一种基于光子标记的首光子激光成像系统的制作方法

本发明属于光学成像技术领域和光子计数激光成像技术领域，涉及一种能够快速成像的首光子激光成像系统。

背景技术：

传统的激光雷达采用线性探测体制，激光回波脉冲中包含数千个光子，依靠较高的信噪比将回波信号从背景噪声中检出，这种高的激光发射能量限制了激光重复频率、数据采样率以及最大作用距离。为了解决这个问题，激光雷达正朝着低发射能量、高重频、高灵敏度探测的方向发展，目前最常见的是光子计数激光三维成像技术，以美国NASA、MIT林肯实验室为代表，采用高重频、低能量激光发射机和高灵敏度的单光子探测器，将线性探测体制下包含大量光子的回波波形探测转换为针对单个回波光子事件的“计数”，充分应用了回波信号中的能量。但是，为了将信号从背景噪声和暗计数中提取出来，该系统需要利用多个光子事件累积方法，那么每个像素仍然要求累积数十个光子。

当前提出的首光子成像技术采用盖革模式单光子探测器，回波信号能量低于0.1个光子每脉冲，系统不再通过光子事件累积的方法成像，而是从探测器响应的首个光子的脉冲计数和延时时间中获取目标的反射率和高程信息，同时采用首光子成像算法剔除背景噪声的影响，将有望大大简化激光雷达系统，进一步降低系统对功耗、望远镜口径等的要求。但是，为了得到首个光子的准确时间信息，目前首光子成像技术要求激光器的重复频率f≤c/2s，其中c是光速，s是目标相对激光雷达的距离。一旦激光器的重复频率超过这个阈值，响应光子的时间信息有可能出现周期混叠，从而无法正确反演出目标的反射率信息和高程信息。并且，当前的首光子成像系统工作在极低的回波强度条件下，当探测器响应首个光子时，激光器需要发射多个脉冲，而重复频率的限制往往使得系统数据采集的时间延长，从而影响系统成像的时效性，不利于其对运动或变化的目标场景成像，在应用中具有很大的局限性。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：能够克服现有首光子激光成像系统高重复频率条件下响应光子的时间信息出现周期混叠的不足，突破该系统脉冲重复频率受限的难题，提供一种能够在极低回波信号强度条件下快速成像的首光子激光成像系统。

本发明的技术解决方案是：一种基于光子标记的首光子激光成像系统，包括光子编码系统、1×N激光器阵列、光路折转元件、二维扫描装置、望远镜光学系统、光束聚焦元件、光子解码系统、1×N单光子探测器阵列、多通道时间相关单光子计数系统以及控制与数据采集系统；N为正整数；

所述的光子编码系统根据控制与数据采集系统的控制指令，利用开关电路控制1×N激光器阵列中各激光器中的激光二极管的驱动电源，使1×N激光器阵列中的N个激光器，在一个准周期T内，按照相等的时间间隔T/N，依次发射窄脉宽的带有标记的单光子脉冲；N个激光器发射的单光子脉冲通过合束，最后沿同一光路经折转镜、二维扫描装置向目标发射；目标反射回的回波光信号经望远镜光学系统、光束聚焦元件到达光子解码系统，光子解码系统将带有标记的单光子脉冲空间分离后，对应送至1×N单光子探测器阵列进行探测；1×N单光子探测器阵列将探测到的信号输出至多通道时间相关单光子计数系统和控制与数据采集系统，提取出带有标记的单光子脉冲的信息，之后通过高重频首光子成像算法对数据进行反演和去噪，最终显示目标的反射率图像和高程图像。

所述1×N单光子探测器阵列中每个单光子探测器工作在盖革模式。

所述的光子编码系统的编码形式为偏振编码或波长编码，所述的光子解码系统对于偏振编码的单光子脉冲采用偏振分束器进行分光，对于波长编码的单光子脉冲采用光栅分光。

所述的多通道时间相关单光子计数系统与1×N个单光子探测器的输出相连，记录到达1×N单光子探测器阵列的第一个单光子脉冲的延迟时间。

所述的控制与数据采集系统与光子编码系统的输入相连，通过指令控制光子编码系统的开关；同时控制与数据采集系统与1×N单光子探测器阵列的输出相连，记录到达1×N单光子探测器阵列的第一个单光子脉冲的编码信息和脉冲计数；同时控制与数据采集系统与多通道时间相关单光子计数系统的输出相连，存储到达1×N单光子探测器阵列的第一个单光子脉冲的延迟时间，并对带有标记的单光子脉冲的信息，包括编码信息、脉冲计数和延迟时间，进行反演和去噪，最终显示目标的高程图像和反射率图像。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明系统采用光子标记的方法，在原有的首光子成像系统基础上只需添加光子编码装置和光子解码装置，同时在1×N激光器阵列和1×N单光子探测阵列的辅助下，首光子成像系统所允许的重复频率的上限提升至现有技术的N倍，缩减了首光子成像时间，提高了成像的针对性和时效性，具有更高的时间分辨率；

(2)本发明系统涉及的光子编码系统采用开关电路控制1×N激光器阵列的各个激光器分时发出携带标记信息的脉冲，各激光器发射的脉冲通过合束，由完全重合的光路，经折转镜、二维扫描装置向目标发射，无需调整原扫描装置、望远镜光学系统的位置，避免编码过程中电光晶体的使用以及复杂的电路设计，增加系统的稳定性。

(3)本发明系统涉及的光子标记方法采用偏振或波长等信息编码，光子解码系统是一个无源分光系统，解码过程中无需光电探测，仅利用光学手段将携带不同编码信息的光子空间分离，不消耗用于成像的光子能量，无需增加发射端激光器的功耗。

附图说明

图1为本发明一种基于单光子标记的首光子激光成像系统示意图；

图2a-图2b分别为本发明光子编码系统在偏振、波长编码形式下的系统示意图；

图3a-图3b分别为本发明光子解码系统在偏振、波长编码形式下的系统示意图；

图4a-图4b分别为本发明系统在偏振编码形式下获得的S偏振、P偏振单光子脉冲的脉冲计数数据的仿真实验结果；图4c-图4d分别为本发明系统在偏振编码形式下获得的S偏振、P偏振单光子脉冲的延迟时间数据的仿真实验结果。

图5a-图5d分别为本发明系统在波长编码形式下获得的635nm、650nm、660nm、670nm单光子脉冲的脉冲计数的仿真实验结果；图5e-图5h分别为本发明系统在波长编码形式下获得的635nm、650nm、660nm、670nm单光子脉冲的延迟时间数据的仿真实验结果。

图6a、图6d分别为本发明系统的待测目标场景的反射率图像和高程图像；图6b、图6e分别为本发明系统将各探测器输出的单光子脉冲的脉冲计数图和延迟时间图；图6c、图6f分别为本发明系统采用高重频首光子成像算法反演和去噪后的反射率图像和高程图像。

具体实施方式

本发明提出一种基于光子标记的首光子激光成像系统，如图1所示包括光子编码系统1、1×N激光器阵列2、光路折转元件3、二维扫描装置4、望远镜光学系统5、光束聚焦元件6、光子解码系统7、1×N单光子探测器阵列8、多通道时间相关单光子计数系统9及控制与数据采集系统10，其中，光子编码系统1与1×N激光器阵列2组成发射携带标记信息的单光子脉冲光源；光子解码系统7置于光束聚焦元件6的焦面处，单光子探测器阵列8之前，通过将携带不同标记信息的单光子空间分离。控制与数据采集系统10开发成软件包在计算机上运行，发指令给光子编码系统1来控制1×N激光器阵列2按次序发射单光子脉冲，记录和处理到达1×N单光子探测器阵列8的单光子脉冲的信息，并对数据进行反演和去噪，显示目标的高程图像和反射率图像。

所述的光子编码系统1根据控制与数据采集系统10的控制指令，通过开关电路控制激光器阵列2中各激光器中的激光二极管的驱动电源，让激光器阵列2中N个激光器依次发射窄脉宽的带有标记的单光子脉冲；N个激光器发射的单光子脉冲通过合束，最后沿同一光路经折转镜3、二维扫描装置4向目标发射；目标反射回的回波光信号经望远镜光学系统5、光束聚焦元件6到达光子解码系统7，光子解码系统7将带有标记的单光子脉冲空间分离后，对应送至1×N单光子探测器阵列8进行探测；1×N单光子探测器阵列8将探测到的信号输出至多通道时间相关单光子计数系统9和控制与数据采集系统10，提取出带有标记的单光子脉冲的信息，之后控制与数据采集系统10使用高重频首光子成像算法对数据进行反演和去噪，最终显示目标的高程图像和反射率图像。

如图2所示，本发明有偏振编码、波长编码两种形式。如图2(a)所示，采用偏振编码，如S偏振和P偏振，即取N＝2的情况。定义1×N激光器阵列中各个激光器按相等的时间间隔依次发射一个单光子脉冲作为一个准周期T，则时间间隔的大小为T/N。在一个准周期T内，光子偏振编码系统1中的开关电路控制激光二极管的驱动电源，让激光器11在0时刻发出S偏振的单光子脉冲，激光器12在T/2时刻发出P偏振的单光子脉冲，S偏振的单光子脉冲经偏振分束器15反射、P偏振的单光子脉冲经偏振分束器15透射，S、P偏振的单光子脉冲最终沿相同的光路发射。其中，激光器11、12的偏振由加在激光器后的偏振片调制，激光器后加合适的衰减片，用来衰减激光器11、12的发射能量，并调整激光器11、12的发射脉冲的能量使发射脉冲的平均光子数相等。如图2(b)所示，采用波长编码，如四种不同的波长，即N＝4的情况。在一个准周期内，光子波长编码系统1中的开关电路控制激光二极管的驱动电源，让激光器11在0时刻发出波长为λ₁的单光子脉冲，激光器12在T/4时刻发出波长为λ₂的单光子脉冲，激光器13在T/2时刻发出波长为λ₃的单光子脉冲，激光器14在3T/4时刻发出波长为λ₄的单光子脉冲，λ₁、λ₂、λ₃波长的单光子脉冲分别对应经过折转镜16、17、18，分光镜19、20、21，与λ₄的光路合并，最后沿相同的光路发射。其中，四个波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄大小接近，且观测目标对这些波长的反射率近似相同。折转镜16、17、18分别对波长λ₁、λ₂、λ₃的光子全反射，薄膜分光镜19、20、21表面镀不同膜层，使薄膜分光镜19、20、21仅对λ₁、λ₂、λ₃的光子反射，对其他波长的光子透射。这里以四个波长的光子编码系统为例，但本发明不仅限于四个波长。

如图3所示，本发明有偏振解码、波长解码两种形式。如图3(a)所示，光子偏振解码系统中，偏振分束镜22放置在聚束系统的焦面处，回波信号中S偏振的光子被反射到单光子探测器81，P偏振的光子被反射到单光子探测器82，单光子探测器81、82的输出信号送至多通道时间相关单光子计数系统9，在第k个准周期，若响应的第一个光子是S偏振光子，脉冲计数记作2k-1，若响应的第一个光子是P偏振光子，脉冲计数记作2k，将脉冲计数送至控制与数据采集系统10，用高重频首光子成像算法进行数据反演和去噪，算法详见文献(Ahmed Kirmani,Dheera Venkatraman,Dongeek Shin,AndreaFranco N.C.Wong,Jeffrey H.Shapiro,Vivek K Goyal,First Photon Imaging,Science,Vol.343,Issue 6166,pp.58-61(2014))。如图3(b)所示，光子波长解码系统中，回波信号通过一个狭缝23和准直镜24变成平行光射向色散元件25，色散元件25将平行光分成各种单色光，成像镜26将空间上分散开的单色光收集并会聚在相应的单光子探测器81-84上，单光子探测器81-84的输出信号送至多通道时间相关单光子计数系统9，在单光子脉冲发射的第k个准周期，若单光子探测器81、82、83或84对单光子脉冲产生第一个响应，相应的脉冲计数记作4k-3、4k-2、4k-1或4k，之后脉冲计数被送至控制与数据采集系统10，用高重频首光子成像算法进行数据反演和去噪。其中，色散元件25为平面光栅，单光子探测器81-84通过在前方添加合适的衰减片，使四个单光子探测器对四个波长的探测效率的大小调制到一致。这里以四个波长为例分析，但本发明不仅限于四个波长。

下面结合实例对本发明一种基于单光子标记的首光子激光成像系统进行详细说明，待探测的目标场景是一个军用USAF靶标，具备600×600个像元，其反射率的取值范围为[0，1]，高程信息的取值范围为[2.5m,3.5m]。激光成像系统的各个激光器的脉冲重复频率为10MHz。激光器阵列对目标场景采用逐个像元扫描的方式成像，对每个像元发射的单光子脉冲的总数不超过1000个。采用单光子标记方案后，控制与数据采集系统10获取的脉冲计数的取值范围为[0，1000/N]。记录延迟时间时，多通道时间相关单光子计数系统9在一个重频周期内的延迟时间探测窗口为[10/3ns，70/3ns]，时间分辨率为20/3ps，则延迟时间探测窗口对应的时间间隔数为[0，3000]。由于本实例中待探测目标的高程值为[2.5m，3.5m]，所测的延迟时间对应的时间间隔数的取值范围为[2000，3000]。

如图4所示为本发明系统应用光子偏振来标记单光子脉冲时，所获得的S偏振和P偏振单光子脉冲的脉冲计数和延迟时间的原始数据。偏振编码方案和解码方案分别如图2(a)和图3(a)所示。通过数值模拟仿真实验，基于偏振标记的方案的成像时间为5.7965s，比没有采用单光子标记的方案的成像时间11.5849s，成像时间缩短了50％。

如图5所示为本发明系统应用波长编码和波长解码时，获得的四种波长单光子脉冲的脉冲计数和延迟时间的原始数据。其中，采取波长标记的单光子脉冲有635nm、650nm、660nm、670nm四种，波长编码方案和解码方案分别如图2(b)和图3(b)所示。根据数值模拟仿真实验，基于波长标记的方案总的成像时间为2.9024s，比没有光子标记的方案的成像时间11.5849s，成像时间缩短了75％。

如图6(a)所示为本发明系统的待测目标场景的反射率图，其中目标场景的反射率在[0,1]之间。如图6(b)所示为本发明系统将各探测器输出的单光子脉冲的脉冲计数数据整合至一起后的脉冲计数图。如图6(c)所示为本发明系统采用高重频首光子成像算法反演和去噪后的反射率像。如图6(d)所示为本发明系统的待测目标场景的高程图，其中，目标场景的高程信息在[2.5m,3.5m]。如图6(e)所示为本发明系统将各探测器输出的单光子脉冲的延迟时间数据整合至一起后的延迟时间图，如图6(f)所示为本发明系统采用高重频首光子成像算法反演和去噪后的高程像。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。