[发明专利]一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统及方法

权利要求书

1.一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统，其特征在于，包括激光发射器、扫描振镜系统、中介反射面、微透镜组、SPAD阵列探测器、时间相关光子计数器、数据处理单元；

激光发射器发射的出射激光经过扫描振镜系统在中介反射面形成的第一漫反射光；隐藏目标位于第一漫反射光的光路上并对第一漫反射光部分进行二次反射形成第二漫反射光；第二漫反射光再次经过中介反射面的漫反射后形成第三漫反射光；微透镜组和SPAD阵列探测器均位于第三漫反射光的光路上；

SPAD阵列探测器与时间相关光子计数器连接；时间相关光子计数器与数据处理单元连接；

时间相关光子计数器对第三漫反射光中光子数的分布情况进行统计并确保在同一时间SPAD阵列探测器中所有探测器单元同时生成M幅光子数-时间分布直方图；

数据处理单元包括同步电路、存储单元、DSP处理器和显示器；

同步电路用于保证激光发射器发射激光以及时间相关光子计数器开启计时同步进行；

存储单元用于储存时间相关光子计数器发送来的光子数的分布情况进行统计和分析结果；

DSP处理器用于对光子数的分布情况进行统计和分析结果进行定位和追踪处理；

显示器用于将DSP处理器的处理结果转换成隐藏目标的随时间变化的位置点显示出来。

2.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统，其特征在于：所述激光器为能发出飞秒级脉冲光的激光器。

3.根据权利要求1所述的一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统，其特征在于：所述微透镜组为一组参数相同且镜片数量与SPAD阵列探测器中探测器单元数量相同的凸透镜组。

4.一种应用如权1所述的一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统的基于单光子探测的绕角定位与追踪方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)同步电路控制激光发射器发射激光并给时间相关光子计数器一个开始计时的时间信号；

2)激光照射到中介反射面上形成第一漫反射光照到隐藏目标，隐藏目标将部分第一漫反射光二次反射成第二漫反射光后经中介反射面再次形成第三漫反射光；

3)第三漫反射光经微透镜组由SPAD阵列探测器接收并触发时间相关光子计数器，获得初始电子的时间分布情况；同步电路控制激光发射器不断扫描发射，同时时间相关光子计数器开始对光子数的分布情况进行统计并生成M幅光子数-时间分布直方图；

4)DSP处理器利用得到的M幅光子数-时间分布直方图对隐藏目标进行绕角定位与追踪；

4.1)提取任意一张光子数-时间分布直方图，在各个时间点对该光子数-时间分布直方图进行中值处理；

4.2)将处理后的光子数-时间分布直方图进行相减去除背景环境信息，隔离出不同位置下的隐藏目标信息；

4.3)将隔离出的包含目标信息的光子数-时间分布直方图进行高斯拟合处理；

4.4)根据实际场景建立场景三维模型，设置坐标系，根据激光发射器位置L(x_L，y_L，z_L)和激光发射器在中介反射面上的各个激光扫描照射点位置计算激光发射器初始发射距离R_a：

4.5)根据步骤4.4)中建立的三维模型获取SPAD阵列探测器各个探测单元位置和SPAD阵列探测器各个探测单元对应在中介反射面上的位置计算激光从P_k点到D_i所经过的距离R_d；

4.6)获取S_j和P_k到隐藏目标点的距离为R_b+R_c；

根据步骤4.3)高斯拟合处理后的光子数-时间分布直方图所包含的光子时间信息求出光子飞行总距离R_all；

由R_all＝R_a+R_b+R_c+R_d，求出R_b+R_c；

4.7)将S_j和P_k为焦点，R_c+R_d为焦距获取隐藏目标对应的三维模型中的椭球面；

4.8)重复步骤4.1)至步骤4.7)获得M幅光子数-时间分布直方图对应的M个椭球面，对M个椭球面由对应时刻下的光子数进行赋值，M个椭球面在三维空间中交叠求和，形成一幅置信值图C(x，y，z)；

4.9)剔除置信度太小的点，只保留C＞αC_max+βC_maxl；

其中：C_max指置信图中的最大值，C_maxl指置信图中体素周围的局部最大值，α和β为权值，α取0.4、β取0.6；

4.10)将置信图中置信值较大的点作为隐藏目标的位置点，根据相应的时间信息得到隐藏目标位置的先后顺序，进行时间先后标记并通过显示器将所有的位置点显示出来即完成对视域之外的隐藏目标进行定位和追踪。