单光子激光雷达三维成像系统和三维成像方法技术方案

一种单光子激光雷达三维成像系统和三维成像方法，包括：激光器；扫描振镜；驱动器驱动扫描振镜改变角度使激光脉冲信号发射至待成像区域中的目标子区域、以及使扫描振镜接收从目标子区域反射的反射激光脉冲信号，且射向相邻的两个子区域的激光脉冲信号的脉冲周期不同；时序控制器，存储脉冲周期序列，脉冲周期序列包括与子区域一一对应的激光脉冲信号的脉冲周期，时序控制器根据来自于驱动器的触发信号和脉冲周期序列生成时序控制信号，激光器根据时序控制信号生成激光脉冲信号；单光子探测器接收反射激光脉冲信号并生成探测信号；时间数字转换器；处理器被构造成对待成像区域进行重构成像，得到待成像区域的三维图像。得到待成像区域的三维图像。得到待成像区域的三维图像。

【技术实现步骤摘要】
单光子激光雷达三维成像系统和三维成像方法


[0001]本专利技术涉及激光雷达领域
，尤其涉及一种单光子激光雷达三维成像系统和三维成像方法。

技术介绍

[0002]激光雷达作为一种可快速、精确获取目标三维空间信息的主动探测技术，被广泛应用于无人驾驶、目标识别、环境测绘等领域。但传统激光雷达的探测灵敏度相对较低，在远距离条件下往往因低信噪比以及弱回波信号而使用受限。近年来，随着单光子探测器、精密电子计时以及量子科学的进步，单光子雷达技术逐渐发展成熟，为远距离目标三维成像提供了有效的候选方案。单光子雷达技术通常采用时间相关单光子计数（TCSPC）技术，通过周期性地发射探照激光脉冲，并累计多个探测周期内的回波光子来提取目标信息，在对远距离目标进行三维成像时仍能保证较好的信噪比以及时间精度。但是使用相关单光子计数（TCSPC）技术又不可避免地引入模糊距离的问题，当光子飞行时间超过探照周期时，无法确定光子真实飞行时间，也就得不到目标的准确距离。如何实现远距离条件下的绝对距离成像依旧是一个悬而未决的问题。
[0003]通过使用随机调制激光信号或多激光重复周期测量等方法在一定程度上解决了距离模糊问题。使用伪随机信号对激光脉冲周期进行调制的方法，对4.4km外的物体实现了绝对距离成像。但由于随机调制往往需要使用较高的编码率以获得较好的信噪比，所使用的激光脉冲能量较低，限制了远距离场景下的使用。相比之下，使用多激光重复周期测量的方案更适用于远距离探测，实验上已经可以实现超过100km的单点远距离测距。但将单点测距能力拓展到远距离成像场景中，往往还需要考虑成像效率以及回波信号弱所带来的图像重构质量差等问题。针对低信噪比、少光子条件下的精确三维图像重构，研究人员提出了一些少光子算法，主要有基于最大似然估计的方法、贝叶斯推断方法和深度学习方法。但是这些方法往往专注于解决模糊距离内的深度恢复问题，而没有考虑绝对距离恢复的问题。实现远距离条件下的绝对距离快速三维成像还需要更先进的探测方案以及图像重构算法。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中的技术问题，本专利技术提供一种单光子激光雷达三维成像系统和三维成像方法，通过使用激光多重复周期成像扫描方案，采用重构算法，可快速准确获取大纵深范围内目标的三维绝对距离信息。
[0005]本专利技术实施例的一个方面，提供了一种单光子激光雷达三维成像系统，包括：激光器、扫描振镜、驱动器、时序控制器、单光子探测器、时间数字转换器以及处理器。激光器适用于生成所述激光脉冲信号。驱动器适用于驱动所述扫描振镜改变角度使所述激光脉冲信号发射至待成像区域中的目标子区域、以及使所述扫描振镜接收从所述目标子区域反射的反射激光脉冲信号，所述待成像区域包括M
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N个子区域，其中M和N均为正整数，且射向相邻的两个子区域的激光脉冲信号的脉冲周期不同。时序控制器存储有脉冲周期序列，所述脉
冲周期序列包括与所述子区域一一对应的激光脉冲信号的脉冲周期，所述时序控制器适用于根据来自于所述驱动器的触发信号和所述脉冲周期序列生成时序控制信号，所述激光器根据所述时序控制信号生成所述激光脉冲信号。单光子探测器适用于接收所述反射激光脉冲信号并生成探测信号，所述探测信号包括与所述反射激光脉冲信号的光子数相关的光子数信息。时间数字转换器适用于根据所述时序控制信号与所述探测信号计算获得所述激光脉冲信号的光子的飞行时间。处理器被构造成根据所有目标子区域的光子数信息和飞行时间对所述待成像区域进行重构成像，得到所述待成像区域的三维图像。
[0006]根据本专利技术的实施例，单光子激光雷达三维成像系统还包括第一光开关和第二光开关。第一光开关适用于在所述时序控制信号的前一半时间开启，以控制所述激光脉冲信号在所述前一半时间通过所述第一光开关。第二光开关，适用于在所述时序控制信号的后一半时间开启，以控制所述反射激光脉冲信号在所述后一半时间通过所述第二光开关。
[0007]根据本专利技术的实施例，所述单光子激光雷达三维成像系统还包括光准直器以及扩束镜。扩束镜适用于与所述光准直器配合减小所述激光脉冲信号的光束的发散角，并且将接收的所述激光脉冲信号发射至所述目标子区域或接收所述反射激光脉冲信号。
[0008]根据本专利技术的实施例，所述时序控制器包括接收单元、存储单元以及时序控制单元。接收单元适用于接收所述触发信号；存储单元适用于根据所述子区域的扫描顺序依次存储所述激光脉冲信号的脉冲周期；以及时序控制单元适用于根据所述触发信号生成与所述存储单元的存储的脉冲周期对应的时序控制信号。
[0009]根据本专利技术的实施例，所述单光子探测器适用于在所述时序控制信号的后一半时间开启，将所述反射激光脉冲信号转换成所述探测信号。
[0010]本专利技术的另一个方面提供了一种三维成像方法，利用根据上述任一种所述的单光子激光雷达三维成像系统，包括将待成像区域划分为M
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N个子区域，其中M和N均为正整数；根据多个子区域生成与所述子区域一一对应的触发信号；根据所述触发信号生成时序控制信号；根据所述时序控制信号对与所述时序控制信号对应的子区域发射与所述时序控制信号对应的脉冲周期的激光脉冲信号，根据触发信号将所述激光脉冲信号发射至目标子区域，其中相邻子区域对应的所述激光脉冲信号的脉冲周期不同；将接收的反射激光脉冲信号转换成探测信号；根据所述时序控制信号和所述探测信号记录所述子区域的光子数和所述激光脉冲信号的光子的飞行时间；对所有所述子区域的光子数和飞行时间对所述待成像区域进行重构成像得到所述待成像区域的三维图像。
[0011]根据本专利技术的实施例，对所有所述子区域的光子数和飞行时间对所述待成像区域进行重构成像得到所述待成像区域的三维图像包括：根据每个子区域的光子数和飞行时间得到每个所述子区域的反射率估值；对于任一待测子区域，根据每个所述待测子区域的所述反射率估值及与所述待测子区域相邻的邻域子区域之间的横向间距，得到任一待测子区域与所述邻域子区域之间的联合双边滤波权重值，其中，当前计算的子区域为待测子区域；根据联合双边滤波权重值，筛选与待测子区域相邻的具有相同或相近深度的深度子区域，构建所述待测子区域的绝对距离初步估值；以及根据每个所述子区域的所述绝对距离初步估值得到所述待成像区域的三维图像。
[0012]根据本专利技术的实施例，所述根据每个所述子区域的所述绝对距离初步估值得到所述待成像区域的三维图像包括：根据每个所述子区域的所述绝对距离初步估值转换得到每
个所述子区域的光子飞行周期数；根据每个所述子区域的光子飞行周期数，构建每个所述子区域的绝对距离的负对数似然函数；根据所有所述子区域的负对数似然函数，构建待成像区域中探测目标的绝对距离估计函数；根据所述探测目标的绝对距离估计函数，得到所述探测目标的绝对距离估计值，得到待成像区域的探测目标的三维图像。
[0013]根据本专利技术的实施例，所述根据所有子区域的光子数和飞行时间得到每个所述子区域的反射率估值包括：根据所述子区域的光子数和飞行时间，将所述子区域的光子数作为所述探测目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光子激光雷达三维成像系统，其特征在于，包括：激光器，适用于生成激光脉冲信号；扫描振镜；驱动器，适用于驱动所述扫描振镜改变角度使所述激光脉冲信号发射至待成像区域中的目标子区域、以及使所述扫描振镜接收从所述目标子区域反射的反射激光脉冲信号，所述待成像区域包括M
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N个子区域，其中M和N均为正整数，且射向相邻的两个子区域的激光脉冲信号的脉冲周期不同；时序控制器，存储有脉冲周期序列，所述脉冲周期序列包括与所述子区域一一对应的激光脉冲信号的脉冲周期，所述时序控制器适用于根据来自于所述驱动器的触发信号和所述脉冲周期序列生成时序控制信号，所述激光器根据所述时序控制信号生成所述激光脉冲信号；单光子探测器，适用于接收所述反射激光脉冲信号并生成探测信号，所述探测信号包括与所述反射激光脉冲信号的光子数相关的光子数信息；时间数字转换器，适用于根据所述时序控制信号与所述探测信号计算获得所述激光脉冲信号的光子的飞行时间；以及处理器，被构造成根据所有目标子区域的光子数信息和飞行时间对所述待成像区域进行重构计算，得到所述待成像区域的三维图像。2.根据权利要求1所述的单光子激光雷达三维成像系统，其特征在于，还包括：第一光开关，适用于在所述时序控制信号的前一半时间开启，以控制所述激光脉冲信号在所述前一半时间通过所述第一光开关；以及第二光开关，适用于在所述时序控制信号的后一半时间开启，以控制所述反射激光脉冲信号在所述后一半时间通过所述第二光开关。3.根据权利要求1所述的单光子激光雷达三维成像系统，其特征在于，还包括：光准直器；以及扩束镜，适用于与所述光准直器配合减小所述激光脉冲信号的光束的发散角，并且将接收的所述激光脉冲信号发射至所述目标子区域或接收所述反射激光脉冲信号。4.根据权利要求1所述的单光子激光雷达三维成像系统，其特征在于，所述时序控制器包括：接收单元，适用于接收所述触发信号；存储单元，适用于根据所述子区域的扫描顺序依次存储所述激光脉冲信号的脉冲周期；以及时序控制单元，适用于根据所述触发信号生成与所述存储单元的存储的脉冲周期对应的时序控制信号。5.根据权利要求1所述的单光子激光雷达三维成像系统，其特征在于，所述单光子探测器适用于在所述时序控制信号的后一半时间开启，将所述反射激光脉冲信号转换成所述探测信号。6.一种利用根据权利要求1
‑
5中任一项所述的单光子激光雷达三维成像系统的三维成像方法，其特征在于，包括：将待成像区域划分为M
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N个子区域，其中M和N均为正整数；
根据多个子区域生成与所述子区域一一对应的触发信号；根据所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐飞虎，叶文龙，黎正平，戴晨，潘建伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：