[发明专利]远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法

权利要求书

1.一种远距离光子计数三维激光雷达成像系统，其特征在于包含控制单元、光学发射单元、光学接收单元、分光单元、光学扩束结构以及光学扫描单元；

所述控制单元获取光学发射单元的起始信号和光学接收单元的截止信号，将其用于数据处理，同时控制光学扫描单元改变光路，对目标进行扫描；光学发射单元与光学接收单元的光路采用收发合置方式，光学发射单元将激光脉冲准直入分光单元，同时为控制单元提供起始信号；分光单元实现光学发射单元与光学接收单元的收发合置，经光学发射单元准直的出射激光脉冲通过分光单元进入光学扩束结构，同时经光学扩束结构整合的回波激光脉冲通过分光单元进入光学接收单元；由光学发射单元发射的出射脉冲进一步压缩发散角由扫描单元接收，回波脉冲则经光学扩束结构汇聚由光学接收单元探测到；出射脉冲经分光单元、光学扩束结构后聚焦到光学扫描单元的反射面上，控制单元控制并接收光学扫描单元反馈信号，通过光学扫描单元对目标的二维扫描，之后经光学扩束结构、分光单元的反射面进入光学接收单元。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：控制单元由上位机、FPGA控制器和TCSPC组成，上位机与FPGA控制器通信，读取TCSPC接收到的同步信号和截止信号，对数据进行处理获取目标图像；FPGA控制器调整光学发射单元的激光器的泵浦电压、脉冲频率以及控制激光器的开关，随时调整激光器的状态；FPGA控制器控制光学扫描单元的快反镜的启停，改变快反镜的摆振角度及摆振速度，实现扫描范围和扫描速度可控；FPGA控制器读取TCSPC记录的数据，TCSPC记录探测过程中激光脉冲的飞行时间，TCPSC的通道0记录光学发射单元信号，通道1记录光学接收单元信号，FPGA控制器将两个通道的数据传输到上位机，由上位机进行信号处理并进行图像显示。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：光学发射单元包含激光器、准直器和光电探测器，通过激光器、准直器发射、准直激光，将激光脉冲准直入分光单元，同时光电探测器为控制单元提供起始信号，即激光器的标准输出端作为探测光源通过标准FC/APC光纤法兰耦合入光纤准直镜，经准直镜准直后作为系统光源使用，激光器的监测端与光电探测器连接，光电探测器将发射信号输出给控制单元的TCSPC，作为系统同步信号。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：光学接收单元包含单光子探测器、聚焦透镜、滤波器和反射镜，分光单元反射回来的回波脉冲经反射镜、聚焦透镜后进入滤波器，滤除背景光后由单光子探测器接收，同时单光子探测器为控制单元提供截止信号。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：分光单元由一个中心掏孔的分光镜构成，中间小孔为脉冲激光的出射光路，反射面部分为回波接收光路，将出射光路与回波接收光路重合，实现光学发射单元与光学接收单元的收发合置；经光学发射单元准直的出射激光脉冲通过分光镜中心小孔进入光学扩束结构，同时经光学扩束结构整合的回波激光脉冲通过分光镜的反射面进入接收单元。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：中心掏孔直径为5-10mm。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：光学扩束结构是一组正负透镜的组合，由光学发射单元发射的出射脉冲进一步压缩发散角由扫描单元接收，回波脉冲则经光学扩束结构汇聚由光学接收单元探测到。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：光学扫描单元由一个快反镜构成，利用快反镜改变出射光路实现对目标扫描，该快反镜由一个镀金属高反膜的反射镜和一个电机组成，出射脉冲经分光单元、光学扩束结构后聚焦到快反镜的反射面上，控制单元的上位机和FPGA控制器能控制并接收快反镜反馈信号，通过调整快反镜的摆动角度、频率以实现对目标的二维扫描；回波信号首先到达快反镜的反射面，之后经光学扩束结构、分光单元的反射面进入光学接收单元。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：出射光路采用像方扫描方式，将光学扫描单元置于光学扩束结构后方。

10.一种利用权利要求1至9任意一项所述系统的远距离光子计数三维激光雷达成像方法，其特征在于：

上位机和FPGA控制器共同控制激光器、快反镜和TCSPC，激光器含两个输出端，分别为标准输出端和监测端，光电探测器接收监测端信号，并将信号输入TCSPC的0通道，TCSPC记录该信号并将其标记为起始时间；标准输出端输出的激光脉冲经准直器准直后通过分光镜中间的小孔进入光学扩束结构，激光脉冲经光学扩束结构进一步聚焦整形后入射到快反镜的反射面上，经快反镜反射后到达目标表面，快反镜通过双轴的摆振改变脉冲的发射光路以实现对目标的扫描；目标将脉冲反射回原光路，回波脉冲通过快反镜、光学扩束结构后，被分光镜的反射面反射，并依次经过反射镜、滤波器、聚焦透镜后由单光子探测器接收；单光子探测器接收回波脉冲信号，并将信号输入TCSPC的1通道，TCSPC记录该信号并将其标记为截止时间；FPGA控制器读取TCSPC的0通道和1通道数据，并将数据传输到上位机，上位机获取目标数据后，利用光子计数激光雷达深度图像去噪算法重构目标深度图像。