新型光子计数激光雷达3D成像方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种新型光子计数激光雷达3D成像方法及装置，该装置包括包括激光器、多阳极MCP‑PMT阵列、收发光学系统、振镜扫描装置、反射镜组、DMD、光子计数模块和控制与数据处理器。本发明专利技术成像方法以压缩感知为基本理论框架，结合光子计数激光雷达系统，以多阳极MCP‑PMT作为单光子探测器，获取光子飞行时间信息和光子数目信息，利用压缩感知重构算法反演重构出高质量图像，结合光子飞行时间信息实现3D目标的成像，具有大面阵、高灵敏度、采样简单快速、重构数据量小、超快时间响应、抗强磁场干扰、成像质量高等特点，大大提升了采样速率和成像质量，特别适合于暗弱目标的探测及3D成像。

【技术实现步骤摘要】
新型光子计数激光雷达3D成像方法及装置
本专利技术涉及光子计数激光雷达3D成像
，特别涉及一种新型光子计数激光雷达3D成像装置。
技术介绍
传统激光雷达由于其重量、体积以及功耗都比较大，系统探测效率低，灵敏度低，并且易受到外部环境影响，应用范围有限。基于光子计数探测的激光雷达改善了传统激光雷达的这些缺点，应用具有光子灵敏度的探测器可实现暗弱目标的探测，在深空探测、航空航天以及夜间目标识别等领域有着优越的性能，逐渐成为新型激光测距3D成像研究的热点。在光子计数激光雷达的成像领域，首先，对于极其微弱的照明条件下对远距离目标成像时，信号的获取容易受到多种噪声的影响，使得光子计数激光雷达探测目标的回波利用率不高。其次，对于大的目标场景的重建会存在巨大的内存占用问题和计算复杂度问题。最后，由于大多数单光子成像系统的成像面积非常小，致使系统成像的量子效率低下，噪声影响严重。针对现存的这些问题，提出一种基于压缩感知的光子计数激光雷达3D成像系统，采用多阳极MCP-PMT阵列作为单光子探测器，具有单光子探测灵敏度、高量子效率、大探测面、较小时间弥散等优点，因此能够提高目标回波的利用效率，实现更远距离，更加暗弱目标的探测。传统的光子计数激光雷达成像系统的采样方式是遵循Nyquist采样定理，要求信号采样速率是信号带宽的2倍才能精确重构信号，使得采样数据非常多并且含有大多冗余信号，不利于采集且在存储和传输时为了降低硬件存储压力又对其进行压缩，存在有采样速度慢、采集数据量大、效率低下，以及所用的单光子探测器的探测面阵小、灵敏度低、回波利用效率低等问题。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术的目的在于，提供一种能提升目标回波的利用效率，提高数据采集速度，减小重构所需要的数据量，实现更远距离、更加暗弱目标的探测，更高效率、更高质量的目标成像的新型光子计数激光雷达3D成像方法。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案是：一种新型光子计数激光雷达3D成像方法，其包括以下步骤：(1)激光器发出激光脉冲进入收发光学系统；(2)收发光学系统将激光器发出的激光脉冲处理成均匀的平行激光，并将平行激光分成两束激光，其中一束激光入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块，另一束激光经过反射镜组、DMD以及振镜扫描装置照射到目标表面；(3)照射到目标表面的激光回波经过振镜扫描装置的收集返回入射到DMD，此时DMD收到控制与数据处理器发回的同步信号开始加载编码信息，被DMD编码调制的信息将返回到收发光学系统处理后入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个结束计时信号反馈至光子计数模块；(4)由光子计数模块的分析处理获得被调制的每个光子飞行时间和光子的数目，此时光子的总数目便为本次测量被调制的总光强，光子飞行时间是本次测量对应的每个光子从目标处到探测端行走距离所需要的时间，并将光子飞行时间和光子数目收集保存至控制与数据处理器；(5)经过多次测量获得多个被调制的测量值和多组光子飞行时间，将多组光子飞行时间归并，依据一定的需求量化，多个测量值经过压缩感知重构算法获得高质量的重构图像，融入光子飞行时间形成点云数据，然后经过点云重构算法实现3D目标重构。作为本专利技术的一种优选方案，所述收发光学系统包括扩束器、第一半波片、第二半波片、四分之一波片、偏振分束棱镜和光纤耦合器；激光器发出激光脉冲进入扩束器，通过该扩束器将该激光脉冲处理成为均匀的平行激光，然后通过第一半波片的旋转来调整激光的偏振方向，以配合后端的偏振分束棱镜；平行激光进入偏振分束棱镜被分成两束激光，其中一束激光通过光纤耦合器入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块；另一束激光依次经过四分之一波片、第二半波片、反射镜组、DMD以及振镜扫描装置才照射到目标表面。作为本专利技术的一种优选方案，通过调整所述四分之一波片和第二半波片的旋转角度来减小后向散射增大接收到的回波能量，通过调整振镜扫描装置来控制出射激光按指定的角度进行扫描，以完成对目标场景的面阵扫描。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤(3)选用哈达玛矩阵作为测量编码矩阵，输入到DMD中作为编码模板实现对目标图像的调制。作为本专利技术的一种优选方案，搭建DMD调试光路进行初步调试，DMD通过USB连接到控制与数据处理器，连续发送编码模板控制微镜翻转来调制光信号，所述控制与数据处理器通过同步线连接或者同步指令来实现对多阳极MCP-PMT阵列、激光器、光子计数模块以及DMD的工作状态进行控制。一种新型光子计数激光雷达3D成像装置，其包括激光器、多阳极MCP-PMT阵列、收发光学系统、振镜扫描装置、反射镜组、DMD、光子计数模块和控制与数据处理器，激光器发出激光脉冲，收发光学系统将激光器发出的激光脉冲处理成均匀的平行激光，并将平行激光分成两束激光，其中一束激光入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块，另一束激光经过反射镜组、反射镜组、DMD以及振镜扫描装置照射到目标表面；照射到目标表面的激光回波经过振镜扫描装置的收集返回入射到DMD，此时DMD收到控制系统发回的同步信号开始加载编码信息，被DMD编码调制的信息将返回到收发光学系统处理后入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个结束计时信号反馈至光子计数模块，由光子计数模块的分析处理获得被调制的每个光子飞行时间和光子的数目，并收集保存至控制与数据处理器，由控制与数据处理器进行分析运算实现3D目标重构。作为本专利技术的一种优选方案，所述收发光学系统包括扩束器、第一半波片、第二半波片、四分之一波片、偏振分束棱镜和光纤耦合器，所述扩束器、第一半波片和偏振分束棱镜沿第一光轴方向依次排列设置，所述光纤耦合器、偏振分束棱镜、四分之一波片和第二半波片沿第二光轴方向依次排列设置，所述第一光轴和第二光轴之间呈一定夹角。作为本专利技术的一种优选方案，所述第一光轴和第二光轴的之间夹角为90度。作为本专利技术的一种优选方案，所述反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜在第一光轴上，所述第二反射镜设置在所述DMD的一侧位置。作为本专利技术的一种优选方案，所述振镜扫描装置包括扫描振镜和设置在该扫描振镜前方的镜头。本专利技术的有益效果为：本专利技术新型光子计数激光雷达3D成像方法以压缩感知为基本理论框架，结合光子计数激光雷达系统，以多阳极MCP-PMT作为单光子探测器，获取光子飞行时间信息和光子数目信息，利用压缩感知重构算法反演重构出高质量图像，结合光子飞行时间信息实现3D目标的成像。本专利技术新型光子计数激光雷达3D成像装置结构设计合理，具有大面阵、高灵敏度、采样简单快速、重构数据量小、超快时间响应、抗强磁场干扰、成像质量高等特点，在一定程度上提升了采样速率和成像质量，并且适合于暗弱目标的探测及3D成像，利用范围广。下面结合附图与实施例，对本专利技术进一步说明。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术的工作步骤流程图。图3为本专利技术中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，其包括以下步骤：/n(1)激光器发出激光脉冲进入收发光学系统；/n(2)收发光学系统将激光器发出的激光脉冲处理成均匀的平行激光，并将平行激光分成两束激光，其中一束激光入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块，另一束激光经过反射镜组、DMD以及振镜扫描装置照射到目标表面；/n(3)照射到目标表面的激光回波经过振镜扫描装置的收集返回入射到DMD，此时DMD收到控制与数据处理器发回的同步信号开始加载编码信息，被DMD编码调制的信息将返回到收发光学系统处理后入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个结束计时信号反馈至光子计数模块；/n(4)由光子计数模块的分析处理获得被调制的每个光子飞行时间和光子的数目，此时光子的总数目便为本次测量被调制的总光强，光子飞行时间是本次测量对应的每个光子从目标处到探测端行走距离所需要的时间，并将光子飞行时间和光子数目收集保存至控制与数据处理器；/n(5)经过多次测量获得多个被调制的测量值和多组光子飞行时间，将多组光子飞行时间归并，依据一定的需求量化，多个测量值经过压缩感知重构算法获得高质量的重构图像，融入光子飞行时间形成点云数据，然后经过点云重构算法实现3D目标重构。/n...

【技术特征摘要】
1.一种新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)激光器发出激光脉冲进入收发光学系统；
(2)收发光学系统将激光器发出的激光脉冲处理成均匀的平行激光，并将平行激光分成两束激光，其中一束激光入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块，另一束激光经过反射镜组、DMD以及振镜扫描装置照射到目标表面；
(3)照射到目标表面的激光回波经过振镜扫描装置的收集返回入射到DMD，此时DMD收到控制与数据处理器发回的同步信号开始加载编码信息，被DMD编码调制的信息将返回到收发光学系统处理后入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个结束计时信号反馈至光子计数模块；
(4)由光子计数模块的分析处理获得被调制的每个光子飞行时间和光子的数目，此时光子的总数目便为本次测量被调制的总光强，光子飞行时间是本次测量对应的每个光子从目标处到探测端行走距离所需要的时间，并将光子飞行时间和光子数目收集保存至控制与数据处理器；
(5)经过多次测量获得多个被调制的测量值和多组光子飞行时间，将多组光子飞行时间归并，依据一定的需求量化，多个测量值经过压缩感知重构算法获得高质量的重构图像，融入光子飞行时间形成点云数据，然后经过点云重构算法实现3D目标重构。


2.根据权利要求1所述的新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，所述收发光学系统包括扩束器、第一半波片、第二半波片、四分之一波片、偏振分束棱镜和光纤耦合器；激光器发出激光脉冲进入扩束器，通过该扩束器将该激光脉冲处理成为均匀的平行激光，然后通过第一半波片的旋转来调整激光的偏振方向，以配合后端的偏振分束棱镜；平行激光进入偏振分束棱镜被分成两束激光，其中一束激光通过光纤耦合器入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块；另一束激光依次经过四分之一波片、第二半波片、反射镜组、DMD以及振镜扫描装置才照射到目标表面。


3.根据权利要求2所述的新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，通过调整所述四分之一波片和第二半波片的旋转角度来减小后向散射增大接收到的回波能量，通过调整振镜扫描装置来控制出射激光按指定的角度进行扫描，以完成对目标场景的面阵扫描。


4.根据权利要求1所述的新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，所述步骤(3)选用哈达玛矩阵作为测量编码矩阵，输入到...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵卫，余聪聪，朱香平，韦永林，靳川，
申请(专利权)人：松山湖材料实验室，
类型：发明
国别省市：广东;44