[发明专利]基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置及其使用方法在审

专利信息
申请号: 201410239874.2 申请日: 2014-05-30
公开(公告)号: CN103994719A 公开(公告)日: 2014-08-20
发明(设计)人: 寇松峰;顾伯忠;王国民;姜翔;叶宇;徐进;任玉斌 申请(专利权)人: 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所
主分类号: G01B11/00 分类号: G01B11/00;G01B11/24
代理公司: 江苏致邦律师事务所 32230 代理人: 栗仲平
地址: 210042 *** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 基于 apd 阵列 高精度 三维 成像 装置 及其 使用方法
【说明书】:

技术领域

本发明涉及一种基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置,属于光学测量技术领域。本发明受到国家自然科学基金《盖革APD阵列用于大气波前分层探测的可行性研究》资助。项目批准号:11273040。

背景技术

三维成像技术在国土资源普查、地图绘制、工业自动化、航空及反导等领域有着广泛的应用。目前较为常见的有两种:一种是采用CCD获取平面图像,同时对具有不同特征的区域采用高度计进行距离测量,通过后期图像处理得到被测目标三维图像。另外一种是采用高频激光器,通过卵形或者线性扫描的方法对目标激光测距,获得被测目标三维图像。这两种方法能够实现目标的三维成像,但是在成像速度和精度方面存在一定的局限性。

随着半导体技术的快速发展,工作在盖革模式下的雪崩光电二极管阵列(盖革APD阵列)已经能够满足工业化应用条件,基于盖革APD阵列光子计数成像技术也得到快速发展。美国国防部和美国空军从20世纪90年代开始资助麻省理工学院林肯实验室进行适用于弹道导弹防御的三维激光成像技术研究,该项技术的核心就是基于盖革APD阵列的光子计数成像技术。从目前公布的资料来看,林肯实验室研制的Gen-III三维成像激光雷达采用了32X32像元的盖革APD阵列,通过物镜扫描方法成像(Richard M.Marino,Timothy Stephens,Robert E.Hatch,et al.A compact3D imaging laser radar system using Geiger-mode APD arrays:system and measurements)。从样机参数可以看出,由于采用了物镜扫描成像的方法,其分图像辨率和帧频都比较低。

由于在半导体制造技术上相对落后,加上西方国家的禁运等限制,我们还无法制造大规模的盖革APD阵列器件,所以国内在三维扫描成像方面还停留在CCD图像+高度模型合成的模式。如我国的探月卫星—嫦娥一号所描绘的月球表面照片,就是由CCD立体相机获取的影像数据,经三线阵数字摄影测量处理制作而成的,其精度为:空间分辨率为500米,平面中误差192米,高程中误差120米。

本申请人在中国第201310222592.7号发明专利申请中公开了一种高频三维夏克哈特曼波前测量装置及其测量方法,其波前测量装置的结构是,由微透镜阵与光纤束组成夏克哈特曼波前测量装置,其特征在于,该夏克哈特曼波前测量装置光轴的前方,依次设有高频激光器、分光镜、准直镜与干涉滤光片;该夏克哈特曼波前测量装置光轴的后方设有盖革雪崩光电二极管阵列和系统控制单元,该盖革雪崩光电二极管阵列的输出接系统控制单元。

随着国外盖革APD阵列光子计数成像技术的快速发展,国内已经有部分研究机构开展该领域的研究工作(吴丽娟等,盖革模式APD阵列激光雷达的三维成像仿真;寇松峰,APD光子计数成像研究;李琦等,基于盖革模式APD阵列的单脉冲3D激光雷达原理和技术)。这些研究侧重于对盖革APD阵列光子计数成像原理的仿真研究,还没有涉及实用型的测量装置出现。

发明内容

本发明的内容在于,本发明公开了一种基于盖革雪崩光电二极管阵列(盖革APD阵列)的高精度三维扫描成像装置及其使用方法。本发明采用盖革APD阵列作为探测核心,通过光子计数反演的方法实现对被测目标位置信息测量,利用盖革APD阵列的高频和高灵敏特性,使得测量装置具有测量间隔短、单次测量精度高等特点,并能通过高频次测量获得目标的运动信息。该装置采用光子计数反演和时间相关的方法实现了高频、动态的三维图像获取,时间响应特性可以达到ns量级,测量灵敏度可以达到单光子量级。本发明还将提供这种高精度三维成像装置的探测方法。

完成上述发明任务的技术方案是,一种基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置,其特征在于,该三维成像装置光轴的前方,依次设有发射物镜、分光镜(也称分光棱镜)、干涉滤光片;该三维成像装置光轴的后方设有光纤束、盖革APD阵列和控制系统单元,该盖革APD阵列的输出接系统控制单元;所述分光镜的侧方设有高频激光器。

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