[发明专利]新型光子计数激光雷达3D成像方法及装置

权利要求书

1.一种新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)激光器发出激光脉冲进入收发光学系统；

(2)收发光学系统将激光器发出的激光脉冲处理成均匀的平行激光，并将平行激光分成两束激光，其中一束激光入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块，另一束激光经过反射镜组、DMD以及振镜扫描装置照射到目标表面；

(3)照射到目标表面的激光回波经过振镜扫描装置的收集返回入射到DMD，此时DMD收到控制与数据处理器发回的同步信号开始加载编码信息，被DMD编码调制的信息将返回到收发光学系统处理后入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个结束计时信号反馈至光子计数模块；

(4)由光子计数模块的分析处理获得被调制的每个光子飞行时间和光子的数目，此时光子的总数目便为本次测量被调制的总光强，光子飞行时间是本次测量对应的每个光子从目标处到探测端行走距离所需要的时间，并将光子飞行时间和光子数目收集保存至控制与数据处理器；

(5)经过多次测量获得多个被调制的测量值和多组光子飞行时间，将多组光子飞行时间归并，依据一定的需求量化，多个测量值经过压缩感知重构算法获得高质量的重构图像，融入光子飞行时间形成点云数据，然后经过点云重构算法实现3D目标重构。

2.根据权利要求1所述的新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，所述收发光学系统包括扩束器、第一半波片、第二半波片、四分之一波片、偏振分束棱镜和光纤耦合器；激光器发出激光脉冲进入扩束器，通过该扩束器将该激光脉冲处理成为均匀的平行激光，然后通过第一半波片的旋转来调整激光的偏振方向，以配合后端的偏振分束棱镜；平行激光进入偏振分束棱镜被分成两束激光，其中一束激光通过光纤耦合器入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块；另一束激光依次经过四分之一波片、第二半波片、反射镜组、DMD以及振镜扫描装置才照射到目标表面。

3.根据权利要求2所述的新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，通过调整所述四分之一波片和第二半波片的旋转角度来减小后向散射增大接收到的回波能量，通过调整振镜扫描装置来控制出射激光按指定的角度进行扫描，以完成对目标场景的面阵扫描。

4.根据权利要求1所述的新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，所述步骤(3)选用哈达玛矩阵作为测量编码矩阵，输入到DMD中作为编码模板实现对目标图像的调制。

5.根据权利要求4所述的新型光子计数激光雷达3D成像方法，其特征在于，搭建DMD调试光路进行初步调试，DMD通过USB连接到控制与数据处理器，连续发送编码模板控制微镜翻转来调制光信号，所述控制与数据处理器通过同步线连接或者同步指令来实现对多阳极MCP-PMT阵列、激光器、光子计数模块以及DMD的工作状态进行控制。

6.一种新型光子计数激光雷达3D成像装置，其特征在于，其包括激光器、多阳极MCP-PMT阵列、收发光学系统、振镜扫描装置、反射镜组、DMD、光子计数模块和控制与数据处理器，激光器发出激光脉冲，收发光学系统将激光器发出的激光脉冲处理成均匀的平行激光，并将平行激光分成两束激光，其中一束激光入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号反馈至光子计数模块，另一束激光经过反射镜组、反射镜组、DMD以及振镜扫描装置照射到目标表面；照射到目标表面的激光回波经过振镜扫描装置的收集返回入射到DMD，此时DMD收到控制系统发回的同步信号开始加载编码信息，被DMD编码调制的信息将返回到收发光学系统处理后入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个结束计时信号反馈至光子计数模块，由光子计数模块的分析处理获得被调制的每个光子飞行时间和光子的数目，并收集保存至控制与数据处理器，由控制与数据处理器进行分析运算实现3D目标重构。