本公開涉及激光主動成像，尤其涉及一種單光子反射層析成像方法及裝置。

背景技術：

1、對于激光三維成像系統(tǒng)，其橫向分辨能力會受到光學衍射極限的限制。對于遠距離高精度成像的應用，往往要求激光雷達具有非常高的橫向分辨率。為了解決這個問題，研究者們提出了基于不同原理和技術手段的超分辨光學成像方案，包括光學合成孔徑成像，傅里葉望遠鏡，大口徑拼接望遠鏡，亞像素掃描、激光反射層析成像等等。其中激光反射層析成像技術旨在通過高精度的距離信息測量從而恢復原本橫向無法分辨物體的形貌，其通過相對魯棒的光子飛行時間測量，從而獲取目標的三維信息。然而，目前的激光反射層析成像系統(tǒng)仍然需要較大的光學口徑和較高的激光功率來實現(xiàn)遠距離的探測，難以實現(xiàn)小型化、輕量化。同時，系統(tǒng)的分辨率和作用距離也難以兼顧。

技術實現(xiàn)思路

1、本公開的一個方面，提供一種單光子反射層析成像方法，包括：

2、操作s1：發(fā)出高斯光束至自由空間并作用于目標物體；

3、操作s2：接收所述高斯光束作用于目標物體后得到的反射光束，以探測光子信息；

4、操作s3：根據(jù)所述光子信息得到光子計數(shù)-時間直方圖；

5、操作s4：基于所述光子計數(shù)-時間直方圖得到目標物體在某角度下的時域波形；以及

6、操作s5：對不同角度下的時域波形進行處理，得到物體的三維表面輪廓。

7、根據(jù)本公開實施例，操作s1中，通過目標物體自身角度變化或高斯光束出射位置變化，使高斯光束作用于不同角度下的目標物體。

8、根據(jù)本公開實施例，操作s2中，通過單光子雪崩二極管探測反射光束的光子信息。探測時的死時間設置為小于1μs。

9、根據(jù)本公開實施例，操作s3中，通過時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器得到光子飛行時間，并根據(jù)所述光子飛行時間得到光子計數(shù)-時間直方圖。

10、根據(jù)本公開實施例，當光子被單光子雪崩二極管探測時，輸出脈沖信號給時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器記錄脈沖信號的發(fā)射時刻以及光子的到達時刻，從而得到光子的飛行時間。

11、根據(jù)本公開實施例，操作s5包括：

12、操作s51：對各個角度下測量到的光子計數(shù)直方圖進行傅里葉變換，得到頻域向量；

13、操作s52：將頻域向量點乘濾波函數(shù)進行濾波；

14、操作s53：對濾波后的頻域向量進行傅里葉變換，得到濾波后的時域數(shù)據(jù)；

15、操作s54：將各個時域數(shù)據(jù)反向投影到對該時域數(shù)據(jù)有貢獻的物體空間體元上；

16、操作s55：將反向投影后的結(jié)果基于曲面約束進行擬合，最終得到目標物體的三維表面輪廓。

17、根據(jù)本公開實施例，操作s52中的濾波函數(shù)為h(ω)：

18、；

19、這里ω代表頻率，ω cut代表截斷頻率，為信噪比相關的可調(diào)節(jié)參數(shù)。

20、本公開的另一方面，提供一種單光子反射層析成像裝置，包括：

21、發(fā)射單元，用于發(fā)出高斯光束至自由空間并作用于目標物體；

22、接收單元，接收所述高斯光束作用于目標物體后得到的反射光束，以探測光子信息，并根據(jù)所述光子信息得到光子計數(shù)-時間直方圖；以及

23、處理單元，基于所述光子計數(shù)-時間直方圖得到目標物體在某角度下的時域波形；并對不同角度下的時域波形進行處理，得到物體的三維表面輪廓。

24、根據(jù)本公開實施例，所述發(fā)射單元包括激光器，單模光纖，準直器，擴束鏡；所述接收單元包括擴束鏡，帶通濾光片，長通濾光片，光纖濾波器，單光子探測器，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器；所述成像裝置還包括信號發(fā)生器，用于提供時序信號。

25、從上述技術方案可以看出，本公開單光子反射層析成像方法及裝置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

26、（1）探測距離遠：采用了單光子雪崩二極管進行探測，可達到單光子級的極限靈敏度。同時，裝置工作在近紅外波段，具有較好的大氣透過率；系統(tǒng)采用了多級光譜濾波、時域以及空域濾波來極大降低噪聲；較好的靈敏度和信噪比使得裝置能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離的探測；

27、（2）小型化、輕量化：基于單光子探測手段，具有較高的靈敏度，因此不需要高功率的激光器以及大口徑的望遠鏡；同時，裝置均可采用小型化的器件，可實現(xiàn)集成化、輕量化；

28、（3）測量精度高：基于單光子探測手段，利用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行光子飛行時間測量，時間精度可達幾十ps量級，對應距離分辨率可小于1厘米，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的成像精度；

29、（4）可以實現(xiàn)三維成像：可以根據(jù)不同角度下的測量數(shù)據(jù)恢復物體的三維表面形貌。

技術特征：

1.一種單光子反射層析成像方法，包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的單光子反射層析成像方法，操作s1中，通過目標物體自身角度變化或高斯光束出射位置變化，使高斯光束作用于不同角度下的目標物體。

3.根據(jù)權利要求1所述的單光子反射層析成像方法，操作s2中，通過單光子雪崩二極管探測反射光束的光子信息。

4.根據(jù)權利要求3所述的單光子反射層析成像方法，探測時的死時間設置為小于1μs。

5.根據(jù)權利要求1所述的單光子反射層析成像方法，操作s3中，通過時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器得到光子飛行時間，并根據(jù)所述光子飛行時間得到光子計數(shù)-時間直方圖。

6.根據(jù)權利要求5所述的單光子反射層析成像方法，當光子被單光子雪崩二極管探測時，輸出脈沖信號給時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器記錄脈沖信號的發(fā)射時刻以及光子的到達時刻，從而得到光子的飛行時間。

7.根據(jù)權利要求1-6任一項所述的單光子反射層析成像方法，所述操作s5包括：

8.根據(jù)權利要求1所述的單光子反射層析成像方法，操作s52中的濾波函數(shù)為h(ω)：

9.一種單光子反射層析成像裝置，包括：

10.根據(jù)權利要求9所述的單光子反射層析成像裝置，其中：

技術總結(jié)
本公開提供一種單光子反射層析成像方法，包括：操作S1：發(fā)出高斯光束至自由空間并作用于目標物體；操作S2：接收所述高斯光束作用于目標物體后得到的反射光束，以探測光子信息；操作S3：根據(jù)所述光子信息得到光子計數(shù)?時間直方圖；操作S4：基于所述光子計數(shù)?時間直方圖得到目標物體在某角度下的時域波形；以及操作S5：對不同角度下的時域波形進行處理，得到物體的三維表面輪廓。還提供一種單光子反射層析成像裝置。

技術研發(fā)人員：徐飛虎,葉俊天,黎正平,潘建偉
受保護的技術使用者：合肥國家實驗室
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/11/4