快照式非视域成像；相比于基于振镜空间扫描以及基于单光子雪崩二极管探测器阵列的成像方法，具有快速无扫描、集成度高、重构精度高的优势。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于光谱时空双编码的非视域成像方法，包括以下步骤：

输出激光并对激光进行处理得到具有不同中心波长的离散脉冲序列；其中，所述离散脉冲序列中相邻离散脉冲的时间间隔大于后续用于探测的探测器的死时间；

将所述离散脉冲序列进行放大并分束后得到反射方向的线偏光，将反射方向的线偏光进行色散，输出对应离散脉冲序列的多个光束，照射在中继墙表面形成二维正交离散照明；其中，多个光束以满足相长干涉条件的方式输出；

所述中继墙表面基于所述二维正交离散照明发生漫反射，在障碍物的遮挡下部分漫反射光照射在被遮挡的隐藏物体表面，在所述隐藏物体表面再次发生反射回到所述中继墙表面，在所述中继墙表面再次漫反射后的非视域三次回波光束经过聚集后被探测器进行采集；

根据所述探测器采集的对应所述非视域三次回波光束的探测信号计算得到所需成像信息。

本发明虽然己以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光谱时空双编码的非视域成像系统，其特征在于，包括：宽谱脉冲激光器、光放大器、激光偏振分束器、空间色散元件、中继墙、探测器、处理单元；

所述宽谱脉冲激光器输出激光依次经过所述光复用器、所述光纤延时阵列、所述光复用器输出具有不同中心波长的离散脉冲序列；其中，所述离散脉冲序列中相邻离散脉冲的时间间隔大于所述探测器的死时间；

所述离散脉冲序列经过所述光放大器、所述激光偏振分束器得到反射方向的线偏光，反射方向的线偏光通过所述空间色散元件进行色散，输出对应离散脉冲序列的多个光束，照射在所述中继墙表面形成二维正交离散照明；其中，多个光束以满足相长干涉条件的方式输出；

所述中继墙表面基于所述二维正交离散照明发生漫反射，在障碍物的遮挡下部分漫反射光照射在被遮挡的隐藏物体表面，在所述隐藏物体表面再次发生反射回到所述中继墙表面，在所述中继墙表面再次漫反射后的非视域三次回波光束经过所述空间色散元件被所述探测器进行采集；

所述处理单元根据所述探测器采集的对应所述非视域三次回波光束的探测信号计算得到所需成像信息。

2.根据权利要求1所述的基于光谱时空双编码的非视域成像系统，其特征在于，还包括：止光器、多模光纤、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和透镜；所述离散脉冲序列经过所述激光偏振分束器还会得到透射方向的线偏光，所述透射方向的线偏光被所述止光器所收集；所述宽谱脉冲激光器输出的激光通过所述多模光纤发射至所述光复用器；所述离散脉冲序列通过所述第一反射镜和第二反射镜改变光路后入射至所述激光偏振分束器，反射方向的线偏光通过所述第三反射镜改变光路后入射至所述空间色散元件进行色散，在所述中继墙表面再次漫反射后的非视域三次回波光束依次回到所述空间色散元件再由所述透镜聚焦后被所述探测器进行采集。

3.根据权利要求1所述的基于光谱时空双编码的非视域成像系统，其特征在于，所述光放大器为光纤放大器，所述光复用器为阵列波导光栅，所述探测器为单光子雪崩二极管探测器；所述光纤延时阵列为具有不同长度的单模光纤，其中，所述阵列波导光栅将激光分解得到的离散光谱通道的个数和所述单模光纤的个数相对应。

4.根据权利要求3所述的基于光谱时空双编码的非视域成像系统，其特征在于，所述宽谱脉冲激光器输出激光依次经过所述光复用器、所述光纤延时阵列、所述光复用器输出具有不同中心波长的离散脉冲序列的过程具体为：

所述宽脉冲激光器发射激光至所述阵列波导光栅；所述阵列波导光栅将所述激光分解为多个离散光谱通道，多个离散光谱通道的激光分别通过对应的具有不同长度的单模光纤进行延时后传输至阵列波导光栅；所述阵列波导光栅将多个离散光谱通道的激光复用为具有不同中心波长且相邻离散脉冲具有时间间隔的离散脉冲序列。

5.根据权利要求1所述的基于光谱时空双编码的非视域成像系统，其特征在于，所述空间色散元件包括柱透镜、虚像相位阵列和衍射光栅；

所述柱透镜将反射方向的线偏光聚焦到所述虚像相位阵列中，在入射平面内进行空间色散，形成对应离散脉冲序列的多个光束，多个光束相互干涉，使得以满足相长干涉条件的方式输出，满足相长干涉条件的多个光束以自由光谱范围的间隔隔开且在y轴方向具有相同的输出角度，所述衍射光栅将具有相同输出角度的多个光束在x轴方向衍射展开，照射在所述中继墙表面形成二维正交离散照明。

6.根据权利要求1所述的基于光谱时空双编码的非视域成像系统，其特征在于，所述宽谱脉冲激光器为具有皮秒级分辨率的宽谱脉冲激光器，所述处理单元包括计数模块，所述计数模块根据所述探测器采集的探测信号和所述宽谱脉冲激光器的皮秒级分辨率同步信号进行分析处理，得到对应离散脉冲序列的皮秒级分辨率的光子数-飞行时间数据；其中，所述飞行时间为光子在中继墙与隐藏物体表面之间的来回飞行时间；所述探测器的门控窗口和所述宽谱脉冲激光器的皮秒级分辨率同步信号通过可调皮秒延时器进行精准延时，使其与所需要采集的非视域三次回波光束时间范围相匹配。

7.根据权利要求6所述的基于光谱时空双编码的非视域成像系统，其特征在于，所述处理单元还包括重构模块，所述重构模块基于视锥变换的维纳滤波反卷积非视域重构算法以及得到的光子数-飞行时间数据以及其他相关参数，对所述隐藏物体表面的反射率信息进行重构与恢复，从而实现对隐藏物体的非视域重构。

8.根据权利要求5所述的基于光谱时空双编码的非视域成像系统，其特征在于，所述自由光谱范围的间隔：

式中，c为光速，T为虚像相位阵列的腔体厚度，n为虚像相位阵列的腔体折射率，θ_i为虚像相位阵列的腔倾斜角，θ_in为光束在虚像相位阵列中的入射角，θ_y,为光束在虚像相位阵列腔中的出射角。

9.根据权利要求7所述的基于光谱时空双编码的非视域成像系统，其特征在于，基于视锥变换的维纳滤波反卷积非视域重构算法以及得到的光子数-飞行时间数据以及其他相关参数，实现对所述隐藏物体表面的反射率信息进行重构与恢复的过程具体包括：

建立共焦情况下的标准正向模型；其中，标准正向模型的公式为：

式中，τ表示对应中继器表面各扫描点的光子数—飞行时间数据，(x^′,y^′)为中继墙表面的扫描点位置，(x,y,z)表示隐藏物体表面的空间位置点，r为隐藏物体表面的空间位置点与中继墙表面对应的扫描点之间的距离，ρ表示隐藏物体表面的反射率，δ表示狄拉克函数，Ω表示隐藏物体所在的三维空间，t表示飞行时间，c表示光速；

采用视锥变换，将所述标准正向模型转换为三维卷积形式，得到三维卷积形式的正向模型；其中，视锥变换公式为：

v＝(tc/2)²，式中，

表示新坐标系下的z，进而推出，v表示新坐标系下的(tc/2)²；

得到三维卷积形式的正向模型公式为：

R_t{τ}(x′，y′，v)＝∫∫∫_ΩR_z{ρ}(x，y，u)h(x′-x，y′-y，v-u)dxdydu；式中，R_t{τ}表示三维卷积形式的光子数一飞行时间数据，R_z{ρ}表示三维卷积形式的隐藏物体表面的反射率；

得到：

基于维纳滤波三维反卷积建立非视域重构公式，将R_t{τ}、R_z{ρ}以及其他相关参数带入非视域重构公式对所述隐藏物体表面的反射率信息进行重构与恢复；其中，非视域重构公式为：

式中，F表示三维傅里叶变换，ρ表示隐藏物体表面反射率信息，

表示包含三维卷积核傅里叶系数的对焦矩阵，α表示信噪比。

10.一种基于光谱时空双编码的非视域成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

输出激光并对激光进行处理得到具有不同中心波长的离散脉冲序列；其中，所述离散脉冲序列中相邻离散脉冲的时间间隔大于后续用于探测的探测器的死时间；

将所述离散脉冲序列进行放大并分束后得到反射方向的线偏光，将反射方向的线偏光进行色散，输出对应离散脉冲序列的多个光束，照射在中继墙表面形成二维正交离散照明；其中，多个光束以满足相长干涉条件的方式输出；

所述中继墙表面基于所述二维正交离散照明发生漫反射，在障碍物的遮挡下部分漫反射光照射在被遮挡的隐藏物体表面，在所述隐藏物体表面再次发生反射回到所述中继墙表面，在所述中继墙表面再次漫反射后的非视域三次回波光束经过聚集后被探测器进行采集；

根据所述探测器采集的对应所述非视域三次回波光束的探测信号计算得到所需成像信息。

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