一种多元光子计数激光测距的三维成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多元光子计数激光测距的三维成像系统，该系统包括用于发射光束阵列的激光发射单元、控制光束阵列发射和光束阵列扫描的控制单元、使用光学镜头接收回波光信号、光纤阵列耦合的单光子探测器阵列探测焦平面光信号的接收和探测单元，以及用于记录和分析多通道光子飞行时间的时间测量单元。本发明专利技术使用光纤阵列耦合的单光子探测器阵列，实现一维激光光束阵列的多元光子计数激光测距，并且在光束阵列排列的垂直方向对光束阵列进行一维扫描，实现光子计数三维激光成像。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种多元光子计数激光测距的三维成像系统，该系统包括用于发射光束阵列的激光发射单元、控制光束阵列发射和光束阵列扫描的控制单元、使用光学镜头接收回波光信号、光纤阵列耦合的单光子探测器阵列探测焦平面光信号的接收和探测单元，以及用于记录和分析多通道光子飞行时间的时间测量单元。本专利技术使用光纤阵列耦合的单光子探测器阵列，实现一维激光光束阵列的多元光子计数激光测距，并且在光束阵列排列的垂直方向对光束阵列进行一维扫描，实现光子计数三维激光成像。【专利说明】一种多元光子计数激光测距的三维成像系统
本专利技术涉及激光测距及三维成像领域，具体地说是一种使用光纤阵列耦合的单光子探测器阵列，实现多元光子计数激光测距的三维成像系统。
技术介绍
激光测距和三维成像系统在测绘中有重要的应用价值，随着测量距离不断提升，人们开始使用单光子探测器以及时间相关符合计数方法测量回波信号，极大地提高了测距性能。但是，对于多元激光测距的三维成像，由于缺少高性能的单光子探测器阵列，通常采用单光束逐点扫描，测量时间较长，而基于探测阵列的多元激光测距的三维成像仍是当前研究的难点。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于光纤阵列耦合的高性能的一维单光子探测器阵列，实现多元光子计数激光测距的三维成像系统，该系统提高了测量速度，并且发挥了单光子探测器超高灵敏度的优势，更重要的是，一维方向多元光子计数激光测距可以直接用于机载或者星载平台，利用平台的飞行，在飞行方向对一维激光光束阵列实现推扫扫描，达到三维激光成像的目的。 实现本专利技术目的的具体技术方案是:一种多元光子计数激光测距的三维成像系统，特点是:该系统包括激光发射单元、控制单元、接收和探测单元及时间测量单元，激光发射单元与接收和探测单元设置于同一个平台，并排摆放，控制单元在设于激光发射单元与接收和探测单元的平台下方支撑上方两个单元，时间测量单元分别与激光发射单元及接收和探测单元相连；其中，所述激光发射单元用于发射光束阵列，控制单元控制光束阵列发射和光束阵列扫描，接收和探测单元使用光学镜头接收回波光信号、光纤阵列耦合的单光子探测器阵列探测焦平面光信号，时间测量单元用于记录和分析多通道光子飞行时间；激光发射单元发射激光光束阵列射到目标物上并给时间测量单元一个同步信号，控制单元由时间测量单元控制使激光发射单元进行对目标物进行扫描，接收和探测单元进行对目标物反射光信号的接收和探测并把探测到的信号传输到时间测量单元，时间测量单元对接收和探测单元接收到的信号进行接收并通过多通道时间相关符合计数，得到一维方向多元距离信息；完成一维的多元测距之后，控制单元对激光光束阵列进行线性扫描，逐行获取多元距离信息，一维光束阵列的光束总数为N，总共扫描M行，获得N X M个点的三维图像。 所述的激光发射单元包括:脉冲激光器、高速线性光电探测器、介质膜高反镜、普通高反镜、激光扩束器和达曼光栅，所述脉冲激光器照准介质膜高反镜，所述高速线性光电探测器照准介质膜高反镜背面并与时间测量单元相连作为激光脉冲同步信号，所述介质膜反镜与所述普通高反镜镜面相对且两者法线相垂直，所述普通高反镜照准激光扩束器输入端，所述激光扩束器输出端通过达曼光栅照准被测目标物；激光从脉冲激光器中射出，射至介质膜高反镜然后反射至普通高反镜，随后光射至激光扩束器，然后再射向达曼光栅，经过达曼光栅后最后射至目标物。达曼光栅将单束入射光分束成一维光束阵列，其中相邻两束光的夹角相等，每束光的发散角保持与入射前光束相同。当一维激光光束阵列照射到远距离目标表面，在目标表面形成一维激光点阵，在同一距离平面的光斑间隔相等。 所述接收和探测单元包括:光学镜头、窄带滤波片和光纤阵列耦合的单光子探测器阵列，所述光学镜头照准被测目标，所述窄带滤波片置于光学镜头和光纤阵列耦合的单光子探测器阵列之间，光学镜头、窄带滤波片和光纤耦合的单光子探测器阵列呈直线排列，光学镜头接收到经目标表面反射的一维激光点阵信号，经过窄带滤光片抑制背景光，在焦平面形成一维点阵实像；在焦平面，光纤阵列将激光点阵一一耦合进入各个光纤通道，并送入单光子探测器阵列。 所述光纤阵列耦合的单光子探测器阵列由光纤阵列和单光子探测器阵列构成，对目标物反射的一维激光点阵光信号的接收和探测，并且实现多通道光子计数脉冲的同步传输。 所述控制单元为角位器，由时间测量单元控制，控制单元使激光发射单元发射出的一维点阵光在竖直方向由时间测量单兀控制移动，完成扫描。 所述时间测量单元由数字逻辑分析仪和计算机组成，数字逻辑分析仪完成多通道时间相关符合计数，记录每个通道的计数脉冲与激光脉冲同步信号的时间间隔，通过多个激光脉冲周期的累计计数，计算各个通道信号计数脉冲的时间间隔的平均值Tn，然后通过光子飞行时间公式求得各个通道的目标距离Ln ； Ln = C.Tn / 2其中C为光子的飞行速度，η为激光光束阵列的光束序号；计算机进行对控制单元的扫描控制和数字逻辑分析仪的数据处理。 本专利技术通过光纤阵列耦合的单光子探测器阵列，探测一维多光束阵列的回波信号，得到一维方向多元的距离信息，然后对激光光束阵列一维扫描，实现三维激光成像。相对于点激光信号扫描，本专利技术提高了测量速度，并且发挥了单光子探测器超高灵敏度的优势。更重要的是，一维方向多元光子计数激光测距可以直接用于机载或者星载平台，利用平台的飞行，在飞行方向对一维激光光束阵列实现推扫扫描，达到三维激光成像的目的。 【专利附图】【附图说明】 图1为本专利技术结构示意图；图2为本专利技术单光子探测器阵列示意图；图3为本专利技术控制单元对一维点阵光在竖直方向由时间测量单元控制移动，完成扫描示意图；图4为本专利技术单光子探测器阵列实例工作示意图。 【具体实施方式】 参阅图1,包括用于发射光束阵列的激光发射单元Α、控制光束阵列发射和光束阵列扫描的控制单元B、使用光学镜头接收回波光信号、光纤阵列耦合的单光子探测器阵列探测焦平面光信号的接收和探测单元C及用于记录和分析多通道光子飞行时间的时间测量单元D。激光发射单元A包括脉冲激光器11、高速线性光电探测器12、激光扩束器13、介质膜高反镜14、普通高反镜15、达曼光栅(DOE) 16 ;接收和探测单元C包括光学镜头31、滤光片32、光纤阵列耦合的单光子探测器阵列33 ;控制单元B控制脉冲激光器11发出激光脉冲，经介质膜高反镜14极少部分激光透射进入高速线性光电探测器12，探测到的脉冲信号作为激光脉冲的同步信号由时间测量单元D记录。普通高反镜15调节激光光束的反射方向，使其完全垂直入射到激光扩束器13，激光扩束器13输出的单光束垂直照射到DOE元件。DOE元件将单束入射光分束成一维光束阵列，其中相邻两束光的夹角相等，每束光的发散角基本保持与入射前光束相同。当一维激光光束阵列照射到远距离目标表面，在目标表面形成一维激光点阵，在同一距离平面的光斑间隔相等。 光学镜头31接收到经目标表面反射的一维激光点阵信号，经过窄带滤光片32抑制背景光，在焦平面形成一维点阵实像。在焦平面，光纤阵列331将激光点阵一一耦合进入各个光纤通道，并送入单光子探测器阵列332 (图2，图中浅色部分为光纤芯，深色部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多元光子计数激光测距的三维成像系统，其特征在于该系统包括激光发射单元、控制单元、接收和探测单元及时间测量单元，激光发射单元与接收和探测单元设置于同一个平台，并排摆放，控制单元在设于激光发射单元与接收和探测单元的平台下方支撑上方两个单元，时间测量单元分别与激光发射单元及接收和探测单元相连；其中，所述激光发射单元用于发射光束阵列，控制单元控制光束阵列发射和光束阵列扫描，接收和探测单元使用光学镜头接收回波光信号、光纤阵列耦合的单光子探测器阵列探测焦平面光信号，时间测量单元用于记录和分析多通道光子飞行时间；激光发射单元发射激光光束阵列射到目标物上并给时间测量单元一个同步信号，控制单元由时间测量单元控制使激光发射单元进行对目标物的扫描，接收和探测单元进行对目标物反射光信号的接收和探测并把探测到的信号传输到时间测量单元，时间测量单元对接收和探测单元接收到的信号进行接收并通过多通道时间相关符合计数，得到一维方向多元距离信息；完成一维的多元测距之后，控制单元对激光光束阵列进行线性扫描，逐行获取多元距离信息，一维光束阵列的光束总数为N，总共扫描M行，获得N×M个点的三维图像。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴光，冯百成，师亚帆，鲍泽宇，李召辉，杜秉承，颜佩琴，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31