[发明专利]基于单光子阵列的选通型漫反射绕角成像系统与方法

说明书

本发明公开了一种基于单光子阵列的选通型漫反射绕角成像系统及方法，该系统包括激光发射器、扫描振镜系统、中介反射面、距离选通模块、微透镜组、SPAD阵列探测器、时间相关光子计数器以及数字处理单元；激光发射器发出的激光依次经过中介反射面表面—隐藏目标表面—中介反射面的反射过程后经距离选通模块后被SPAD阵列探测器采集并触发时间相关光子计数器。根据时间相关光子计数器统计的光子数和光子到达时间得到时间光子计数直方图，最后通过数字处理单元按照时间先后顺序处理多幅时间光子计数直方图，完成隐藏目标物体的三维重建。本发明不仅成本低、便于携带并且能够实现探测视域之外的隐藏目标三维成像。

技术领域

本发明涉及一种选通型漫反射绕角成像系统与方法，尤其是涉及一种基于单光子阵列的选通型漫反射绕角成像系统与方法。

背景技术

在绕角对隐藏目标进行探测成像的过程中，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。

三维成像激光雷达是激光雷达技术中的研究热点之一，它的探测数据由目标的距离和相互正交的方向角度信息组成，以激光测距技术为基础，把传统的二维平面图像转化成目标影像的三维图像。与传统的二维图像相比，三维图像对目标的描述更加直观。目前，此技术已应用在军事侦察、目标识别和跟踪、三维测绘、交通辅助避障、精确制导、无损检测以及医疗影像等多种领域。在三维成像的多种实现方式中，基于SPAD阵列探测器的三维成像激光雷达具有极高的灵敏度、极低的暗计数率以及极快的成像速度等固有优势。由单光子探测器为主要光电接收器件的三维成像激光雷达，就是单光子阵列探测三维成像激光雷达。

激光距离选通成像系统的工作过程为：激光发射器发射激光脉冲对目标进行照射；照明激光脉冲在传输过程中，当部分激光能量被散射介质散射或中间场景反射回来时，接收器的选通门处于关闭状态，从而，拒绝了大气后向反射及背景杂波；当目标区域反射回的激光信号到达接收器时，系统选通门打开，对目标区域进行成像，之后选通门重新关闭。激光距离选通成像技术作为一种成熟的主动层析成像技术，已被广泛应用于军事侦察、搜救、监视、水下探测等方面。

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。

绕角成像技术是利用墙面、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。绕角成像方法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。现有的绕角成像研究多采用条纹相机和iCCD(intensified Charge-Coupled Device)相机作为探测器，但是条纹相机和iCCD相机价格十分昂贵，不能应用于实际操作中，而且探测范围较小，采集数据时间过长。采用光电混合装置作为探测器降低了实验设备成本，但是该项装置所能提供的时间分辨率和空间分辨率很低。综上，目前绕角成像技术在成本大、成像精度等方面具有较大局限性。

发明内容

为了解决现有绕角成像技术中存在的问题，本发明提供了一种成本低、便于携带并且能够实现探测视域之外的隐藏目标三维成像的基于单光子阵列的选通型漫反射绕角成像系统与方法。

本发明采用的具体技术方案是：