【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及三维成像，尤其是涉及一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置及方法。
技术介绍
1、三维成像技术能够获取场景/目标平面二维以及深度维信息，在包括自动驾驶、机器视觉、消费电子等很多领域内均具有重要应用。区别于传统二维成像技术（采用手机摄像头、照相机、面阵传感器等）只能获取场景二维平面信息而无法获取深度/距离信息，三维成像因其更丰富的深度/距离信息内容，使得其能在更多的领域取得广泛应用。三维成像能够使得医学成像中的定位更准确，组织观察细节更丰富立体；三维成像可帮助自动驾驶技术实现更精准的场景定位以及目标识别，达到更加准确的指令下达；三维成像可助力遥感成像采集目标深度信息，以对目标距离作出更精准的定位，以及对远距离情况的正确判断。目前的三维成像技术主要包括结构光三维成像、双（多）目视觉成像、激光雷达、单像素成像、单光子成像、全息成像、光场成像、计算机断层扫描、光学相干层析扫描成像等三维光学成像技术将成像从二维平面拓展到空间三维。生物医学中常用的计算机断层扫描、光学相干层析扫描等三维成像技术利用成像目标的半透明特性，能够实现真正意义上的目标三维体成像。除此之外，以上列举的其它光学三维成像技术所实现的三维成像均建立在视线之内，同一方向上只能存在一个深度点信息。如需要目标更多信息，或者实现场景的360度成像，则需要排布更多的探测单元（例如多个激光雷达、深度相机）。
2、当场景空间受制约、距离较远或者排布探测单元数受限制时，即便采用上述方法也将无法实现场景的360度三维成像。例如远距离三维成像在安防、机器视觉、
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置及方法，实现了基于单个单光子点探测器的远距离目标的360度三维成像；具有高的深度分辨率以及远的作用距离、大的视场、较好的横向分辨率。
2、本专利技术的基本构思原理为：
3、目前的三维成像技术，尤其是远距离三维成像技术，基本原理是对于直线视场内角度或者平面投影空间上的一点，最多只有一个反照率（或透过率）点的目标信息能够被获取。对于场景中的一个特定目标而言，如果需要对其成360度的三维像，那么需要至少阵列式排布多个探测单元。当目标处于远距离或者场景空间受制约，或者探测单元数受限制时，现有的三维成像技术无法实现对特定目标360度三维场景数据的获取。
4、将场景的三维成像获取分为视域内直线视场三维成像与视域内非直线视场三维成像将是一个好的选择。目前视域内直线视场三维成像技术包括了以上列出的多种成像技术，视域内非直线视场三维成像技术则可以采用非视域成像技术。非视域成像通过直线视域内的中继面，将虚拟的点光源与探测点中级到该中继面上，通过各种巧妙的计算，实现了场景中目标的非视域成像。
5、考虑到大视场角、远距离、探测单元排布单元数受限制的360度三维成像场景，再考虑到激光雷达具有大视场远距离高精度成像能力，尤其是在非视域成像中单光子雪崩探测器（spad）具有的高灵敏探测能力。最后考虑到快速时间门控制器在避免强信号点干扰上的显著能力。本方案以此确定最适合的基本方法与装置。
6、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
7、本专利技术第一方面提供一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置，包括沿光路依次设置的皮秒激光器、分束器、空间光延时器、偏振分束立方体、二维扫描振镜、聚光镜、单光子雪崩探测器；
8、成像场景置于所述二维扫描振镜所覆盖的大角度空间中；
9、还包括与所述分束器连接的光电二极管、与所述光电二极管电连接的功分器、与所述功分器电连接的时间延迟器、与时间延迟器电连接的时间相关单光子计数器；
10、还包括与所述时间延迟器电连接的快速时间门控制器，所述快速时间门控制器与时间相关单光子计数器电连接；
11、还包括分别与所述皮秒激光器、时间延迟器、二维扫描振镜、快速时间门控制器、时间相关单光子计数器电连接的工控机，所述工控机用于分别调控皮秒激光器的出光功率、时间延迟器的延迟长度、快速时间门控制器的门宽、二维扫描振镜的偏转角度。
12、进一步地，所述工控机用于控制所述快速时间门控制器的参数设置；
13、所述快速时间门控制器输出的信号抵到时间相关单光子计数器作为信号输入。
14、进一步地，所述皮秒激光器出射的皮秒激光到达分束器后，一部分作为光触发信号至光电二极管，并作为时间延迟器的输入，以此控制快速时间门控制器的门控起始点，另一部分作为光脉冲信号到达功分器；
15、所述功分器将光触发信号分为两部分，一部分作为同步信号输出至时间相关单光子计数器，另一部分输出至空间光延时器，通过控制时间光延时器的时延长度，使得经整个成像场景后抵到单光子雪崩探测器的返回光子信号处在时间相关单光子计数器的对应时间位置，光脉冲信号经偏振分束立方体后，到达二维扫描振镜，二维扫描振镜将光脉冲信号指向成像场景中的不同空间点。
16、进一步地，所述光脉冲信号经成像场景后，单光子雪崩探测器获取经成像场景反射光经二维扫描振镜、再经偏振分束立方体和激光经后抵达单光子雪崩探测器，在时间门范围内的光子被探测，并输出至时间相关单光子计数器；
17、单点曝光时间完成后，获取二维扫描振镜的角度为，及时间相关单光子计数器的输出为；
18、当二维扫描振镜完成整个空间扫描后，依据对应的扫描角度位置与光子信号强度位置，由以下公式可得到扫描场景的三维点云数据：
19、，
20、其中r表示所述二维扫描振镜的中心点与直线视场内的扫描点之间的距离，即坐标零点到扫描点之间的距离，和分表表示水平与竖直两个方向扫描角度。
21、进一步地，对于通过扫描无法直接获取的场景信息数据，通过非视域成像的方式实现，具体包括：
22、选取中继面，用于获取非视域成像场景；
23、分析直接扫描得到的三维点云数据，选取三维点云数据中构成的中继面；
24、将中继面对应点的r值所对应的时间作为时间延迟器的输入，对这些点开始非视域成像扫描，非视域成像扫描完成后，获得对应的扫描数据；
25、将非视域成像扫描的数据解包络，使得所有扫描点对应的数据的起始为当前扫描点直接二维扫描时获得的信号峰值处位置，即中继墙面处，利用非视域成像算法重建非视域场景三维图像；
26、令解包络后的非视域成像扫描数据为，其中为中继墙面上激光照射点的点云坐标，为与之共焦的中继墙面激光接收点的点云坐标；
27、最后将直接扫描得到的直线视场三维点云数据与经由非视域成像得到的三维点云数据融合，即可得到场景中的目标的360度三维数据。
28、进一步地，非视域成像场景的重建点云数据可由下属公式得到：
29、&l本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置，其特征在于，包括沿光路依次设置的皮秒激光器（1）、分束器（2）、空间光延时器（3）、偏振分束立方体（4）、二维扫描振镜（5）、聚光镜（6）、单光子雪崩探测器（7）；
2.根据权利要求1所述的一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置，其特征在于，所述工控机（13）用于控制所述快速时间门控制器（11）的参数设置；
3.根据权利要求1所述的一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置，其特征在于，所述皮秒激光器（1）出射的皮秒激光到达分束器（2）后，一部分作为光触发信号至光电二极管（8），并作为时间延迟器（10）的输入，以此控制快速时间门控制器（11）的门控起始点，另一部分作为光脉冲信号到达功分器（9）；
4.根据权利要求3所述的一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置，其特征在于，所述光脉冲信号经成像场景（14）后，单光子雪崩探测器（7）获取经成像场景（14）反射光经二维扫描振镜（5）、再经偏振分束立方体和激光经后抵达单光子雪崩探测器（7），在时间门范围内的光子被探测，并输出至时间相
5.根据权利要求4所述的一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置，其特征在于，对于通过扫描无法直接获取的场景信息数据，通过非视域成像的方式实现，具体包括：
6.根据权利要求5所述的一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置，其特征在于，非视域成像场景的重建点云数据可由下属公式得到：
7.一种基于单点单光子探测器的360度三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种基于单点单光子探测器的360度三维成像方法，其特征在于，S3中，三维点云数据的x，y，z获取过程如下：
9.根据权利要求7所述的一种基于单点单光子探测器的360度三维成像方法，其特征在于，S4中具体包括：
10.根据权利要求7所述的一种基于单点单光子探测器的360度三维成像方法，其特征在于，其特征在于，利用所述360度三维成像装置，通过直线视角下场景中随机分布的墙面，实现原直线视角下无法得到的非视域成像场景，将直线视角场景与非视域成像场景合成，即可实现原场景中物体的360度成像。
...【技术特征摘要】
1.一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置，其特征在于，包括沿光路依次设置的皮秒激光器（1）、分束器（2）、空间光延时器（3）、偏振分束立方体（4）、二维扫描振镜（5）、聚光镜（6）、单光子雪崩探测器（7）；
2.根据权利要求1所述的一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置，其特征在于，所述工控机（13）用于控制所述快速时间门控制器（11）的参数设置；
3.根据权利要求1所述的一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置，其特征在于，所述皮秒激光器（1）出射的皮秒激光到达分束器（2）后，一部分作为光触发信号至光电二极管（8），并作为时间延迟器（10）的输入，以此控制快速时间门控制器（11）的门控起始点，另一部分作为光脉冲信号到达功分器（9）；
4.根据权利要求3所述的一种基于单点单光子探测器的360度三维成像装置，其特征在于，所述光脉冲信号经成像场景（14）后，单光子雪崩探测器（7）获取经成像场景（14）反射光经二维扫描振镜（5）、再经偏振分束立方体和激光经后抵达单光子雪崩探测器（7），在时间门范围内的光子被探测，并输出至时...
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