CN116400379B - 单光子激光雷达三维成像系统和三维成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种单光子激光雷达三维成像系统和三维成像方法，包括：激光器；扫描振镜；驱动器驱动扫描振镜改变角度使激光脉冲信号发射至待成像区域中的目标子区域、以及使扫描振镜接收从目标子区域反射的反射激光脉冲信号，且射向相邻的两个子区域的激光脉冲信号的脉冲周期不同；时序控制器，存储脉冲周期序列，脉冲周期序列包括与子区域一一对应的激光脉冲信号的脉冲周期，时序控制器根据来自于驱动器的触发信号和脉冲周期序列生成时序控制信号，激光器根据时序控制信号生成激光脉冲信号；单光子探测器接收反射激光脉冲信号并生成探测信号；时间数字转换器；处理器被构造成对待成像区域进行重构成像，得到待成像区域的三维图像。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达领域技术领域，尤其涉及一种单光子激光雷达三维成像系统和三维成像方法。
背景技术
激光雷达作为一种可快速、精确获取目标三维空间信息的主动探测技术，被广泛应用于无人驾驶、目标识别、环境测绘等领域。但传统激光雷达的探测灵敏度相对较低，在远距离条件下往往因低信噪比以及弱回波信号而使用受限。近年来，随着单光子探测器、精密电子计时以及量子科学的进步，单光子雷达技术逐渐发展成熟，为远距离目标三维成像提供了有效的候选方案。单光子雷达技术通常采用时间相关单光子计数（TCSPC）技术，通过周期性地发射探照激光脉冲，并累计多个探测周期内的回波光子来提取目标信息，在对远距离目标进行三维成像时仍能保证较好的信噪比以及时间精度。但是使用相关单光子计数（TCSPC）技术又不可避免地引入模糊距离的问题，当光子飞行时间超过探照周期时，无法确定光子真实飞行时间，也就得不到目标的准确距离。如何实现远距离条件下的绝对距离成像依旧是一个悬而未决的问题。
通过使用随机调制激光信号或多激光重复周期测量等方法在一定程度上解决了距离模糊问题。使用伪随机信号对激光脉冲周期进行调制的方法，对4.4km外的物体实现了绝对距离成像。但由于随机调制往往需要使用较高的编码率以获得较好的信噪比，所使用的激光脉冲能量较低，限制了远距离场景下的使用。相比之下，使用多激光重复周期测量的方案更适用于远距离探测，实验上已经可以实现超过100km的单点远距离测距。但将单点测距能力拓展到远距离成像场景中，往往还需要考虑成像效率以及回波信号弱所带来的图像重构质量差等问题。针对低信噪比、少光子条件下的精确三维图像重构，研究人员提出了一些少光子算法，主要有基于最大似然估计的方法、贝叶斯推断方法和深度学习方法。但是这些方法往往专注于解决模糊距离内的深度恢复问题，而没有考虑绝对距离恢复的问题。实现远距离条件下的绝对距离快速三维成像还需要更先进的探测方案以及图像重构算法。
发明内容
为解决现有技术中的技术问题，本发明提供一种单光子激光雷达三维成像系统和三维成像方法，通过使用激光多重复周期成像扫描方案，采用重构算法，可快速准确获取大纵深范围内目标的三维绝对距离信息。
本发明实施例的一个方面，提供了一种单光子激光雷达三维成像系统，包括：激光器、扫描振镜、驱动器、时序控制器、单光子探测器、时间数字转换器以及处理器。激光器适用于生成所述激光脉冲信号。驱动器适用于驱动所述扫描振镜改变角度使所述激光脉冲信号发射至待成像区域中的目标子区域、以及使所述扫描振镜接收从所述目标子区域反射的反射激光脉冲信号，所述待成像区域包括M×N个子区域，其中M和N均为正整数，且射向相邻的两个子区域的激光脉冲信号的脉冲周期不同。时序控制器存储有脉冲周期序列，所述脉冲周期序列包括与所述子区域一一对应的激光脉冲信号的脉冲周期，所述时序控制器适用于根据来自于所述驱动器的触发信号和所述脉冲周期序列生成时序控制信号，所述激光器根据所述时序控制信号生成所述激光脉冲信号。单光子探测器适用于接收所述反射激光脉冲信号并生成探测信号，所述探测信号包括与所述反射激光脉冲信号的光子数相关的光子数信息。时间数字转换器适用于根据所述时序控制信号与所述探测信号计算获得所述激光脉冲信号的光子的飞行时间。处理器被构造成根据所有目标子区域的光子数信息和飞行时间对所述待成像区域进行重构成像，得到所述待成像区域的三维图像。
根据本发明的实施例，单光子激光雷达三维成像系统还包括第一光开关和第二光开关。第一光开关适用于在所述时序控制信号的前一半时间开启，以控制所述激光脉冲信号在所述前一半时间通过所述第一光开关。第二光开关，适用于在所述时序控制信号的后一半时间开启，以控制所述反射激光脉冲信号在所述后一半时间通过所述第二光开关。
根据本发明的实施例，所述单光子激光雷达三维成像系统还包括光准直器以及扩束镜。扩束镜适用于与所述光准直器配合减小所述激光脉冲信号的光束的发散角，并且将接收的所述激光脉冲信号发射至所述目标子区域或接收所述反射激光脉冲信号。
根据本发明的实施例，所述时序控制器包括接收单元、存储单元以及时序控制单元。接收单元适用于接收所述触发信号；存储单元适用于根据所述子区域的扫描顺序依次存储所述激光脉冲信号的脉冲周期；以及时序控制单元适用于根据所述触发信号生成与所述存储单元的存储的脉冲周期对应的时序控制信号。
根据本发明的实施例，所述单光子探测器适用于在所述时序控制信号的后一半时间开启，将所述反射激光脉冲信号转换成所述探测信号。
本发明的另一个方面提供了一种三维成像方法，利用根据上述任一种所述的单光子激光雷达三维成像系统，包括将待成像区域划分为M×N个子区域，其中M和N均为正整数；根据多个子区域生成与所述子区域一一对应的触发信号；根据所述触发信号生成时序控制信号；根据所述时序控制信号对与所述时序控制信号对应的子区域发射与所述时序控制信号对应的脉冲周期的激光脉冲信号，根据触发信号将所述激光脉冲信号发射至目标子区域，其中相邻子区域对应的所述激光脉冲信号的脉冲周期不同；将接收的反射激光脉冲信号转换成探测信号；根据所述时序控制信号和所述探测信号记录所述子区域的光子数和所述激光脉冲信号的光子的飞行时间；对所有所述子区域的光子数和飞行时间对所述待成像区域进行重构成像得到所述待成像区域的三维图像。
根据本发明的实施例，对所有所述子区域的光子数和飞行时间对所述待成像区域进行重构成像得到所述待成像区域的三维图像包括：根据每个子区域的光子数和飞行时间得到每个所述子区域的反射率估值；对于任一待测子区域，根据每个所述待测子区域的所述反射率估值及与所述待测子区域相邻的邻域子区域之间的横向间距，得到任一待测子区域与所述邻域子区域之间的联合双边滤波权重值，其中，当前计算的子区域为待测子区域；根据联合双边滤波权重值，筛选与待测子区域相邻的具有相同或相近深度的深度子区域，构建所述待测子区域的绝对距离初步估值；以及根据每个所述子区域的所述绝对距离初步估值得到所述待成像区域的三维图像。
根据本发明的实施例，所述根据每个所述子区域的所述绝对距离初步估值得到所述待成像区域的三维图像包括：根据每个所述子区域的所述绝对距离初步估值转换得到每个所述子区域的光子飞行周期数；根据每个所述子区域的光子飞行周期数，构建每个所述子区域的绝对距离的负对数似然函数；根据所有所述子区域的负对数似然函数，构建待成像区域中探测目标的绝对距离估计函数；根据所述探测目标的绝对距离估计函数，得到所述探测目标的绝对距离估计值，得到待成像区域的探测目标的三维图像。
根据本发明的实施例，所述根据所有子区域的光子数和飞行时间得到每个所述子区域的反射率估值包括：根据所述子区域的光子数和飞行时间，将所述子区域的光子数作为所述探测目标的探测信号计数；以及根据每个所述子区域的所述探测信号计数、每个子区域的激光脉冲总数、激光单脉冲能量以及子区域总数，利用解泊松噪声的凸优化算法去泊松噪声，对每个子区域的真实反射率进行估计，得到每个子区域的反射率估值。
根据本发明的实施例，在所述根据每个子区域的光子数和飞行时间得到每个子区域的反射率估值之前还包括：在信噪比小于1的情况下，根据所有子区域的光子数和飞行时间，通过加矩形窗的方法找到所述探测目标所处的子区域的探测信号的光子数。
根据本发明实施例的单光子激光雷达三维成像系统，为了突破距离模糊的限制，实现远距离条件下的绝对距离快速三维成像，单个子区域仅使用单一激光重复周期进行数据采集，相邻子区域使用不同激光重复周期进行数据采集的多激光重复周期的成像扫描方案，避免了各个子区域的数据的重复采集。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的单光子激光雷达三维成像系统的原理方框图；
图2示出了根据本发明实施例的子区域的激光脉冲信号的脉冲周期的示意图；
图3示出了根据本发明实施例的时序控制器的框图；
图4示出了根据本发明实施例的处理器的框图；
图5示出了根据本发明实施例的三维成像方法流程图；
图6示出了根据本发明实施例的重构计算的流程图；
图7示出了本发明实施例的子区域的脉冲周期的示意图；
图8示出了本发明实施例的三维成像图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。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发明实施例的全面理解。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发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。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。
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现对如下技术术语进行解释说明。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。
图1示出了根据本发明实施例的单光子激光雷达三维成像系统的原理方框图。
本发明实施例的一个方面，提供了一种单光子激光雷达三维成像系统，如图1所示，包括：激光器、扫描振镜、驱动器、时序控制器、单光子探测器、时间数字转换器（TDC）以及处理器。激光器适用于生成激光脉冲信号。驱动器适用于驱动扫描振镜改变角度使激光脉冲信号发射至待成像区域中的目标子区域、以及使扫描振镜接收从目标子区域反射的反射激光脉冲信号，待成像区域包括M×N个子区域，其中M和N均为正整数，且射向相邻的两个子区域的激光脉冲信号的脉冲周期不同。时序控制器存储有脉冲周期序列，脉冲周期序列包括与子区域一一对应的激光脉冲信号的脉冲周期，时序控制器适用于根据来自于驱动器的触发信号和脉冲周期序列生成时序控制信号，激光器根据时序控制信号生成激光脉冲信号。单光子探测器适用于接收反射激光脉冲信号并生成探测信号，探测信号包括与反射激光脉冲信号的光子数相关的光子数信息。时间数字转换器适用于根据时序控制信号与探测信号计算获得激光脉冲信号的光子的飞行时间。处理器被构造成根据所有目标子区域的光子数信息和飞行时间对待成像区域进行重构计算，得到待成像区域的三维图像。
根据本发明实施例的单光子激光雷达三维成像系统，为了突破距离模糊的限制，实现远距离条件下的绝对距离快速三维成像，单个子区域仅使用单一激光重复周期进行数据采集，相邻子区域的激光脉冲信号使用不同脉冲周期进行数据采集的多激光重复周期的成像扫描方案，避免了各个子区域的数据的重复采集。不限于特定周期的激光脉冲发射方案，可以针对不同距离的成像目标，选择不同的激光脉冲发射周期，对高能量低重复周期脉冲激光器依旧适用。相较于传统的伪随机数绝对距离成像方案，具有远距离（超过10公里）成像能力。
根据本发明的实施例，处理器上存储有执行重构计算的重构计算程序。
在一种示意性的实施例中，驱动信号采用时间控制，例如驱动信号的驱动周期可以是每2毫秒探测一个子区域。
在另一种示意性的实施例中，驱动信号的驱动周期还可以包括1.5毫秒、2.5毫秒、3毫秒、5毫秒、10毫秒等中的任一种。
根据本发明的实施例，可以根据实际需要测量的精度，将待成像区域划分为M×N个子区域，其中M和N均为正整数。例如，可以将待成像区域划分子区域的数量为8×8个、16×16个、150×264个、160×40个、120×340个、64×64个等中的任一。
图2示出了根据本发明实施例的子区域的激光脉冲信号的脉冲周期的示意图。
根据本发明的实施例，为了使得目标子区域在联合邻域子区域的过程中可以得到多个不同脉冲周期下所采集到的信号，突破距离模糊的限制，射向相邻的两个子区域的激光脉冲信号的脉冲周期不同。如图2所示，纵向相邻的三个子区域需要使用不同的脉冲周期，即针对任意子区域(i，j)满足T i-1,j ≠T i,j ≠T i+1,j ，横向相邻的三个子区域也需要使用不同的脉冲周期，即针对任意子区域（i，j）满足T i,j-1 ≠T i,j ≠T i,j+1 ，任意斜向相邻的子区域需要使用不同的脉冲周期，即要求满足T i-1,j ≠T i,j-1 ，T i+1,j ≠T i,j+1 ，其中M＞i＞1， N＞j＞1，且i和j均为整数。
根据本发明的实施例，单子区域仅采集单一脉冲周期的反射激光脉冲信号，避免了对每个子区域的数据的重复采集，利用邻域子区域的反射激光脉冲信号的探测信号进行联合测量，降低了对单子区域的信号需求，缩减了单光子激光雷达三维成像系统的数据采集时间。
图3示出了根据本发明实施例的时序控制器的框图。
根据本发明的实施例，如图3所示，时序控制器包括接收单元，接收单元具有外触发功能，适用于接收触发信号，实现了在对应子区域上按相应的激光脉冲信号的重复的脉冲周期进行数据采集。
在一种示意性的实施例中，时序控制器由FPGA（Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列）板开发实现。
根据本发明的实施例，如图3所示，时序控制器还包括存储单元以及时序控制单元。存储单元适用于根据子区域的扫描顺序依次存储激光脉冲信号的脉冲周期，时序控制单元适用于根据触发信号生成与存储单元的存储的脉冲周期对应的时序控制信号。
根据本发明的实施例，存储单元配置有较大的存储空间，可以按照子区域的扫描顺序依次存储所需的激光脉冲信号的脉冲周期，配合使用带有输出子区域信号功能的二维扫描振镜，时序控制单元可以逐子区域按所需激光脉冲信号的脉冲周期输出时序控制信号。激光器在接收到时序控制器所产生的时序控制信号后，会按照与时序控制信号对应的激光脉冲信号的脉冲周期产生激光脉冲，并经出射光路照明目标子区域。
激光脉冲信号从目标子区域反射的反射激光脉冲信号会被接收光路接收并耦合到单光子探测器，被单光子探测器探测并进行光电转换产生探测信号。探测信号会被输入到时间数字转换器（TDC）进行测量记录。
完成当前目标子区域的数据采集后，扫描振镜响应于驱动器的驱动信号转向下一目标子区域，驱动信号触发时序控制器切换时序控制信号，继续完成待测子区域的数据采集。
在相关技术中，由于实际中的待成像区域中的待测目标大多占据多个子区域，并且这些子区域间具有相近的深度，通过联合这些子区域的探测信息即可实现多激光重复周期联合测量，得到目标的绝对距离：
（1）。
其中， t q 表示子区域q测量得到的光子飞行时间，T q 表示子区域q所使用的激光周期大小，n q 表示光子飞行跨越的周期数，c为光速。
在完成多激光重复周期成像数据采集后，针对远距离条件下，低信噪比以及弱回波光子等图像重构问题，一般采用最大似然估计法对探测目标的深度进行估计：
（2）。
其中，M为子区域的总数，K q 为子区域q的总光子数，C为光速，L p 为子区域p的绝对距离的拟合值，T q 为子区域q的激光的周期， 为子区域q测量得到的第ι个光子的飞行时间，σ代表信号展宽，n q 表示光子飞行跨越的周期数，N q 为子区域q的预估光子飞行可能跨越的最大周期数，假设目标的距离最大不超过L max ，则/>。
在实现本发明的过程中发现，由于存在距离模糊现象，上述估计方法中，L p 存在多解，其中n q 为正整数，且n q <N q 。并且其似然函数的二阶导数存在负数值，是一个非凸函数，无法使用凸优化算法进行计算，受泊松噪声影响较难收敛至最优值位置。
图4示出了根据本发明实施例的处理器的框图。
根据本发明的实施例，如图4所示，处理器包括反射率估计模块、权重计算模块、绝对距离初步估值模块、重构计算模块。
根据本发明的实施例，反射率估计模块被配置成根据每个子区域的光子数和飞行时间得到每个子区域的反射率估值。
详细的，反射率估计模块被配置为根据每个子区域的光子数和飞行时间，将每个子区域的光子数作为探测目标的探测信号计数。根据每个子区域的探测信号计数、每个子区域的激光脉冲总数、激光单脉冲能量以及子区域总数，利用解泊松噪声的凸优化算法去泊松噪声，对目标的真实反射率进行估计，得到每个子区域的反射率估值。
根据本发明的实施例，待成像区域的所有子区域的真实反射率估值：
（3）。
其中，N表示所有子区域的激光脉冲总数，S表示激光单脉冲能量，M表示子区域的总个数，α p 表示子区域p的反射率拟合值，表示子区域的最终反射率估值(最佳反射率拟合值)，k p 表示单光子探测器探测得到的子区域p的光子数。pen(α)表示针对待成像区域的反射率的正则化项。由于成像目标一般具有平滑性，为了得到更好的图像重构结果，这里引入全变分（Total Variation，TV）模型作为图像的正则化项；β表示与正则化项相应的正则化系数。
根据本发明的实施例，权重计算模块被配置成对任一待测子区域p，根据待测子区域p的相邻的邻域子区域q与待测子区域p的反射率估值的差值及横向间距，得到待测子区域p的邻域子区域q的联合双边滤波权重值：
（4）。
其中，r p 表示待测子区域p的反射率估值、r q 表示邻域子区域q的反射率估值，p表示待测子区域p的坐标的位置、q表示邻域子区域q的坐标的位置，f表示针对空间位置的高斯函数，g表示针对于反射率估值的高斯函数。
根据本发明的实施例，由于属于同一探测目标的邻近子区域一般具有相近的深度，通过联合这些子区域的探测信息即可实现多激光重复周期测量，得到光子所跨越的周期数。利用反射率估值的差值以及横向间距作为联合双边滤波权重值，筛选出具有与待测子区域具有相近深度的深度子区域，通过联合这些子区域的探测信号，得到待测子区域p所对应的绝对距离估值。
在一种示意性的实施例中，两个子区域之间深度的差值不超过30cm即可以认为这两个子区域具有相近的深度。
在另一种示意性的实施例中，两个子区域之间的深度的差值不超过50cm、25cm、20cm等之中任一，可以认为这两个子区域具有相近的深度。
在一种示意性的实施例中，对待成像区域划分为64×64的子区域，待测子区域是当前计算的一个子区域。比如现在是对子区域（32，32）进行计算，那此时，这里面的待测子区域p就是指的子区域（32，32）。
根据本发明的实施例，绝对距离初步估值模块被配置为根据联合双边滤波权重值，筛选与待测子区域p具有相同或相近深度的深度子区域q'，其中深度子区域q'属于邻域子区域q。根据深度子区域q'对应的绝对距离估值函数得到待测子区域p的绝对距离初步估值：
（5）。
其中，表示待测子区域p对应的绝对距离初步估值（最佳拟合值），q'属于待测子区域p的邻域Ω，ω q',p 代表利用反射率差值以及横向间距计算出的联合双边滤波权重值，表示深度子区域q'测量得到的第ι个光子的飞行时间，T q' 表示深度子区域q'所使用的激光周期大小，L p 表示待测子区域p到激光器的绝对距离拟合值，σ代表信号展宽，K q' 为深度子区域q'的总光子数，N q' 为深度子区域q'的预估光子飞行可能跨越的最大周期数，假设目标的距离最大不超过L max ，则/>。
根据本发明的实施例，重构计算模块被配置成根据所述探测目标的绝对距离估计函数，得到所述探测目标的绝对距离估计值，得到待成像区域的探测目标的三维图像。
根据本发明的实施例，如图4所示，重构计算模块包括转换模块，被配置为根据每个子区域所对应的绝对距离估计值可以得到每个子区域对应的光子飞行周期数：
（6）。
其中，表示待测子区域p对应的绝对距离初步估值（最佳拟合值），C表示光速，T p 表示待测子区域p所使用的激光周期大小。
根据本发明的实施例，如图4所示，重构计算模块还包括构建模块，被配置为在得到待测子区域p所对应的光子飞行周期数n p 后，构建待测子区域p的绝对距离的负对数似然函数：
（7）。
其中，L p 为子区域p的绝对距离的拟合值，σ代表信号展宽，C表示光速，n p 为待测子区域p所对应的光子飞行周期数，T p 表示待测子区域p所使用的激光周期大小， 表示待测子区域p测量得到的第ι个光子的飞行时间。
待测子区域p的负对数似然函数变成了一个凸函数，其二阶导数为。因此图像重构计算问题变成了一个凸优化问题。
根据本发明的实施例，如图4所示，重构计算模块还包括成像模块，被配置为根据所述探测目标的绝对距离估计函数，得到所述探测目标的绝对距离估计值，得到待成像区域的探测目标的三维图像。
详细的，成像模块被配置为根据目标所有子区域的负对数似然函数，得到目标的绝对距离估计函数；以及根据所述目标的绝对距离估计函数，得到所述目标的绝对距离估计值：
（8）。
其中，表示待测子区域p测量得到的第ι个光子的飞行时间，T p 表示待测子区域p所使用的激光周期大小，/>表示探测目标到激光器的绝对距离估值，σ代表信号展宽，K p 为待测子区域p的总光子数。
根据本发明的实施例，由于绝对距离成像重构是一个非凸问题，如果直接使用原始数据进行计算，一方面会耗费较大的数据处理量，另一方面也可能会因为泊松噪声而较难收敛至最优值位置。本发明通过联合邻域子区域的探测信号实现绝对距离补偿，将非凸问题转化为凸优化问题，降低了所需的数据处理复杂度。
根据本发明的实施例，反射率差值为相邻子区域的反射率估计值的差值。
根据本发明的实施例，通过反射率差值以及子区域的横向间距，识别出具有相近深度的邻域子区域信号，避免了邻域信号融合时所带来的边缘模糊，保留了重构三维图像的边缘准确性。
根据本发明的实施例，待成像区域中子区域的探测表面之间的距离为本发明所称的横向间距。
根据本发明的实施例，深度表示子区域的探测表面到激光器的距离的差值。
根据本发明的实施例，周围子区域与待测子区域的反射率差值越小，则联合双边滤波权重值就会越大，反之则越小。横向间距的作用也跟反射率值类似。当某一子区域的联合双边滤波权重值越大的时候，在计算绝对距离估计值时所拥有的影响力就越大，反之越小。通过这种方式，把反射率与待测子区域接近并且横向距离接近的子区域筛选出来。由于物体具有连续性，所以这些具有相似性质的子区域，与待测子区域有很大概率来自于同一探测目标（待成像区域中的物体），因此具有相近深度。
考虑到成像目标一般具有连续性，重构模块还被配置为引入正则化项，对低信噪比下的探测信号进行高精度图像重构，此时，待成像区域的绝对距离估计函数为：
（9）。
其中，表示子待测区域p测量得到的第ι个光子的飞行时间，T p 表示待测子区域p所使用的激光周期大小，L p 表示待测子区域p的绝对距离拟合值，/>表示物体到激光器的绝对距离估计值，σ代表信号展宽，K p 为待测子区域p的总光子数，pen(L)为针对探测目标距离的正则化项，β为与正则化项相应的正则化系数。
根据本发明的实施例，由于成像目标一般具有平滑性，为了得到更好的图像重构结果，会选择全变分（Total Variation，TV）模型作为图像的正则化项。
根据本发明的实施例，联合双边滤波借用邻域子区域的反射激光脉冲信号的探测信息，提高了信噪比，同时利用凸优化算法进行图像重构，增强了低信噪比下的图像重构能力。
根据本发明的实施例，如图4所示，处理器还包括寻物模块，在信噪比较低（小于1）的情况下，需要将信号计数和背景噪声计数区分开，才能得到准确的反射率信息。由于来自于待成像区域中的探测目标的反射激光脉冲信号往往集中在一个时间区域内，而噪声是均匀分布在整个时间轴上的，因此可以通过加矩形窗的方法找到信号可能所处的位置，将可能所处的位置的探测信号的总探测记数认为是探测目标的反射激光脉冲信号的光子数K p ，利用解泊松噪声的凸优化算法去泊松噪声，得到待成像区域的反射率估值。
根据本发明的实施例，矩形窗的宽度至少为信号展宽的3倍。
在一种示意性的实施例中，矩形窗的宽度为信号展宽的3倍、10倍、15倍、20倍等中的任一种。
本发明实施例的单光子激光雷达三维成像系统利用最大似然估计的方法提高光子利用率，同时将算法分步进行化简，将非凸问题转化为凸优化问题进行求解，实现远距离条件下的绝对距离三维图像快速高精度重构。
根据本发明的实施例，处理器包括但不限于计算机、平板、手机等中的任一种。
在一种示意性的实施例中，处理器为笔记本电脑。
根据本发明的实施例，如图1所示，单光子激光雷达三维成像系统还包括第一光开关和第二光开关。第一光开关适用于在时序控制信号的前一半时间开启，以控制激光脉冲信号在前一半时间通过第一光开关，使激光脉冲信号在前一半时间发射至待成像区域中的目标子区域。第二光开关，适用于在时序控制信号的后一半时间开启，以控制反射激光脉冲信号在后一半时间通过第二光开关，使反射激光脉冲信号在后一半时间发射至单光子探测器。。
根据本发明的实施例，如图1所示，单光子激光雷达三维成像系统还包括光准直器以及扩束镜。扩束镜适用于与光准直器配合减小激光脉冲信号的光束的发散角，并且将接收的激光脉冲信号发射至目标子区域或接收反射激光脉冲信号。
根据本发明的实施例，单光子探测器适用于在时序控制信号的后一半时间开启，将反射激光脉冲信号进行光电转换，转换成探测信号。
根据本发明的实施例，时间数字转换器适用于在时序控制信号的后一半时间开启，根据探测信号和时序控制信号计算获得激光脉冲信号的光子的飞行时间。
根据本发明的实施例，通过记录结束时刻（即时间数字转换器接收探测信号的时刻）与临近时序控制信号之间的时间间隔，确定子区域的光子飞行时间。
图5示出了根据本发明实施例的三维成像方法流程图。
本发明的另一个方面提供了一种三维成像方法，利用根据上述任一种的单光子激光雷达三维成像系统，如图5所示，包括操作S510~操作S570：
操作S510：将待成像区域划分为M×N个子区域，其中M和N均为正整数。
操作S520：根据多个子区域生成与子区域一一对应的触发信号。
操作S530：根据触发信号生成时序控制信号。
操作S540：根据时序控制信号对与时序控制信号对应的子区域发射与时序控制信号对应的脉冲周期的激光脉冲信号，根据触发信号将激光脉冲信号发射至目标子区域，其中相邻子区域对应的激光脉冲信号的脉冲周期不同。
操作S550：将接收的反射激光脉冲信号转换成探测信号。
操作S560：根据时序控制信号和探测信号记录子区域的光子数和激光脉冲信号的光子的飞行时间。
操作S570：对所有子区域的光子数和飞行时间对待成像区域进行重构计算得到待成像区域的三维图像。
图6示出了根据本发明实施例的重构计算的流程图。
根据本发明的实施例，对所有子区域的光子数和飞行时间对待成像区域进行重构计算得到待成像区域的三维图像中，如图6所示，重构计算包括操作S610~操作S640。
操作S610：根据每个子区域的光子数和飞行时间得到每个子区域的反射率估值函数。
操作S620：对于任一待测子区域，根据每个待测子区域的反射率估值函数及与待测子区域相邻的领域子区域之间的横向间距，得到任一待测子区域与所述邻域子区域之间的联合双边滤波权重值。
操作S630：根据联合双边滤波权重值，筛选与待测子区域相邻的具有相同或相近深度的深度子区域，得到待测子区域对应的绝对距离初步估值。
操作S640：根据每个子区域的绝对距离初步估值得到待成像区域的三维图像。
根据本发明的实施例，根据每个子区域的绝对距离初步估值得到待成像区域的三维图像包括：
根据每个所述子区域的所述绝对距离初步估值转换得到每个所述子区域的光子飞行周期数；
根据每个所述子区域的光子飞行周期数，构建每个所述子区域的绝对距离的负对数似然函数；
根据所有所述子区域的负对数似然函数，得到待成像区域中探测目标的绝对距离估计函数；
根据所述探测目标的绝对距离估计函数，得到所述探测目标的绝对距离估计值，得到待成像区域的探测目标的三维图像。
根据本发明的实施例，根据每个子区域的光子数和飞行时间得到每个子区域的反射率估值包括：
根据子区域的光子数和飞行时间，将子区域的光子数作为探测目标的探测信号计数。
根据每个子区域的探测信号计数、每个子区域的激光脉冲总数、激光单脉冲能量以及子区域总数，利用解泊松噪声的凸优化算法去泊松噪声，对每个子区域的真实反射率进行估计，得到每个子区域的反射率估值。
根据本发明的实施例，在根据每个子区域的光子数和飞行时间得到每个子区域的反射率估值函数之前还包括：在信噪比小于1的情况下，根据所有子区域的光子数和飞行时间，通过加矩形窗的方法找到探测目标所处的子区域的探测信号的光子数。
详细的，对所有子区域的光子数和飞行时间对待成像区域进行重构计算得到待成像区域的三维图像包括：
根据每个子区域的光子数，将每个子区域的光子数作为探测目标的探测信号计数。根据所述每个子区域的探测信号计数、激光脉冲总数、激光单脉冲能量以及子区域总数，利用解泊松噪声的凸优化算法去泊松噪声，对目标的真实反射率进行估计，得到反射率估值：
（10）。
其中，N表示所有子区域的激光脉冲总数，S表示激光单脉冲能量，M表示子区域的总个数，α p 表示子区域p的反射率拟合值，表示子区域的最终反射率估值(最佳反射率拟合值)，k p 表示单光子探测器探测得到的子区域p的光子数。pen(α)表示针对待成像区域的反射率的正则化项。由于成像目标一般具有平滑性，为了得到更好的图像重构结果，这里引入全变分（Total Variation，TV）模型作为图像的正则化项；β表示与正则化项相应的正则化系数。
对于目标任一子区域，根据待测子区域p的相邻的邻域子区域q与待测子区域p的反射率估值的差值及横向间距/>，得到待测子区域p的邻域子区域q的联合双边滤波权重值：
（11）。
其中，r p 表示待测子区域p的反射率估值、r q 表示邻域子区域q的反射率估值，p表示待测子区域p的坐标的位置、q表示邻域子区域q的坐标的位置，f表示针对空间位置的高斯函数，g表示针对于反射率估值的高斯函数。
根据所述联合双边滤波权重值，筛选与待测子区域p具有相同或相近深度的深度子区域q'，其中深度子区域q'属于邻域子区域q。根据深度子区域q'对应的绝对距离估值函数得到待测子区域p的绝对距离初步估值：
（12）。
其中，表示待测子区域p对应的绝对距离初步估值（最佳拟合值），q'属于待测子区域p的邻域Ω，ω q',p 代表利用反射率差值以及横向间距计算出的联合双边滤波权重值，/>表示深度子区域q'测量得到的第ι个光子的飞行时间，T q' 表示深度子区域q'所使用的激光周期大小，L p 表示待测子区域p到激光器的绝对距离拟合值，σ代表信号展宽，K q' 为深度子区域q'的总光子数，N q' 为深度子区域q'的预估光子飞行可能跨越的最大周期数，假设目标的距离最大不超过L max ，则/>。
根据每个子区域所对应的绝对距离估计值可以得到每个子区域对应的光子飞行周期数：
（13）。
其中，表示待测子区域p对应的绝对距离初步估值（最佳拟合值），C表示光速，T p 表示待测子区域p所使用的激光周期大小。
在得到待测子区域p所对应的光子飞行周期数n p 后，构建待测子区域p的绝对距离的负对数似然函数：
（14）。
其中，L p 为子区域p的绝对距离的拟合值，σ代表信号展宽，C表示光速，n p 为待测子区域p所对应的光子飞行周期数，T p 表示待测子区域p所使用的激光周期大小，表示待测子区域p测量得到的第ι个光子的飞行时间。
根据目标所有子区域的负对数似然函数，得到目标的绝对距离估计函数；根据所述目标的绝对距离估计函数，得到所述目标的绝对距离估计值：
（15）。
其中，表示待测子区域p测量得到的第ι个光子的飞行时间，T p 表示待测子区域p所使用的激光周期大小，/>表示探测目标到激光器的绝对距离估值，σ代表信号展宽，K p 为待测子区域p的总光子数。
考虑到成像目标一般具有连续性，引入正则化项，对低信噪比下的探测信号进行高精度图像重构，此时，待成像区域的绝对距离估计函数为：
（16）。
其中，表示子待测区域p测量得到的第ι个光子的飞行时间，T p 表示待测子区域p所使用的激光周期大小，L p 表示待测子区域p的绝对距离拟合值，/>表示物体到激光器的绝对距离估计值，σ代表信号展宽，K p 为待测子区域p的总光子数，pen(L)为针对探测目标距离的正则化项，β为与正则化项相应的正则化系数。
根据本发明的实施例，由于成像目标一般具有平滑性，为了得到更好的图像重构结果，选择全变分（Total Variation，TV）模型作为图像的正则化项。
图7示出了本发明实施例的子区域的脉冲周期的示意图。
在一种示意性的实施例中，实现2.2 km - 13.8 km范围内场景的绝对距离重构成像，如图7所示，将待成像区域划分为100×150个子区域（图7示意性示出了其中的一部分），采用本发明实施例的单光子激光雷达三维成像系统，如图1所示，发射端采用了光纤脉冲激光器，工作于外触发模式，激光器的发射周期可以通过外触发信号进行调节控制。接收端采用了铟镓砷/磷化铟（InGaAs/InP）单光子探测器。收发光路部分采用收发同轴设计，并使用环形器以及光开关实现收发隔离。为了实现逐子区域不同激光重复周期下的数据采集，选用能够输出子区域信号的二维扫描振镜，并通过FPGA板卡开发时序控制器。FPGA板具有一个外触发输入端口，可以接收来自二维扫描振镜的子区域信号，并按照设定好的周期序列依次执行相应的系统时序控制。
在保证系统的最大可识别距离满足实验需求的条件下，在系统激光器的最佳工作重复周期范围内选择了5个激光重复周期，使得所允许的系统探测误差以及邻域子区域距离变化量尽可能大。针对2.2 km -13.8 km范围内的绝对距离成像，选用激光脉冲重复的脉冲周期分别为 来完成成像数据采集，为满足多激光脉冲重复周期成像扫描方案中的约束条件，设计了如图7所示的激光脉冲信号的脉冲重复周期扫描方案，其中每个格点代表单个子区域，对应数值代表所使用的激光脉冲重复周期序号。
将上述单个子区域所需要使用的激光重复周期依次写入激光重复周期序列中，并存储到时序控制器的存储单元，完成数据采集前的准备工作。
在开始图像数据采集后，扫描振镜每指向一个目标子区域，都会向时间数字转换器（TDC）发出一个触发信号，表明开始采集当前子区域的光子信号，同时也会向时序控制器传递一个触发信号。时序控制器在接收到触发信号后，会依据设定的脉冲周期序列依次产生相应的时序控制信号，其中一路时序控制信号给TDC作为时钟信号，由TDC记录激光脉冲发出的时刻；一路时序控制信号传递给激光器作为外触发信号，以及三路时序控制信号分别传递给第一光开关、第二光开关以及单光子探测器，用于实现系统收发分时控制。激光器会依据相应的外触发信号（时序控制信号）生成对应脉冲周期的激光脉冲。激光脉冲信号经目标子区域反射回到系统，最终被探测器所探测。最终探测器会传递一个探测信号给TDC作为光子的返回时刻。通过记录结束时刻与临近时序控制信号之间的时间间隔，确定目标子区域的光子飞行时间。当完成当前目标子区域的信号采集后，扫描振镜响应于驱动器的驱动信号指向下一个目标子区域，系统随后依据设定值切换至对应脉冲周期，继续完成数据采集。
图8示出了本发明实施例的三维成像图。
完成全部子区域的数据采集后，将探测数据导入控制器，控制器根据所有目标子区域的光子数信息和飞行时间对所述待成像区域进行重构计算，得到所述待成像区域的三维图像，得到2.2km-13.8km范围内的如图8所示的三维图像，其中，图8中右侧坐标表示图8中的颜色对应到单光子激光雷达三维成像系统的距离（m）。
本发明提出的单子区域只使用单一脉冲周期进行数据采集，邻域子区域采用不同的脉冲周期进行数据采集的多激光重复周期的绝对距离成像快速扫描方案，配合光子有效的绝对距离重构计算，可突破距离模糊的限制，实现远距离条件下的绝对距离快速三维成像，具有很高的实用性。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明提供的单光子激光雷达三维成像系统和三维成像方法有了清楚的认识。
综上，本发明提供了一种单光子激光雷达三维成像系统和三维成像方法，解决了目前大多数单光子雷达存在的距离模糊问题，通过使用多激光重复周期成像扫描方案，并结合光子有效的绝对距离三维重构算法，可快速准确获取大纵深（待成像区域内两个探测目标的纵向距离大于2Km）范围内目标的三维绝对距离信息。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10%的变化、在一些实施例中±5%的变化、在一些实施例中±1%的变化、在一些实施例中±0.5%的变化。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种单光子激光雷达的三维成像方法，其特征在于，包括：
将待成像区域划分为M×N个子区域，其中M和N均为正整数；
根据多个子区域生成与所述子区域一一对应的触发信号；
根据所述触发信号生成时序控制信号；
根据所述时序控制信号对与所述时序控制信号对应的子区域发射与所述时序控制信号对应的脉冲周期的激光脉冲信号，根据触发信号将所述激光脉冲信号发射至目标子区域，其中相邻子区域对应的所述激光脉冲信号的脉冲周期不同；
将接收的反射激光脉冲信号转换成探测信号；
根据所述时序控制信号和所述探测信号记录所述子区域的光子数和所述激光脉冲信号的光子的飞行时间；以及
对所有所述子区域的光子数和飞行时间对所述待成像区域进行重构成像得到所述待成像区域的三维图像，包括：
根据每个子区域的光子数和飞行时间得到每个所述子区域的反射率估值；
对于任一待测子区域，根据每个所述待测子区域的所述反射率估值及与所述待测子区域相邻的邻域子区域之间的横向间距，得到任一待测子区域与所述邻域子区域之间的联合双边滤波权重值；
根据联合双边滤波权重值，筛选与待测子区域相邻的具有相同或相近深度的深度子区域，构建所述待测子区域的绝对距离初步估值；
根据每个所述子区域的所述绝对距离初步估值得到所述待成像区域的三维图像，包括：
根据每个所述子区域的所述绝对距离初步估值转换得到每个所述子区域的光子飞行周期数；
根据每个所述子区域的光子飞行周期数，构建每个所述子区域的绝对距离的负对数似然函数；
根据所有所述子区域的负对数似然函数，构建待成像区域中探测目标的绝对距离估计函数；以及
根据所述探测目标的绝对距离估计函数，得到所述探测目标的绝对距离估计值，得到待成像区域的探测目标的三维图像。
2.根据权利要求1所述的三维成像方法，其特征在于，所述根据每个子区域的光子数和飞行时间得到每个所述子区域的反射率估值包括：
根据所述子区域的光子数和飞行时间，将所述子区域的光子数作为所述探测目标的探测信号计数；以及
根据每个所述子区域的所述探测信号计数、每个子区域的激光脉冲总数、激光单脉冲能量以及子区域总数，利用解泊松噪声的凸优化算法去泊松噪声，对每个子区域的真实反射率进行估计，得到每个子区域的反射率估值。
3.根据权利要求2所述的三维成像方法，其特征在于，在所述根据每个子区域的光子数和飞行时间得到每个子区域的反射率估值之前还包括：
在信噪比小于1的情况下，根据所有子区域的光子数和飞行时间，通过加矩形窗的方法找到所述探测目标所处的子区域的探测信号的光子数。
4.一种单光子激光雷达三维成像系统，用于实现权利要求1-3中任一项所述的三维成像方法，其特征在于，包括：
激光器，适用于生成激光脉冲信号；
扫描振镜；
驱动器，适用于驱动所述扫描振镜改变角度使所述激光脉冲信号发射至待成像区域中的目标子区域、以及使所述扫描振镜接收从所述目标子区域反射的反射激光脉冲信号，所述待成像区域包括M×N个子区域，其中M和N均为正整数，且射向相邻的两个子区域的激光脉冲信号的脉冲周期不同；
时序控制器，存储有脉冲周期序列，所述脉冲周期序列包括与所述子区域一一对应的激光脉冲信号的脉冲周期，所述时序控制器适用于根据来自于所述驱动器的触发信号和所述脉冲周期序列生成时序控制信号，所述激光器根据所述时序控制信号生成所述激光脉冲信号；
单光子探测器，适用于接收所述反射激光脉冲信号并生成探测信号，所述探测信号包括与所述反射激光脉冲信号的光子数相关的光子数信息；
时间数字转换器，适用于根据所述时序控制信号与所述探测信号计算获得所述激光脉冲信号的光子的飞行时间；以及
处理器，被构造成根据所有目标子区域的光子数信息和飞行时间对所述待成像区域进行重构计算，得到所述待成像区域的三维图像。
5.根据权利要求4所述的单光子激光雷达三维成像系统，其特征在于，还包括：
第一光开关，适用于在所述时序控制信号的前一半时间开启，以控制所述激光脉冲信号在所述前一半时间通过所述第一光开关；以及
第二光开关，适用于在所述时序控制信号的后一半时间开启，以控制所述反射激光脉冲信号在所述后一半时间通过所述第二光开关。
6.根据权利要求4所述的单光子激光雷达三维成像系统，其特征在于，还包括：
光准直器；以及
扩束镜，适用于与所述光准直器配合减小所述激光脉冲信号的光束的发散角，并且将接收的所述激光脉冲信号发射至所述目标子区域或接收所述反射激光脉冲信号。
7.根据权利要求4所述的单光子激光雷达三维成像系统，其特征在于，所述时序控制器包括：
接收单元，适用于接收所述触发信号；
存储单元，适用于根据所述子区域的扫描顺序依次存储所述激光脉冲信号的脉冲周期；以及
时序控制单元，适用于根据所述触发信号生成与所述存储单元的存储的脉冲周期对应的时序控制信号。
8.根据权利要求4所述的单光子激光雷达三维成像系统，其特征在于，所述单光子探测器适用于在所述时序控制信号的后一半时间开启，将所述反射激光脉冲信号转换成所述探测信号。
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