[发明专利]基于APD阵列的三维激光成像系统及方法

摘要

基于APD阵列的三维激光成像系统及方法，该系统包括激光发射器，固定在激光发射器出光端的半透半反镜，固定于半透半反镜透射光路上的达曼光栅，目标物体固定于达曼光栅出光端，固定于目标物体反射光路上的第一汇聚透镜，固定于第一汇聚透镜汇聚光路上的数字微镜器件DMD，固定于数字微镜器件DMD反射光路上的第二汇聚透镜，固定于第二汇聚透镜汇聚光路上的8*8的APD阵列探测器；固定于半透半反镜反射光路上的第三汇聚透镜，固定于第三汇聚透镜汇聚光路上的单元APD探测器；与单元APD探测器和8*8的APD阵列探测器连接的测时电路，与测时电路和数字微镜器件DMD连接的计算机处理模块；本发明还公开了成像方法；能够以低分辨率的APD传感器阵列同时获得高分辨率的距离像和强度像，突破传感器阵列的限制。

主权项

基于APD阵列的三维成像系统的成像方法，所述三维成像系统包括激光发射器(4)，固定在激光发射器(4)出光端的半透半反镜(5)，入射光以45°角入射于半透半反镜(5)，固定于半透半反镜(5)透射光路上的达曼光栅(6)，目标物体(12)固定于达曼光栅(6)的出光端，固定于目标物体(12)反射光路上的第一汇聚透镜(1)，固定于第一汇聚透镜(1)汇聚光路上的数字微镜器件DMD(7)，固定于数字微镜器件DMD(7)反射光路上的第二汇聚透镜(2)，固定于第二汇聚透镜(2)汇聚光路上的8*8的APD阵列探测器(9)；固定于半透半反镜(5)反射光路上的第三汇聚透镜(3)，固定于第三汇聚透镜(3)汇聚光路上的单元APD探测器(8)；与所述单元APD探测器(8)和8*8的APD阵列探测器(9)连接的测时电路(10)，与测时电路(10)和数字微镜器件DMD(7)连接的计算机处理模块(11)；其特征在于：所述成像方法包括如下步骤：步骤一，利用计算机处理模块(11)生成一个M×N维的测量矩阵，其中N＝p×q，p为三维图像的对应矩阵的行数，q为三维图像对应矩阵的列数：其中bist为第i行，第st列的元素，1≤s≤p,1≤t≤q,bist的值取1或0；步骤二，计算机处理模块(11)根据生成的测量矩阵第一行的元素值设定数字微镜器件DMD(7)的状态，当测量矩阵相应元素值为1时，将数字 微镜器件DMD(7)对应位置的铝镜偏转+12°；当测量矩阵相应元素值为0时，将数字微镜器件DMD(7)对应位置的铝镜偏转‑12°；步骤三，打开激光发射器(4)光源，半透半反镜(5)将一部分激光反射给单元APD探测器(8)，将一部分激光透射过去对目标物体(12)进行照射；步骤四，单元APD探测器(8)接收到激光脉冲后，传给测时电路(10)，测时电路(10)记录下此时脉冲到达的时刻t0；步骤五，达曼光栅(6)对半透半反镜(5)透射的激光进行调制，形成强度高且能量分布均匀的阵列光束，阵列光束照在目标物体(12)上；步骤六，数字微镜器件DMD(7)对目标物体的反射光进行采样；数字微镜器件DMD(7)内部偏转为+12°的铝镜将其上的入射光反射到第二汇聚透镜(2)上并传给8*8的APD阵列探测器(9)，得到随机采样信号；数字微镜器件DMD(7)内部偏转为‑12°的铝镜将其上的入射光反射到吸收平面进行入射光吸收；步骤七，8*8的APD阵列探测器(9)的每个探测单元探测数字微镜器件DMD(7)对应位置返回的激光脉冲，记录光强并传给测时电路(10)进行时刻鉴别，计算机处理模块(11)根据得到的时间序列ti计算脉冲序列到达的时间差Δti，其中i＝1,2,...64，相加得到脉冲时间差的总和，又已知光速C，计算得出目标物体不同位置各点的距离和L，作为距离像的一次观测值Y01；将8*8的APD阵列探测器(9)探测得到的反射光强序列相加得到强度像的一次观测值Z01；特殊形式的测量矩阵避免了同一时刻同一探测单元接收多个脉冲信号，从而避免了脉冲之间的相互叠加混淆，保证了测距精度；步骤八，将测量矩阵的其余各行都重复步骤二到步骤七，得到距离像Y0的M个观测值和强度像Z0的M个观测值:步骤九，计算机处理模块(11)对距离像Y0的M个观测值进行处理，运用现有的压缩感知恢复算法恢复得到目标的距离像；步骤十，计算机处理模块(11)对强度像Z0的M个观测值进行处理，运用现有的压缩感知恢复算法恢复得到目标的强度像。