一种基于光子标记的首光子激光成像系统技术方案

一种基于单光子标记的首光子激光成像系统，包括光子编码系统、1×N激光器阵列(2)，光路折转元件(3)、二维扫描装置(4)、望远镜光学系统(5)、光束聚焦元件(6)、光子解码系统(7)、1×N单光子探测器阵列(8)、多通道时间相关单光子计数系统(9)及控制与数据采集系统(10)。本发明专利技术装置采用光子标记与高重频首光子成像算法，能够克服现有首光子激光成像系统脉冲重复频率受限难以提升的问题，提高首光子激光成像系统数据采集的速度，缩短首光子激光成像时间。

Photon first photon laser imaging system based on photon labeling

A first single photon photon laser imaging system based on marker, including photon encoding system, 1 x N laser array (2), light path folding element (3), two-dimensional scanning device (4), (5) telescope optical system, beam focusing element (6), (7), photon decoding system 1 * N single photon detector array (8), multi-channel time correlated single photon counting system (9) and the control and data acquisition system (10). The device of the invention adopts photonic markers with high repetition rate first photon imaging algorithm can overcome the existing first photon imaging system with laser pulse repetition frequency limitation is difficult to improve, improve the first photon laser imaging system data acquisition speed, shorten the imaging time of the first photon laser.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光子标记的首光子激光成像系统
本专利技术属于光学成像
和光子计数激光成像
，涉及一种能够快速成像的首光子激光成像系统。
技术介绍
传统的激光雷达采用线性探测体制，激光回波脉冲中包含数千个光子，依靠较高的信噪比将回波信号从背景噪声中检出，这种高的激光发射能量限制了激光重复频率、数据采样率以及最大作用距离。为了解决这个问题，激光雷达正朝着低发射能量、高重频、高灵敏度探测的方向发展，目前最常见的是光子计数激光三维成像技术，以美国NASA、MIT林肯实验室为代表，采用高重频、低能量激光发射机和高灵敏度的单光子探测器，将线性探测体制下包含大量光子的回波波形探测转换为针对单个回波光子事件的“计数”，充分应用了回波信号中的能量。但是，为了将信号从背景噪声和暗计数中提取出来，该系统需要利用多个光子事件累积方法，那么每个像素仍然要求累积数十个光子。当前提出的首光子成像技术采用盖革模式单光子探测器，回波信号能量低于0.1个光子每脉冲，系统不再通过光子事件累积的方法成像，而是从探测器响应的首个光子的脉冲计数和延时时间中获取目标的反射率和高程信息，同时采用首光子成像算法剔除背景噪声的影响，将有望大大简化激光雷达系统，进一步降低系统对功耗、望远镜口径等的要求。但是，为了得到首个光子的准确时间信息，目前首光子成像技术要求激光器的重复频率f≤c/2s，其中c是光速，s是目标相对激光雷达的距离。一旦激光器的重复频率超过这个阈值，响应光子的时间信息有可能出现周期混叠，从而无法正确反演出目标的反射率信息和高程信息。并且，当前的首光子成像系统工作在极低的回波强度条件下，当探测器响应首个光子时，激光器需要发射多个脉冲，而重复频率的限制往往使得系统数据采集的时间延长，从而影响系统成像的时效性，不利于其对运动或变化的目标场景成像，在应用中具有很大的局限性。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：能够克服现有首光子激光成像系统高重复频率条件下响应光子的时间信息出现周期混叠的不足，突破该系统脉冲重复频率受限的难题，提供一种能够在极低回波信号强度条件下快速成像的首光子激光成像系统。本专利技术的技术解决方案是：一种基于光子标记的首光子激光成像系统，包括光子编码系统、1×N激光器阵列、光路折转元件、二维扫描装置、望远镜光学系统、光束聚焦元件、光子解码系统、1×N单光子探测器阵列、多通道时间相关单光子计数系统以及控制与数据采集系统；N为正整数；所述的光子编码系统根据控制与数据采集系统的控制指令，利用开关电路控制1×N激光器阵列中各激光器中的激光二极管的驱动电源，使1×N激光器阵列中的N个激光器，在一个准周期T内，按照相等的时间间隔T/N，依次发射窄脉宽的带有标记的单光子脉冲；N个激光器发射的单光子脉冲通过合束，最后沿同一光路经折转镜、二维扫描装置向目标发射；目标反射回的回波光信号经望远镜光学系统、光束聚焦元件到达光子解码系统，光子解码系统将带有标记的单光子脉冲空间分离后，对应送至1×N单光子探测器阵列进行探测；1×N单光子探测器阵列将探测到的信号输出至多通道时间相关单光子计数系统和控制与数据采集系统，提取出带有标记的单光子脉冲的信息，之后通过高重频首光子成像算法对数据进行反演和去噪，最终显示目标的反射率图像和高程图像。所述1×N单光子探测器阵列中每个单光子探测器工作在盖革模式。所述的光子编码系统的编码形式为偏振编码或波长编码，所述的光子解码系统对于偏振编码的单光子脉冲采用偏振分束器进行分光，对于波长编码的单光子脉冲采用光栅分光。所述的多通道时间相关单光子计数系统与1×N个单光子探测器的输出相连，记录到达1×N单光子探测器阵列的第一个单光子脉冲的延迟时间。所述的控制与数据采集系统与光子编码系统的输入相连，通过指令控制光子编码系统的开关；同时控制与数据采集系统与1×N单光子探测器阵列的输出相连，记录到达1×N单光子探测器阵列的第一个单光子脉冲的编码信息和脉冲计数；同时控制与数据采集系统与多通道时间相关单光子计数系统的输出相连，存储到达1×N单光子探测器阵列的第一个单光子脉冲的延迟时间，并对带有标记的单光子脉冲的信息，包括编码信息、脉冲计数和延迟时间，进行反演和去噪，最终显示目标的高程图像和反射率图像。本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：(1)本专利技术系统采用光子标记的方法，在原有的首光子成像系统基础上只需添加光子编码装置和光子解码装置，同时在1×N激光器阵列和1×N单光子探测阵列的辅助下，首光子成像系统所允许的重复频率的上限提升至现有技术的N倍，缩减了首光子成像时间，提高了成像的针对性和时效性，具有更高的时间分辨率；(2)本专利技术系统涉及的光子编码系统采用开关电路控制1×N激光器阵列的各个激光器分时发出携带标记信息的脉冲，各激光器发射的脉冲通过合束，由完全重合的光路，经折转镜、二维扫描装置向目标发射，无需调整原扫描装置、望远镜光学系统的位置，避免编码过程中电光晶体的使用以及复杂的电路设计，增加系统的稳定性。(3)本专利技术系统涉及的光子标记方法采用偏振或波长等信息编码，光子解码系统是一个无源分光系统，解码过程中无需光电探测，仅利用光学手段将携带不同编码信息的光子空间分离，不消耗用于成像的光子能量，无需增加发射端激光器的功耗。附图说明图1为本专利技术一种基于单光子标记的首光子激光成像系统示意图；图2a-图2b分别为本专利技术光子编码系统在偏振、波长编码形式下的系统示意图；图3a-图3b分别为本专利技术光子解码系统在偏振、波长编码形式下的系统示意图；图4a-图4b分别为本专利技术系统在偏振编码形式下获得的S偏振、P偏振单光子脉冲的脉冲计数数据的仿真实验结果；图4c-图4d分别为本专利技术系统在偏振编码形式下获得的S偏振、P偏振单光子脉冲的延迟时间数据的仿真实验结果。图5a-图5d分别为本专利技术系统在波长编码形式下获得的635nm、650nm、660nm、670nm单光子脉冲的脉冲计数的仿真实验结果；图5e-图5h分别为本专利技术系统在波长编码形式下获得的635nm、650nm、660nm、670nm单光子脉冲的延迟时间数据的仿真实验结果。图6a、图6d分别为本专利技术系统的待测目标场景的反射率图像和高程图像；图6b、图6e分别为本专利技术系统将各探测器输出的单光子脉冲的脉冲计数图和延迟时间图；图6c、图6f分别为本专利技术系统采用高重频首光子成像算法反演和去噪后的反射率图像和高程图像。具体实施方式本专利技术提出一种基于光子标记的首光子激光成像系统，如图1所示包括光子编码系统1、1×N激光器阵列2、光路折转元件3、二维扫描装置4、望远镜光学系统5、光束聚焦元件6、光子解码系统7、1×N单光子探测器阵列8、多通道时间相关单光子计数系统9及控制与数据采集系统10，其中，光子编码系统1与1×N激光器阵列2组成发射携带标记信息的单光子脉冲光源；光子解码系统7置于光束聚焦元件6的焦面处，单光子探测器阵列8之前，通过将携带不同标记信息的单光子空间分离。控制与数据采集系统10开发成软件包在计算机上运行，发指令给光子编码系统1来控制1×N激光器阵列2按次序发射单光子脉冲，记录和处理到达1×N单光子探测器阵列8的单光子脉冲的信息，并对数据进行反演和去噪，显示目标的高程图像和反射率图像。所述的光子编码系统1根据控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光子标记的首光子激光成像系统，其特征在于：包括光子编码系统(1)、1×N激光器阵列(2)、光路折转元件(3)、二维扫描装置(4)、望远镜光学系统(5)、光束聚焦元件(6)、光子解码系统(7)、1×N单光子探测器阵列(8)、多通道时间相关单光子计数系统(9)以及控制与数据采集系统(10)；N为正整数；所述的光子编码系统(1)根据控制与数据采集系统(10)的控制指令，利用开关电路控制1×N激光器阵列(2)中各激光器中的激光二极管的驱动电源，使1×N激光器阵列(2)中的N个激光器，在一个准周期T内，按照相等的时间间隔T/N，依次发射窄脉宽的带有标记的单光子脉冲；N个激光器发射的单光子脉冲通过合束，最后沿同一光路经折转镜(3)、二维扫描装置(4)向目标发射；目标反射回的回波光信号经望远镜光学系统(5)、光束聚焦元件(6)到达光子解码系统(7)，光子解码系统(7)将带有标记的单光子脉冲空间分离后，对应送至1×N单光子探测器阵列(8)进行探测；1×N单光子探测器阵列(8)将探测到的信号输出至多通道时间相关单光子计数系统(9)和控制与数据采集系统(10)，提取出带有标记的单光子脉冲的信息，之后通过高重频首光子成像算法对数据进行反演和去噪，最终显示目标的反射率图像和高程图像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光子标记的首光子激光成像系统，其特征在于：包括光子编码系统(1)、1×N激光器阵列(2)、光路折转元件(3)、二维扫描装置(4)、望远镜光学系统(5)、光束聚焦元件(6)、光子解码系统(7)、1×N单光子探测器阵列(8)、多通道时间相关单光子计数系统(9)以及控制与数据采集系统(10)；N为正整数；所述的光子编码系统(1)根据控制与数据采集系统(10)的控制指令，利用开关电路控制1×N激光器阵列(2)中各激光器中的激光二极管的驱动电源，使1×N激光器阵列(2)中的N个激光器，在一个准周期T内，按照相等的时间间隔T/N，依次发射窄脉宽的带有标记的单光子脉冲；N个激光器发射的单光子脉冲通过合束，最后沿同一光路经折转镜(3)、二维扫描装置(4)向目标发射；目标反射回的回波光信号经望远镜光学系统(5)、光束聚焦元件(6)到达光子解码系统(7)，光子解码系统(7)将带有标记的单光子脉冲空间分离后，对应送至1×N单光子探测器阵列(8)进行探测；1×N单光子探测器阵列(8)将探测到的信号输出至多通道时间相关单光子计数系统(9)和控制与数据采集系统(10)，提取出带有标记的单光子脉冲的信息，之后通过高重频首光子成像算法对数据进行反演和去噪，最终显示目标的反射率图像和高程图像。2.根据权利要求1所述的一种基于光子标记的首光...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨颂，苏云，王保华，邬志强，阮宁娟，郭崇岭，张鹏斌，林栩凌，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11