一种远距离实时跟踪单光子特征识别和成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种远距离实时跟踪单光子特征识别和成像系统，涉激光雷达技术领域，包括特征识别系统和成像系统，所述特征识别系统和所述成像系统均包括光路模块

【技术实现步骤摘要】
一种远距离实时跟踪单光子特征识别和成像系统


[0001]本专利技术涉及激光雷达
，尤其是涉及一种远距离实时跟踪单光子特征识别和成像系统
。

技术介绍

[0002]激光雷达基于主动激光发射和收集或被动探测对目标进行探测，而对远距离目标探测时随着距离增加，回波信号的光强不可避免的出现严重衰减，使得收集端只能采集到微弱信号，单光子探测器以及时间相关单光子计数技术等单光子相关技术可针对微弱光信号进行探测，给激光雷达带来了新的发展契机
。
[0003]然而传统的远距离单光子探测系统庞大，功能有限，不具备便携性，且由于远距离探测时大气湍流和空气质量对信号收集的影响导致在探测结果中引入了大量噪声，尤其是对于一些具备高动态信息的目标，高动态信息的引入使得目标信息的捕捉更加困难
。
因此，远距离高动态目标单光子探测相关技术仍然是难以攻克的课题
。
传统的远距离单光子探测系统无法同时解决成本低
、
规模小
、
高动态目标难以探测的问题，也就无法解决在远距离实时跟踪单光子探测中的实际应用问题
。
[0004]因此，有必要提供一种远距离实时跟踪单光子特征识别和成像系统，来解决上述问题
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种远距离实时跟踪单光子特征识别和成像系统，通过使用多级跟踪技术结合阵列单光子探测器的方法，具有成本低
、
规模小
、
实时性强的特点，能够有效解决现有远距离单光子探测中的远距离高动态目标探测问题
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种远距离实时跟踪单光子特征识别和成像系统，包括特征识别系统和成像系统，所述特征识别系统和所述成像系统均包括光路模块
、
控制模块和探测模块，具体包括以下步骤：
[0007]S1
：控制特征识别系统和成像系统对准包含待测高动态目标场景；
[0008]S2
：通过控制模块控制高精度两轴云台及自动变焦器使得光路模块获取待测高动态目标光学信息；
[0009]S3
：控制特征识别系统和成像系统对待测高动态目标实时跟踪；
[0010]S4
：根据阵列单光子探测器回传数据于
PC
处理器上位机软件进行解析
。
[0011]优选的，在特征识别系统中，控制模块包括
PC
处理器
、
单片机
、
电机驱动器
、
自动变焦器
、DAC、
偏转镜控制器和搭载光路模块的高精度两轴云台；光路模块包括望远镜
、
压电陶瓷偏转镜
、
反射镜
、
格兰棱镜和透镜，探测模块包括定位相机和阵列单光子探测器；
[0012]特征识别系统中通过光路模块采集目标场景光信号，并聚焦至探测模块的定位相机及阵列单光子探测器的探测面，控制模块通过
PC
处理器控制单片机，驱动自动变焦器根据目标距离调整望远镜焦距，并由串口接收定位相机回传的定位信息，分别通过串口通信
和输出直流电压的方式对控制模块中的云台和光路模块中的压电陶瓷偏转镜施加控制，阵列单光子探测器将获取的数据通过
PC
处理器处理得到目标携带的特征信息
。
[0013]优选的，成像系统中，控制模块，包括
PC
处理器
、
单片机
、
电机驱动器
、
自动变焦器
、DAC、
偏转镜控制器
、
搭载光路模块的高精度两轴云台，光路模块包括望远镜
、
压电陶瓷偏转镜和透镜；探测模块包括阵列单光子探测器，成像系统将获取的数据通过
PC
处理器处理得到实时图像，并呈现在
PC
处理器软件的图像展示界面
。
[0014]优选的，在步骤
S1
中，
PC
处理器通过无线
DAP
调试器驱动单片机，单片机控制搭载光学模块的高精度两轴云台
。
[0015]优选的，在步骤
S2
中，具体包括以下步骤：
[0016]S21
：单片机通过
RS232
通信向电机驱动器发送指令，根据包含待测高动态目标场景的距离，驱动电机驱动器输出直流电压至自动变焦器调节望远镜焦距并通过
RS485
通信控制搭载光学模块的高精度两轴云台微调，获得目标视场；
[0017]S22
：在特征识别系统中，望远镜设置为大口径卡塞格林望远镜，对目标视场进行光信号收集，光信号经过格兰棱镜起偏分光分为两束，一束射至压电陶瓷偏转镜，一束射至反射镜；
[0018]在成像系统中，望远镜设置为大口径卡塞格林望远镜对目标视场光信号进行收集，光信号经过压电陶瓷偏转镜反射；
[0019]S23
：在特征识别系统中，压电陶瓷偏转镜将光信号反射至透镜，透镜将光斑聚焦至覆盖阵列单光子探测器的探测面，反射镜将光信号反射至透镜，透镜将光斑聚焦至覆盖定位相机的探测面；
[0020]在成像系统中，压电陶瓷偏转镜将光信号反射至透镜，透镜将光斑聚焦至覆盖阵列单光子探测器的探测面
。
[0021]优选的，在步骤
S3
中，具体包括以下步骤：
[0022]S31
：在特征识别系统中，透镜将光斑聚焦至覆盖定位相机的探测面后，定位相机根据光斑携带的包含待测高动态目标场景的光信息，确定待测目标基于定位相机探测面的相对定位；
[0023]在成像系统中，透镜将光斑聚焦至覆盖阵列单光子探测器的探测面后，阵列单光子探测器根据光斑携带的包含待测高动态目标场景的光信息，确定待测目标基于阵列单光子探测器探测面的相对定位；
[0024]S32
：相对定位信息由目标信息在探测面的横向像素点覆盖长度
SX
和纵向像素点覆盖长度
SY
计算出目标信息的质心点在定位相机探测面的坐标位置，记为探测面的横坐标
DX
和纵坐标
DY
，探测面中心点坐标为
(0,0)
；
[0025]S33
：设置阈值
|threshold|
；
[0026]DX>+|threshold|
，目标在目标场景中偏右位置，单片机通过
RS485
通信控制搭载光学模块的高精度两轴云台向右转动；
[0027]DX<
‑
|threshold|
，目标在目标场景中偏左位置，单片机控制高精度两轴云台向左转动；
[0028]DY>+|threshold|
，目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种远距离实时跟踪单光子特征识别和成像系统，包括特征识别系统和成像系统，其特征在于：所述特征识别系统和所述成像系统均包括光路模块
、
控制模块和探测模块，具体包括以下步骤：
S1
：控制特征识别系统和成像系统对准包含待测高动态目标场景；
S2
：通过控制模块控制高精度两轴云台及自动变焦器使得光路模块获取待测高动态目标光学信息；
S3
：控制特征识别系统和成像系统对待测高动态目标实时跟踪；
S4
：根据阵列单光子探测器回传数据于
PC
处理器上位机软件进行解析
。2.
根据权利要求1的一种远距离实时跟踪单光子特征识别和成像系统，其特征在于：在特征识别系统中，控制模块包括
PC
处理器
、
单片机
、
电机驱动器
、
自动变焦器
、DAC、
偏转镜控制器和搭载光路模块的高精度两轴云台；光路模块包括望远镜
、
压电陶瓷偏转镜
、
反射镜
、
格兰棱镜和透镜，探测模块包括定位相机和阵列单光子探测器；特征识别系统中通过光路模块采集目标场景光信号，并聚焦至探测模块的定位相机及阵列单光子探测器的探测面，控制模块通过
PC
处理器控制单片机，驱动自动变焦器根据目标距离调整望远镜焦距，并由串口接收定位相机回传的定位信息，分别通过串口通信和输出直流电压的方式对控制模块中的云台和光路模块中的压电陶瓷偏转镜施加控制，阵列单光子探测器将获取的数据通过
PC
处理器处理得到目标携带的特征信息
。3.
根据权利要求2的一种远距离实时跟踪单光子特征识别和成像系统，其特征在于：成像系统中，控制模块，包括
PC
处理器
、
单片机
、
电机驱动器
、
自动变焦器
、DAC、
偏转镜控制器
、
搭载光路模块的高精度两轴云台，光路模块包括望远镜
、
压电陶瓷偏转镜和透镜；探测模块包括阵列单光子探测器，成像系统将获取的数据通过
PC
处理器处理得到实时图像，并呈现在
PC
处理器软件的图像展示界面
。4.
根据权利要求3的一种远距离实时跟踪单光子特征识别和成像系统，其特征在于：在步骤
S1
中，
PC
处理器通过无线
DAP
调试器驱动单片机，单片机控制搭载光学模块的高精度两轴云台
。5.
根据权利要求4的一种远距离实时跟踪单光子特征识别和成像系统，其特征在于：在步骤
S2
中，具体包括以下步骤：
S21
：单片机通过
RS232
通信向电机驱动器发送指令，根据包含待测高动态目标场景的距离，驱动电机驱动器输出直流电压至自动变焦器调节望远镜焦距并通过
RS485
通信控制搭载光学模块的高精度两轴云台微调，获得目标视场；
S22
：在特征识别系统中，望远镜设置为大口径卡塞格林望远镜，对目标视场进行光信号收集，光信号经过格兰棱镜起偏分光分为两束，一束射至压电陶瓷偏转镜，一束射至反射镜；在成像系统中，望远镜设置为大口径卡塞格林望远镜对目标视场光信号进行收集，光信号经过压电陶瓷偏转镜反射；
S23
：在特征识别系统中，压电陶瓷偏转镜将光信号反射至透镜，透镜将光斑聚焦至覆盖阵列单光子探测器的探测面，反射镜将光信号反射至透镜，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李哲鑫，胡建勇，吴舒啸，樊彦杉，陈瑞云，张国峰，秦成兵，肖连团，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：