[发明专利]三维图像重构的激光主动成像系统

说明书

本公开提供一种三维图像重构的激光主动成像系统，所述三维图像重构的激光主动成像系统包括：光源，用于发出脉冲激光；望远镜，用于使所述脉冲激光照射目标，并接收从目标返回的光子；光学后光路板，与所述光源及望远镜系统相连，采用收、发同轴光路，用于处理经过的脉冲激光及从目标返回的光子；单光子探测器，与所述光学后光路板相连，用于探测从目标返回后经所述光学后光路板处理后的光子；以及电子学控制处理模块，分别与所述脉冲激光器、单光子探测器、光学后光路板以及望远镜相连，用于发出指令信号。

技术领域

本公开涉及三维成像技术领域，尤其涉及一种三维图像重构的激光主动成像系统，适用于远距离的高灵敏、高分辨激光三维成像。

背景技术

在当代的三维成像技术领域中，可以大致分为平面图像算法重构和激光主动成像两个分支。

激光主动成像技术是精确三维成像技术的主要发展方向，通过精确测量光子飞行时间，获取每像素距离信息，重构出目标三维图像。因为能够获得目标距离图像和强度图像，并且具有很高的距离分辨能力和角度分辨能力，被广泛应用于目标识别、对地遥感观测、城市三维建模，特别是自动驾驶、辅助驾驶的兴起，三维成像被应用于汽车、船舶和飞机的主动防撞，机器人和无人车的避障、导航等领域。

但是，目前一般的激光三维成像技术只适用于几百米的距离，当成像距离扩展到数公里时，受限于漫反射的反射特性和探测灵敏度，需要使用高功率的激光器作为光源，极大的增加了实现难度和限制了应用。同时，当距离达到数公里时，成像质量受发射光斑扩散和成像孔径衍射极限等限制，成像质量往往难以保证。因此，如何实现远距离成像的同时仍然保持优秀的成像质量是一个具有挑战性的技术难题，也是一个急需发展的重要技术。

近些年，随着单光子探测技术的出现，人们有了单光子灵敏度的探测手段，有效地拓展了三维雷达的工作距离。加上时间相关的单光子测量技术Time correlated singlephoton counting(TCSPC)的发展，让我们能够实现传统技术无法实现的时间分辨精度，可以达到几十皮秒的分辨能力，从而大大提高了激光雷达的深度分辨能力。众多的科研团队和企业，纷纷发展他们的单光子激光三维成像系统。同时发展了两种主要的成像方式：1、二维面阵单光子相机凝视非扫描成像；2、单像素或多像素的扫描成像方式。其中，最具有代表性的工作来自美国麻省理工学院林肯实验室(MIT Lincoln Lab)，它起步较早，领跑于这个领域。他们从2000年初开始研究单光子激光成像[1]，并先后研发出Gen系列三代的单光子成像系统。在2015年更是开发了近红外波段响应InP/InGaAs-盖革APD阵列，发展了近红外波段兼顾隐蔽性和激光人眼安全的激光成像系统[2]，并现已经达到了256x256像元[3]，已投入应用，服务于民用、商用和军用等各方面。在其第三代的激光雷达产品中，采用了532nm工作波长，采用收发同轴的设计方案。为了做到集成化，使用了7.5cm口径的望远镜来做收发，并采用了较高的脉冲能量(33μJ)，从而做到很高的信噪比[4]。使用该系统，林肯实验室做到对几百米外十几个厘米精度的三维成像，并且可以实现对植被覆盖下的车辆等目标物体的侦测。其装置示意图及成像结果如图3所示[4]。但由于采用了小口径的望远镜和面阵探测，受限于功率，该系统在远距离情形下难以保证面阵中的每个单元都收集到足够的成像光子。

另外，一些商业公司，例如美国Princeton Lightwave公司，同样利用面阵探测器实现激光成像雷达[5]，应用于导航和障碍规避。基于面阵探测器的凝视非扫描成像，利用了器件优势避免扫描，提高系统成像速率，并可以降低系统复杂度、体积。然而同样因为面阵成像需要发射激光全局照明目标，应用到远距离成像需要巨大的功率需求，一般只能限制在百米到数公里。