一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置及方法制造方法及图纸

一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置及方法，涉及激光成像技术，为了解决现有技术无法对非视域场景进行成像的问题。脉冲激光器发射激光并给多通道时间相关单光子计数器一个时间信号；整形后的激光入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体；接收光学系统接收墙体返回的激光，并使接收光学系统的像方视场与单光子探测器阵列的视场相同；多通道时间相关单光子计数器计算入射至单光子探测器阵列的光子从脉冲激光器出发到回到单光子探测器阵列的光子飞行时间，得到时间光子计数图；计算机根据多幅时间光子计数图对目标的三维图像进行重构，得到三维图像。本发明专利技术适用于对非视域目标进行三维成像。

Non scanning photon counting non sight three-dimensional imaging device and method

The utility model relates to a non scanning photon counting non sight three-dimensional imaging device and method, relating to laser imaging technology, in order to solve the problem that the prior art can not image the non vision scene. Pulse laser emission and laser to multi-channel time correlated single photon counting a time signal; after shaping the laser incident to the wall, the wall of the laser scattering by the target reflection again after the incident to the wall; the laser receiving optical system receives the wall back, and the receiving optical system and image field of single photon detector array the same field of view; photonic multi-channel time correlated single photon counting to calculate the incidence of single photon detector array from pulse laser to photon time of flight back to single photon detector array, get the time of photon counting image; computer 3D images were reconstructed according to the time of photon counting on the target map, three-dimensional image. The invention is suitable for three-dimensional imaging of non sight target.

【技术实现步骤摘要】
一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置及方法
本专利技术涉及激光成像技术，具体涉及非视域的三维成像技术。
技术介绍
激光成像技术具有横向分辨率高、测距误差小、成像速度快、体积重量小等优点，因而被广泛地应用于民用和军用领域中，用于直接获取目标的强度信息和三维距离信息，从而实现对目标的识别。随着器件技术的发展，特别是高灵敏度、高时间分辨率的单光子探测器的出现，激光成像技术不仅仅局限于对常规目标的探测，还被应用于一些特殊条件或特殊环境下目标的探测和识别，特别是对非视域场景中目标的成像正越来越受到人们的关注。所谓的非视域场景是指由于障碍物如房屋墙壁、建筑拐角、门窗玻璃等的遮挡，使得目标物处于人眼直视视场或成像设备的探测视场之外，现有成像手段无法直接观测的场景。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术无法对非视域场景进行成像的问题，从而提供一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置及方法。本专利技术所述的一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置，包括脉冲激光器、光束整形系统、接收光学系统、单光子探测器阵列、多通道时间相关单光子计数器和计算机；脉冲激光器发射激光并给多通道时间相关单光子计数器一个时间信号，脉冲激光器出射的激光经光束整形系统整形后入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体，接收光学系统接收墙体返回的激光，该激光入射至单光子探测器阵列，单光子探测器阵列的多个输出端与多通道时间相关单光子计数器的多个输入端一一对应连接，多通道时间相关单光子计数器的输出端与计算机相连。优选的是，还包括滤光片，滤光片位于墙体与单光子探测器阵列之间的光路中。滤光片对杂散光进行滤除，提高了测量精度。本专利技术所述的一种无扫描式光子计数非视域三维成像方法，该方法包括以下步骤：脉冲激光器发射激光并给多通道时间相关单光子计数器一个时间信号；采用光束整形系统对脉冲激光器发射的激光进行整形；整形后的激光入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体；接收光学系统接收墙体返回的激光，并使接收光学系统的像方视场与单光子探测器阵列的视场相同；多通道时间相关单光子计数器计算入射至单光子探测器阵列的光子从脉冲激光器出发到回到单光子探测器阵列的光子飞行时间，得到时间光子计数图；单光子探测器阵列的每一个探测器单元对应墙体上的一点，这一点为像点，单光子探测器阵列对应多个像点，得到多幅时间光子计数图；计算机根据多幅时间光子计数图对目标的三维图像进行重构，得到三维图像。优选的是，还包括采用滤光片对墙体返回的激光进行过滤的步骤。优选的是，计算机根据多幅时间光子计数图对目标的三维图像进行重构，得到三维图像，具体包括以下步骤：反投影：建立模型，脉冲激光器位于L点，单光子探测器阵列位于D点，脉冲激光器出射的激光入射于墙上的S点，Ii为第i个像点；将每一幅时间光子图反投影到三维空间中，时间光子计数图中每个时刻的值都对应三维空间中的一个椭球面，该椭球面以源点和像点为焦点，目标的一点的空间坐标(x,y,z)满足下式：||(x,y,z)-S||+||(x,y,z)-Ii||＝ctij-||L-S||-||D-Ii||其中，c为光速，tij为探测第i个像点时第j个通道的光子飞行时间；所有椭球面在空间中交叠求和，形成一幅置信值图V(x,y,z)；滤波处理：采用拉普拉斯滤波器进行滤波，得到滤波置信图Vf(x,y,z)取阈处理：对滤波置信图Vf(x,y,z)进行取阈处理，得到目标的三维图像；阈值为βmax(Vf(x,y,z))，剔除低于阈值的值，0＜β＜1。根据需求设定β的值。本专利技术采用高性能的成像设备，可以从周围的场景如墙壁、地面等物体上间接获取非视域目标的回波信号，利用回波信号对非视域目标进行三维重构。本专利技术所采用的探测器是阵列的，不需要光束扫描装置，可在极短的时间内同时完成对多个像点的数据采集，大大提高系统的帧频。非视域成像技术有很好的发展前景，将来可被广泛地应用于战场监视、城市交通、搜索营救、反恐侦察、地震救灾、历史考古、医学诊疗等领域。本专利技术适用于对非视域目标进行三维成像。附图说明图1是的
技术介绍
的非视域场景的结构示意图；A1为遮挡物，A2为墙体，A3为目标；图2是具体实施方式一所述的一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置的结构示意图；图3是具体实施方式三中的成像原理图；B为椭球面，C为空间坐标点。具体实施方式具体实施方式一：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置，包括脉冲激光器1、光束整形系统2、接收光学系统3、单光子探测器阵列5、多通道时间相关单光子计数器6和计算机7；脉冲激光器1发射激光并给多通道时间相关单光子计数器6一个时间信号，脉冲激光器1出射的激光经光束整形系统2整形后入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体，接收光学系统3接收墙体返回的激光，该激光入射至单光子探测器阵列5，单光子探测器阵列5的多个输出端与多通道时间相关单光子计数器6的多个输入端一一对应连接，多通道时间相关单光子计数器6的输出端与计算机7相连。本实施方式的装置能够测量光从脉冲激光器出来后经多次散射回到单光子探测器阵列所形成的信号波形(不同时刻的光子数)。为了获得足够高的时间分辨率，要求发射光脉冲的宽度小于几百皮秒，单光子探测器阵列的响应时间也要小于几百皮秒。具体实施方式二：基于具体实施方式一所述的一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置的成像方法，该方法包括以下步骤：脉冲激光器1发射激光并给多通道时间相关单光子计数器6一个时间信号；采用光束整形系统2对脉冲激光器1发射的激光进行整形；整形后的激光入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体；接收光学系统3接收墙体返回的激光，并使接收光学系统3的像方视场与单光子探测器阵列5的视场相同；多通道时间相关单光子计数器6计算入射至单光子探测器阵列5的光子从脉冲激光器1出发到回到单光子探测器阵列5的光子飞行时间，得到时间光子计数图；单光子探测器阵列5的每一个探测器单元对应墙体上的一点，这一点为像点，单光子探测器阵列对应多个像点，得到多幅时间光子计数图；计算机7根据多幅时间光子计数图对目标的三维图像的进行重构，得到三维图像。具体实施方式三：结合图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的一种无扫描式光子计数非视域三维成像方法作进一步说明，本实施方式中，计算机7根据多幅时间光子计数图对目标的三维图像进行重构，得到三维图像，具体包括以下步骤：反投影：建立模型，脉冲激光器1位于L点，单光子探测器阵列5位于D点，脉冲激光器1出射的激光入射于墙上的S点，Ii为第i个像点；将每一幅时间光子图反投影到三维空间中，时间光子计数图中每个时刻的值都对应三维空间中的一个椭球面，该椭球面以源点和像点为焦点，目标的一点的空间坐标(x,y,z)满足下式：||(x，y，z)-S||+||(x，y，z)-Ii||＝ctij-||L-S||-||D-Ii||其中，c为光速，tij为探测第i个像点时第j个通道的光子飞行时间；所有椭球面在空间中交叠求和，形成一幅置信值图V(x,y,z)；滤波处理：采用拉普拉斯滤波器进行滤波，得到滤波置信图Vf(x,y,z)取阈处理：对滤波置信图Vf(x,y,z)进行取阈处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置，其特征在于，包括脉冲激光器(1)、光束整形系统(2)、接收光学系统(3)、单光子探测器阵列(5)、多通道时间相关单光子计数器(6)和计算机(7)；脉冲激光器(1)发射激光并给多通道时间相关单光子计数器(6)一个时间信号，脉冲激光器(1)出射的激光经光束整形系统(2)整形后入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体，接收光学系统(3)接收墙体返回的激光，该激光入射至单光子探测器阵列(5)，单光子探测器阵列(5)的多个输出端与多通道时间相关单光子计数器(6)的多个输入端一一对应连接，多通道时间相关单光子计数器(6)的输出端与计算机(7)相连。

【技术特征摘要】
1.一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置，其特征在于，包括脉冲激光器(1)、光束整形系统(2)、接收光学系统(3)、单光子探测器阵列(5)、多通道时间相关单光子计数器(6)和计算机(7)；脉冲激光器(1)发射激光并给多通道时间相关单光子计数器(6)一个时间信号，脉冲激光器(1)出射的激光经光束整形系统(2)整形后入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体，接收光学系统(3)接收墙体返回的激光，该激光入射至单光子探测器阵列(5)，单光子探测器阵列(5)的多个输出端与多通道时间相关单光子计数器(6)的多个输入端一一对应连接，多通道时间相关单光子计数器(6)的输出端与计算机(7)相连。2.根据权利要求1所述的一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置，其特征在于，还包括滤光片(4)，滤光片(4)位于墙体与单光子探测器阵列(5)之间的光路中。3.基于权利要求1所述的一种无扫描式光子计数非视域三维成像装置的成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：脉冲激光器(1)发射激光并给多通道时间相关单光子计数器(6)一个时间信号；采用光束整形系统(2)对脉冲激光器(1)发射的激光进行整形；整形后的激光入射至墙体，墙体散射的激光经目标反射后再次入射至墙体；接收光学系统(3)接收墙体返回的激光，并使接收光学系统(3)的像方视场与单光子探测器阵列(5)的视场相同；多通道时间相关单光子计数器(6)计算入射至单光子探测器阵列(5)的光子从脉冲激光器(1)出发到回到单光子探测器阵列(5)的光子飞行时间，得到时间光子计数图；单...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳辰飞，赵远，谢佳衡，张思琦，张勇，张子静，刘丽萍，李家欢，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23