一种单光子三维成像距离超分辨方法及系统技术方案

本发明专利技术属于测距领域，具体为一种单光子三维成像距离超分辨方法及系统。克服现有单光子三维成像算法的测距精度和距离分辨率因受限于硬件计时模块，导致其实现难度大，成本高的问题。本发明专利技术通过设定具有亚时间分辨间隔的一系列单光子探测器探测距离选通门限开始时间，针对每个像素获得多个原始低分辨时间相关光子计数直方图；之后通过将多个原始低分辨时间相关光子计数直方图上采样配准相加，得到高分辨时间相关光子计数直方图；最后从高分辨时间相关光子计数直方图中估计回波光子飞行时间，进一步得到目标三维成像距离图。由于获得的直方图中包含更精细的变化信息，因此系统距离分辨能力突破了硬件的限制，测距精度也得到大幅度提升。度提升。度提升。

【技术实现步骤摘要】
一种单光子三维成像距离超分辨方法及系统


[0001]本专利技术属于测距领域，具体为一种单光子三维成像距离超分辨方法及系统。

技术介绍

[0002]单光子探测器因具有超高的灵敏度且能够响应单个光子，搭配低功率高重频窄脉冲的激光器和中等口径光学接收器即可实现超远距离和超灵敏度的三维成像，使得单光子探测技术成为近些年的研究热点。但该技术被提出发展至今，系统的成像性能还不足以满足实际应用需求，尤其是系统的最小可分辨距离和测距精度作为其中最受关注的性能，因此，如何有效提升单光子探测系统距离分辨率和测距精度成为当前非常关注的问题。
[0003]目前已有的光子计数三维成像算法，主要针对低信噪比和弱光下的去噪稀疏重建技术和空间超分辨技术，虽然这些方案也能在提升重建结果的同时减少测距误差，如ZHENG
‑
PING LI等人2020年提出的3D反卷积（Li, Z. P., et al. (2020). "Super
‑
resolution single
‑
photon imaging at 8.2 kilometers." Opt Express 28(3): 4076
‑
4087.）能够在低信背比和稀疏回波下重建三维目标高程分布并与传统的最大似然估计和首光子重建等方案（D. Shin, et al.
ꢀ“
Photon
‑
efficient imaging with a single
‑
photon camera,
”ꢀ
Nat. Commun. 7(1), 12046 (2016).）相比具有更小的测距误差，但是该方案的测距精度和距离分辨率还是受限于硬件计时模块，需要依赖高精度计时模块来实现，使得实现难度大，成本高。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种单光子三维成像距离超分辨方法及系统，克服现有单光子三维成像算法的测距精度和距离分辨率因受限于硬件计时模块，导致其实现难度大，成本高的问题。本专利技术通过设定具有亚时间（本专利技术中将小于单光子探测器最小时间分辨能力的时间长度定义为亚时间）分辨间隔的一系列单光子探测器探测距离选通门限开始时间，获得亚时间分辨的光子时间分布直方图，进一步获得回波光子飞行时间的亚时间分辨尺度变化，突破硬件计时模块对测距精度和距离分辨率的限制，能够在相同成像环境下以相同的曝光时间获得突破系统限制的更高的测距精度和距离分辨率。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种单光子三维成像距离超分辨方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：步骤1、在单光子探测器积分时间内，设置单光子探测器探测距离选通门限开始时间为，其中i=1，为亚时间分辨延迟尺度，取值小于T
bin
，T
bin
为单光子探测器最小时间分辨能力；接收回波光子点云，获得每个像素对应的原始低分辨时间相关光子计数直方图；步骤2、判断i是否等于N，若是，则执行步骤3，否则，返回步骤1，令i=i+1，直至i等于N；其中N为亚时间分辨平移次数，为大于等于2的整数， ，在每个像素上获得对应的N个原始低分辨时间相关光子计数直方图；
步骤3、将每个像素上对应的N个原始低分辨时间相关光子计数直方图分别进行上采样，在每个像素上获得N个伪高分辨时间相关光子计数直方图；步骤4、对步骤3获得的每个像素的N个伪高分辨时间相关光子计数直方图以TS1为参考在时间轴上进行配准相加，得到对应像素的高分辨时间相关光子计数直方图；步骤5、基于每个像素的高分辨时间相关光子计数直方图，获得目标三维成像距离图。
[0006]进一步地，步骤4针对每个像素的具体步骤为：步骤4.1、定义N个时隙个数为的全零直方图H0(i)，作为初始高分辨直方图；其中i为1到N的整数，Nt为原始低分辨时间相关光子计数直方图的时隙个数；步骤4.2、将单光子探测器探测距离选通门限开始时间为TS1对应的伪高分辨时间相关光子计数直方图赋值到全零直方图H0(1)的时隙，之后，将单光子探测器探测距离选通门限开始时间为TS2对应的伪高分辨时间相关光子计数直方图赋值到全零直方图H0(2)的时隙，依次类推，将单光子探测器探测距离选通门限开始时间为TS
N
对应的伪高分辨时间相关光子计数直方图赋值到全零直方图H0(N)的时隙，至此获得N个配准后的伪高分辨时间相关光子计数直方图；步骤4.3、将N个配准后的伪高分辨时间相关光子计数直方图相加，得到该像素的高分辨时间相关光子计数直方图。
[0007]进一步地，步骤3针对每个像素的具体步骤为：步骤3.1、定义一个时隙个数为的空直方图Tsbin；步骤3.2、将单光子探测器探测距离选通门限开始时间为TS1对应的原始低分辨时间相关光子计数直方图中第j个时隙对应的光子数R
j
分别赋值给空直方图Tsbin的第到 共N个时隙对应的光子，其中j=1；步骤3.3、判断j是否等于Nt，若是，则执行步骤3.4，否则，返回步骤3.2，令j=j+1，直至j等于Nt，获得该像素在TS1对应的伪高分辨时间相关光子计数直方图；步骤3.4、对该像素的其余N
‑
1个原始低分辨时间相关光子计数直方图均执行步骤3.1至3.3的操作，在该像素上获得N个伪高分辨时间相关光子计数直方图。
[0008]进一步地，步骤5具体为：步骤5.1、采用三维重建方法从步骤4获得的高分辨时间相关光子计数直方图提取最大概率飞行时间时隙位置，获得回波光子飞行时间；步骤5.2、利用回波光子飞行时间和距离的关系得到每个像素对应的目标距离，所有像素对应的目标距离构成目标三维成像距离图。
[0009]进一步地，步骤5中，上述三维重建方法为最大似然估计方法、TV稀疏重建或3D反卷积重建等方法。
[0010]本专利技术还提供一种单光子三维成像距离超分辨系统，包括存储器及处理器，上述存储器中存储计算机程序，其特殊之处在于：上述计算机程序在处理器中运行时，执行上述单光子三维成像距离超分辨方法的步骤。
[0011]本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过亚时间分辨尺度的延迟，首先与传统重建方法相比，在相同成像环境和相同曝光时间下具有更好的距离分辨能力，且超出系统最小距离分辨能力；其次由于
本专利技术方法可以提升系统的最小距离分辨能力，使得测量的准确性大大提高，进一步减小了测距误差，因此本专利技术重建结果测距均方根误差也大幅度降低。
[0012]2、本专利技术不仅可以单独应用，而且可以和现有的去噪稀疏重建等方法结合使用，在成像条件和系统不变的情况下，保留原算法的优势的同时还可以增加系统距离分辨能力，减小测距误差。
附图说明
[0013]图1为现有光子计数三维成像系统框图；图2 为本专利技术单光子三维成像距离超分辨方法流程图；图3为不同脉宽下，原始低分辨时间相关光子计数直方图和本专利技术重建的高时间分辨相关光子计数直方图；图4 为不同脉宽P
w
下，最小时隙为1ns，亚时间分辨平移为0.01ns，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光子三维成像距离超分辨方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在单光子探测器积分时间内，设置单光子探测器探测距离选通门开始时间为，其中i=1，为亚时间分辨延迟尺度，取值小于T
bin
，T
bin
为单光子探测器最小时间分辨能力；接收回波光子点云，获得每个像素对应的原始低分辨时间相关光子计数直方图；步骤2、判断i是否等于N，若是，则执行步骤3，否则，返回步骤1，令i=i+1，直至i等于N；其中N为亚时间分辨平移次数，为大于等于2的整数，，在每个像素上获得对应的N个原始低分辨时间相关光子计数直方图；步骤3、将每个像素上对应的N个原始低分辨时间相关光子计数直方图分别进行上采样，在每个像素上获得N个伪高分辨时间相关光子计数直方图；步骤4、对步骤3获得的每个像素的N个伪高分辨时间相关光子计数直方图以TS1为参考在时间轴上进行配准相加，得到对应像素的高分辨时间相关光子计数直方图；步骤5、基于每个像素的高分辨时间相关光子计数直方图，获得目标三维成像距离图。2.根据权利要求1所述的一种单光子三维成像距离超分辨方法，其特征在于，步骤4针对每个像素的具体步骤为：步骤4.1、定义N个时隙个数为的全零直方图H0(i)，作为初始高分辨直方图；其中i为1到N的整数，Nt为原始低分辨时间相关光子计数直方图的时隙个数；步骤4.2、将单光子探测器探测距离选通门限开始时间为 的伪高分辨时间相关光子计数直方图赋值到全零直方图H0(1)的 时隙，之后，将单光子探测器探测距离选通门限开始时间为的伪高分辨时间相关光子计数直方图赋值到全零直方图H0(2)的 时隙，依次类推，将单光子探测器探测距离选通门限开始时间为的伪高分辨时间相关光子计数直方图赋值到全零直方图H0(N)的 时隙，至此获得N个配准后的伪高分辨时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷浩蒙，赵惠，杨明洋，刘永安，盛立志，夏思宇，樊学武，杨向辉，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：