[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

说明书

本发明涉及一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统及方法。该系统包括激光发射器、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以及数据处理单元；激光发射器发射激光至中介反射面，中介反射面散射的激光照亮被隐藏目标，经隐藏目标反射后再次入射至中介反射面，SPAD阵列探测器接收中介反射面返回的光信号并触发时间相关光子计数器，时间相关光子计数器统计光子飞行时间得到时间光子计数图，激光发射器和扫描振镜系统不断进行扫描照射得到多幅时间光子计数图，利用数据处理单元完成对目标的绕角定位与追踪。本发明适用于对视域之外的目标进行定位，并对其进行实时监控追踪。

技术领域

本发明涉及激光定位与追踪领域，尤其是涉及一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统及方法。

背景技术

在绕角对隐藏目标进行探测定位的过程中，由于多次漫反射使得接收的光回波信号能量极其徼弱，通常微弱到只有若干个光子能量，甚至是单光子。单光子已不是连续光，且单光子能量很小，产生的光电流比室温下常规光电探测器本身的噪声还要低，因此要探测这种极其微弱的光子回波信号，需要特别的探测手段。利用单光子探测器进行光子探测的光子计数是一项重要的微光信号检测技术，在远程激光测距、水下目标探测、大气测污、天文观测、弱光波前传感、生物波导探测、粒子物理学、远程激光三维成像、荧光医学成像和星地与星际激光通信等领域都有十分广泛的应用。

漫反射是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。很多物体，如衣服、墙壁、植物等，其表面看起来似乎是平滑，但实际是凹凸不平的，当有光线照射时，平行的光线被弥漫的射向不同的方向，人眼之所以能看清物体的全貌，主要是靠漫反射光在眼内的成像。

基于绕角的技术是利用墙面、天花板等作为中介反射面，发射激光经过反射面—隐藏物体—反射面的三次漫反射过程最终由探测器采集数据完成对视域之外的目标进行三维重建或者定位追踪。绕角成像与绕角定位追踪既可以对目标进行成像提供目标信息，又可使操作人员在距离障碍物较远的地方对目标进行观察，从而保障了工作人员的安全。该技术在战场监视、搜索营救、反恐侦察、地震救灾、历史考古、医学诊疗等领域都有非常广阔的应用前景。

现有的绕角定位追踪研究多采用条纹相机作为探测器，或者利用二维强度图来完成目标追踪，以上方法实验装置昂贵，耗时过长，在定位追踪领域不能做到实时性，限制了绕角定位追踪技术在实际应用中的发展。

发明内容

本发明为了解决现有绕角定位追踪技术中存在的问题，从而提供了一种基于单光子探测原理的绕角定位与追踪的系统及方法，用于探测视域之外的目标物体并完成目标定位与目标实时追踪的工作。

本发明采用的技术方案包括：

本发明提供了一种基于单光子探测的绕角定位与追踪系统，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；