远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法，该系统利用时间相关光子计数技术结合工作于盖革模式下的雪崩光电二极管获取目标光子飞行时间数据，再用专门的算法和软件对原始数据进行分析，从而准确重构远距离目标的深度及反射率图像。本发明专利技术解决了传统光子计数激光雷达系统作用距离较短、成像速度较慢的问题，有效拓宽了光子计数激光雷达系统的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法
本专利技术属于单光子探测成像领域，是一种远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法。技术背景随着科技的进步和发展，各种无人驾驶、辅助驾驶系统的应用愈加广泛，智能机器人的各项功能日益完善，逐渐代替人类在恶劣复杂环境下完成各项人们无法完成的任务。无人机、无人车和智能移动机器人对周围环境，如周边路况、物体方位的准确感知是其广泛应用的基础，也是其正常运行并且顺利执行任务的前提，所以如何提高无人机、无人车和智能移动机器人对周围复杂环境的感知能力便成为了一个共同关注的问题。激光雷达是应用激光进行光电探测的主要领域。激光测距与传统的测距方法如光学测距、雷达测距、超声波测距等技术相比具有抗电磁干扰、工作时间长、受环境影响小、结构简单、体积小等优势。在激光测距的基础上形成了以激光作为信息载波的目标距离、强度、角度、速度等多信息的探测系统，即激光雷达三维成像系统。激光测距和激光雷达是激光技术、半导体技术、雷达技术、光机电等多学科技术相集合的成果。光子计数激光雷达结合了光子计数技术与激光雷达技术，使用Gm-APD作为单光子探测器，实现了远距离、高精度的三维探测。Gm-APD具有极高的灵敏度，单独一个光子就能引起雪崩效应获得响应输出，能够实现对微弱信号进行探测。光子计数激光雷达具有集成化、可靠性高等特点，同时具有单光子级别的灵敏度和皮秒量级的时间分辨率。随着激光雷达技术和单光子计数技术的发展，光子计数激光雷达对于微弱信号的探测能力将会进一步地提高，光子计数激光雷达许多潜在的应用领域还等待着被开发和利用。国内外的许多研究机构和学者对光子计数激光雷达进行了大量的研究。从光子计数激光雷达的理论基础、激光雷达系统结构和数据分析与处理各个方面对光子计数激光雷达进行了全面的分析和研究。国内目前对光子计数激光雷达三维成像系统的研究集中在近距离低速扫描成像阶段。2009年，光电技术系基于盖革模式的雪崩光电二极管设计搭建了光子计数探测与成像系统，成功应用于微弱光的探测[屈惠明,陈钱.光子计数探测与成像实验装置设计[J].光电工程,2009,36(11).]。2013年，有人开展了基于Gm-APD的光子外差探测系统精度的研究[LuoH,YuanXH,ZengY.RangeaccuracyofphotonheterodynedetectionwithlaserpulsebasedonGeiger-modeAPD[J].OpticsExpress,2013,21(16):18983.]。经过理论分析和实验验证，通过改善回波信号强度、脉冲宽度、频差可以提高测距精度。但上述两套成像系统的成像距离都在百米以下。2014年，有人使用超导纳米线探测器(SNSPD)取代基于盖革模式雪崩光电二极管的传统单光子探测器[郏涛.红外超导纳米线单光子探测器[D].2014.]，探测灵敏度有了较大提高，但SNSPD在使用之前需要经历长时间的降温过程，体积、噪声巨大，移动不便，几乎没有便携使用的能力。也有人利用扫描振镜完成的单光子扫描成像系统采用物方扫描方式[唐甜甜.激光3D视觉系统高效扫描光学系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学；曲杨.高精度低成本激光振镜扫描3D视觉系统关键技术研究[D].]，且光学扫描期间为二维检流计式振镜，成像距离最大为100米，扫描速度较慢。国外对光子计数激光雷达的研究起步较早，1998年J.S.Massa、G.S.Buller等人首次研制出基于光子计数技术(时间相关单光子计数技术)的激光测距仪器[MassaJS,BullerGS,WalkerAC,etal.Time-of-flightopticalrangingsystembasedontime-correlatedsingle-photoncounting[J].AppliedOptics,1998,37(31):7298-304.]，使用10ps脉冲宽度的脉冲激光光源、单光子雪崩光电二极管以及光子计数时间电路，实验室内探测精度最高可达30um。2002年，A.M.Wallace、G.S.Buller等人在单点光子计数激光测距的基础上，研制出了基于时间相关单光子计数技术的三维成像系统[MassaJS,WalkerAC,SmithGP,etal.Opticaldesignandevaluationofathree-dimensionalimagingandrangingsystembasedontime-correlatedsingle-photoncounting[J].AppliedOptics,2002,41(6):1063-70.]。该系统使用对人眼安全的激光光源，并且可以对多种材质目标进行探测，在25m之内，重复精度小于30um，空间分辨率达到60um。2011年，HongJinKong、TaeHoonKim等人提出了一种通过使用两个单光子探测器同时对光子计数激光测距系统回波信号进行探测[KongHJ,KimTH,JoSE,etal.Smartthree-dimensionalimagingLADARusingtwoGeiger-modeavalanchephotodiodes[J].OpticsExpress,2011,19(20):19323-19329.]，并通过比较分析得到最终距离信息的方式，有效提高了探测的精度，降低了光子计数激光测距系统的探测误差，但是双探测器结构使可用光源能量减半，测距距离降低。2014年，AhmedKirmani，DongeekShin等人在低光子计数率的条件下，结合像素点之间的空间相关性，通过计算成像的方法只使用第一个探测到的光子信息就能快速获取目标场景的深度图像和强度图像[KirmaniA,VenkatramanD,ShinD,etal.First-photonimaging.[J].Science,2014,343(6166):58-61.]。同年，该小组进一步改进这种计算成像方法，通过每个像素点固定发射相同的激光脉冲，使其能成功应用于单光子探测器阵列。同样该探测系统的成像距离在10m以内，且振镜扫描使成像速度被限制。2016年，AnuS等人采用楔形镜扫描方式以提高扫描速度[AnuS,HaoT,TerenceB,etal.Rapid,High-ResolutionForestStructureandTerrainMappingoverLargeAreasusingSinglePhotonLidar:[J].SciRep,2016,6:28277.]，但楔形镜存在装调困难，成本高的缺点，阻碍系统应用范围的拓宽。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法，能够实现对三公里以上目标的高分辨率扫描成像。实现本专利技术的技术解决方案为：一种远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法，包含控制单元、光学发射单元、光学接收单元、分光单元、光学扩束结构以及光学扫描单元；所述控制单元获取光学发射单元的起始信号和光学接收单元的截止信号，将其用于数据处理，同时控制光学扫描单元改变光路，对目标进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种远距离光子计数三维激光雷达成像系统，其特征在于包含控制单元、光学发射单元、光学接收单元、分光单元、光学扩束结构以及光学扫描单元；/n所述控制单元获取光学发射单元的起始信号和光学接收单元的截止信号，将其用于数据处理，同时控制光学扫描单元改变光路，对目标进行扫描；光学发射单元与光学接收单元的光路采用收发合置方式，光学发射单元将激光脉冲准直入分光单元，同时为控制单元提供起始信号；分光单元实现光学发射单元与光学接收单元的收发合置，经光学发射单元准直的出射激光脉冲通过分光单元进入光学扩束结构，同时经光学扩束结构整合的回波激光脉冲通过分光单元进入光学接收单元；由光学发射单元发射的出射脉冲进一步压缩发散角由扫描单元接收，回波脉冲则经光学扩束结构汇聚由光学接收单元探测到；出射脉冲经分光单元、光学扩束结构后聚焦到光学扫描单元的反射面上，控制单元控制并接收光学扫描单元反馈信号，通过光学扫描单元对目标的二维扫描，之后经光学扩束结构、分光单元的反射面进入光学接收单元。/n

【技术特征摘要】
1.一种远距离光子计数三维激光雷达成像系统，其特征在于包含控制单元、光学发射单元、光学接收单元、分光单元、光学扩束结构以及光学扫描单元；
所述控制单元获取光学发射单元的起始信号和光学接收单元的截止信号，将其用于数据处理，同时控制光学扫描单元改变光路，对目标进行扫描；光学发射单元与光学接收单元的光路采用收发合置方式，光学发射单元将激光脉冲准直入分光单元，同时为控制单元提供起始信号；分光单元实现光学发射单元与光学接收单元的收发合置，经光学发射单元准直的出射激光脉冲通过分光单元进入光学扩束结构，同时经光学扩束结构整合的回波激光脉冲通过分光单元进入光学接收单元；由光学发射单元发射的出射脉冲进一步压缩发散角由扫描单元接收，回波脉冲则经光学扩束结构汇聚由光学接收单元探测到；出射脉冲经分光单元、光学扩束结构后聚焦到光学扫描单元的反射面上，控制单元控制并接收光学扫描单元反馈信号，通过光学扫描单元对目标的二维扫描，之后经光学扩束结构、分光单元的反射面进入光学接收单元。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：控制单元由上位机、FPGA控制器和TCSPC组成，上位机与FPGA控制器通信，读取TCSPC接收到的同步信号和截止信号，对数据进行处理获取目标图像；FPGA控制器调整光学发射单元的激光器的泵浦电压、脉冲频率以及控制激光器的开关，随时调整激光器的状态；FPGA控制器控制光学扫描单元的快反镜的启停，改变快反镜的摆振角度及摆振速度，实现扫描范围和扫描速度可控；FPGA控制器读取TCSPC记录的数据，TCSPC记录探测过程中激光脉冲的飞行时间，TCPSC的通道0记录光学发射单元信号，通道1记录光学接收单元信号，FPGA控制器将两个通道的数据传输到上位机，由上位机进行信号处理并进行图像显示。


3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：光学发射单元包含激光器、准直器和光电探测器，通过激光器、准直器发射、准直激光，将激光脉冲准直入分光单元，同时光电探测器为控制单元提供起始信号，即激光器的标准输出端作为探测光源通过标准FC/APC光纤法兰耦合入光纤准直镜，经准直镜准直后作为系统光源使用，激光器的监测端与光电探测器连接，光电探测器将发射信号输出给控制单元的TCSPC，作为系统同步信号。


4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：光学接收单元包含单光子探测器、聚焦透镜、滤波器和反射镜，分光单元反射回来的回波脉冲经反射镜、聚焦透镜后进入滤波器，滤除背景光后由单光子探测器接收，同时单光子探测器为控制单元提供截止信...

【专利技术属性】
技术研发人员：何伟基，黄鹏维，陈钱，张闻文，顾国华，缪欣，杜亚青，耿旭，龚桐桐，邹燕，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32