远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法与流程

本发明属于单光子探测成像领域，是一种远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法。技术背景随着科技的进步和发展，各种无人驾驶、辅助驾驶系统的应用愈加广泛，智能机器人的各项功能日益完善，逐渐代替人类在恶劣复杂环境下完成各项人们无法完成的任务。无人机、无人车和智能移动机器人对周围环境，如周边路况、物体方位的准确感知是其广泛应用的基础，也是其正常运行并且顺利执行任务的前提，所以如何提高无人机、无人车和智能移动机器人对周围复杂环境的感知能力便成为了一个共同关注的问题。激光雷达是应用激光进行光电探测的主要领域。激光测距与传统的测距方法如光学测距、雷达测距、超声波测距等技术相比具有抗电磁干扰、工作时间长、受环境影响小、结构简单、体积小等优势。在激光测距的基础上形成了以激光作为信息载波的目标距离、强度、角度、速度等多信息的探测系统，即激光雷达三维成像系统。激光测距和激光雷达是激光技术、半导体技术、雷达技术、光机电等多学科技术相集合的成果。光子计数激光雷达结合了光子计数技术与激光雷达技术，使用gm-apd作为单光子探测器，实现了远距离、高精度的三维探测。gm-apd具有极高的灵敏度，单独一个光子就能引起雪崩效应获得响应输出，能够实现对微弱信号进行探测。光子计数激光雷达具有集成化、可靠性高等特点，同时具有单光子级别的灵敏度和皮秒量级的时间分辨率。随着激光雷达技术和单光子计数技术的发展，光子计数激光雷达对于微弱信号的探测能力将会进一步地提高，光子计数激光雷达许多潜在的应用领域还等待着被开发和利用。国内外的许多研究机构和学者对光子计数激光雷达进行了大量的研究。从光子计数激光雷达的理论基础、激光雷达系统结构和数据分析与处理各个方面对光子计数激光雷达进行了全面的分析和研究。国内目前对光子计数激光雷达三维成像系统的研究集中在近距离低速扫描成像阶段。2009年，光电技术系基于盖革模式的雪崩光电二极管设计搭建了光子计数探测与成像系统，成功应用于微弱光的探测[屈惠明,陈钱.光子计数探测与成像实验装置设计[j].光电工程,2009,36(11).]。2013年，有人开展了基于gm-apd的光子外差探测系统精度的研究[luoh,yuanxh,zengy.rangeaccuracyofphotonheterodynedetectionwithlaserpulsebasedongeiger-modeapd[j].opticsexpress,2013,21(16):18983.]。经过理论分析和实验验证，通过改善回波信号强度、脉冲宽度、频差可以提高测距精度。但上述两套成像系统的成像距离都在百米以下。2014年，有人使用超导纳米线探测器(snspd)取代基于盖革模式雪崩光电二极管的传统单光子探测器[郏涛.红外超导纳米线单光子探测器[d].2014.]，探测灵敏度有了较大提高，但snspd在使用之前需要经历长时间的降温过程，体积、噪声巨大，移动不便，几乎没有便携使用的能力。也有人利用扫描振镜完成的单光子扫描成像系统采用物方扫描方式[唐甜甜.激光3d视觉系统高效扫描光学系统的设计与实现[d].哈尔滨工业大学；曲杨.高精度低成本激光振镜扫描3d视觉系统关键技术研究[d].]，且光学扫描期间为二维检流计式振镜，成像距离最大为100米，扫描速度较慢。国外对光子计数激光雷达的研究起步较早，1998年j.s.massa、g.s.buller等人首次研制出基于光子计数技术(时间相关单光子计数技术)的激光测距仪器[massajs,bullergs,walkerac,etal.time-of-flightopticalrangingsystembasedontime-correlatedsingle-photoncounting[j].appliedoptics,1998,37(31):7298-304.]，使用10ps脉冲宽度的脉冲激光光源、单光子雪崩光电二极管以及光子计数时间电路，实验室内探测精度最高可达30um。2002年，a.m.wallace、g.s.buller等人在单点光子计数激光测距的基础上，研制出了基于时间相关单光子计数技术的三维成像系统[massajs,walkerac,smithgp,etal.opticaldesignandevaluationofathree-dimensionalimagingandrangingsystembasedontime-correlatedsingle-photoncounting[j].appliedoptics,2002,41(6):1063-70.]。该系统使用对人眼安全的激光光源，并且可以对多种材质目标进行探测，在25m之内，重复精度小于30um，空间分辨率达到60um。2011年，hongjinkong、taehoonkim等人提出了一种通过使用两个单光子探测器同时对光子计数激光测距系统回波信号进行探测[konghj,kimth,jose,etal.smartthree-dimensionalimagingladarusingtwogeiger-modeavalanchephotodiodes[j].opticsexpress,2011,19(20):19323-19329.]，并通过比较分析得到最终距离信息的方式，有效提高了探测的精度，降低了光子计数激光测距系统的探测误差，但是双探测器结构使可用光源能量减半，测距距离降低。2014年，ahmedkirmani，dongeekshin等人在低光子计数率的条件下，结合像素点之间的空间相关性，通过计算成像的方法只使用第一个探测到的光子信息就能快速获取目标场景的深度图像和强度图像[kirmania,venkatramand,shind,etal.first-photonimaging.[j].science,2014,343(6166):58-61.]。同年，该小组进一步改进这种计算成像方法，通过每个像素点固定发射相同的激光脉冲，使其能成功应用于单光子探测器阵列。同样该探测系统的成像距离在10m以内，且振镜扫描使成像速度被限制。2016年，anus等人采用楔形镜扫描方式以提高扫描速度[anus,haot,terenceb,etal.rapid,high-resolutionforeststructureandterrainmappingoverlargeareasusingsinglephotonlidar:[j].scirep,2016,6:28277.]，但楔形镜存在装调困难，成本高的缺点，阻碍系统应用范围的拓宽。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法，能够实现对三公里以上目标的高分辨率扫描成像。实现本发明的技术解决方案为：一种远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法，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。本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)成像距离远。本发明使用高灵敏度低温单光子探测器配合高分辨率时间相关光子计数系统能实现对远距离目标的探测，单点测距范围在15公里以上，成像距离在3公里以上。(2)扫描速度快。本发明旨在远距离扫描成像，对视场要求较低，在一定程度上降低了对扫描角度的要求，故利用快反镜能高精度、高速扫描的特点，实现对远距离目标的快速扫描成像，快反镜扫描范围±1.5°，扫描速度为7.5°/s，扫描一个256×256的目标仅需不到2分钟，成像速度大大提高。(3)快速成像。传统光子计数激光雷达通过构建每个点的光子计数分布直方图以获取目标深度估计值，本发明通过对激光雷达光子数据的预处理能实现对扫描目标的快速成像。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。附图说明图1是本发明的系统组成框图。图2是本发明的控制单元示意图。图3是本发明的时间相关光子计数原理图。图4是本发明的分光单元结构示意图。图5是本发明的分光单元光强损失示意图。图6是本发明的光学扩束结构示意图。图7是本发明的双轴快反镜精度检测原理。图8是本发明的收发合置系统发射视场和接收视场关系。具体实施方式结合图1，本发明远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法包含控制单元、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，所述控制单元由依次相连的上位机、fpga控制器和时间相关光子计数器(tcspc)组成。光学发射单元与光学接收单元是激光脉冲发射与接收的核心部件。光学发射单元包含激光器、准直器和光电探测器，其作用在于发射、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。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，其作用在于接收由分光单元反射回来的回波脉冲，同时单光子探测器为控制单元提供截止信号。分光单元由分光镜组成，光学扩束结构由一组正负透镜组成，光学扫描单元由快反镜组成。本发明远距离光子计数三维激光雷达成像系统的成像方法为：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，并将信号输入时间相关光子计数器(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(depthimagingdenoisingofphoton-countinglidar)重构目标深度图像，即首先根据光子计数三维激光雷达成像系统的成像特点，利用光子飞行时间相关性和目标空间相关性，将信号光子从噪声光子中提取出来，之后根据远距离光子计数三维激光雷达成像系统的泊松分布模型重构目标深度图像。图2为控制单元示意图。控制单元由上位机、fpga控制器和tcspc组成，是数据处理与系统控制的核心部件，其作用在于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。上位机与fpga控制器通信，根据激光器、快反镜、tcspc提供的函数接口编写上位机软件，用来和fpga控制器进行数据交换，读取tcspc接收到的同步信号和截止信号，并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。fpga控制器调整激光器的泵浦电压、脉冲频率以及控制激光器的开关，做到随时调整激光器的状态。fpga控制器能控制快反镜的启停，针对系统在不同环境下需要不同的扫描速度或扫描角度等特殊要求，能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控制器能读取tcspc记录的数据，tcspc是用来记录探测过程中激光脉冲的飞行时间的电学设备，早期的时间统计模块采用时间模拟转换器(tac)，后来逐步使用兼具时间模拟转换(tac)和模拟数字转换(adc)功能的时间数字转换器(tdc),现在已经出现了专门针对时间相关光子技术的模块化仪器。tcspc是在光子计数基础上发展起来的，可以对单光子信号进行探测，具有高灵敏度，并且可以记录下光子的时间信息，具有4ps时间分辨率，能将距离分辨率控制在毫米量级。该技术的原理图如图3所示。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。光学发射单元与光学接收单元是激光脉冲发射与接收的核心部件。其中光学发射单元包含激光器、准直器和光电探测器，可以选用1550nm波段半导体脉冲光纤激光器、1550nm光纤准直镜与1550nm的光电探测器，是系统激光脉冲发射的核心部件。1550nm波段激光满足隐蔽、处于大气窗口、符合人眼安全标准等要求，能作为激光雷达光源使用。在实际使用中，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。光学发射单元核心参数如表1。表1光学发射单元核心参数参数数值波段1550nm脉宽7ns重频20khz聚焦镜na0.14焦距18.75mm光学接收单元由单光子探测器、聚焦透镜、滤波器和反射镜组成，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，是系统激光脉冲接收的核心部件。环境背景光是本发明光子计数三维激光雷达成像系统噪声的主要来源，表现为波长范围在350～750nm的外界自然光。光子计数三维激光雷达成像系统使用的主动光源为工作波长在1550nm的脉冲激光器。由于背景光也会进入光学接收单元，引起探测器的响应，可以通过降低背景光干扰的方法来提高系统的整体性能。选取中心波长在1550nm的窄带滤波器，在光学接收单元的前端滤除非中心波长的背景光，选用1550nm大光束准直镜将回波光束耦合入光纤中作为单光子探测器的输入。单光子探测器的核心是雪崩光电二极管，雪崩光电二极管是利用光电效应和雪崩效应来进行光电探测的半导体器件。雪崩光电二极管可用于微光下的探测(光学功率小于1pw)，也可以使其工作在盖革模式用于单光子探测。工作在盖革模式的雪崩光电二极管(gm-apd)两端的工作电压大于其雪崩电压，单个光子入射可以触发大约108个载流子的输出。在盖革工作模式下雪崩光电二极管可用于光子计数的探测器，记录精确的光子到达时间。gm-apd具有响应单光子级别能量的能力，因此又被称为单光子雪崩光电二极管(sapd)。滤波器和聚焦透镜之间采用光学耦合，但滤波器和单光子探测器之间采用光纤连接，这种结构设计在提高光学接收效率的同时能有效降低背景光的干扰，提高探测效率。光学接收单元核心参数如表2。表2光学接收单元核心参数参数数值精细度10003db带宽15ghz(120pm)±20％插入损耗＜3db偏振相关损耗＜0.2db输入光功率＜30mw聚焦镜na0.24焦距37.13mm量子效率25％暗计数率＜100hz死时间1-100μs时间分辨率4ps分光单元是将发射光路与回波光路分开的核心部件，采用中心掏孔的分光镜设计，如图4所示，这种结构主要基于光学反射器件的外形加工实现，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接收单元的收发合置，降低系统整体体积的同时不影响系统效率，称这种结构的收发合置系统为反镜结构。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。这种结构理论上实现了收发合置系统的全覆盖式接收光场，但从回波光斑形状看出，系统回波光场中有一部分因为平面反射镜中心存在激光通孔而损耗，由于激光通孔的大小直接决定激光光斑的大小，进而决定了激光发射的功率，所以激光通孔不能太小。同时，太大的激光通孔虽然保证了激光发射功率的充足，但却也让大部分回波光再经过反射镜时损耗于激光通孔之中，可以通过控制中心掏孔直径达到最大光学效率，中心掏孔直径为5-10mm。光学发射单元信号由中心的掏孔入射，光学接收单元的回波信号由反射面反射得到。此种结构的分光单元实现了光路的收发合置，缩小系统结构的同时保证了系统的光学效率。假设激光回波在平面反射镜处的半径为r，平面反射镜的中心激光通孔半径为r，回波光在经过平面反射镜后，会有一部分光通过中心孔径损耗，如图5。从图中可以看出，回波光被中心孔径损耗的比例η为光斑总面积s和孔径面积s之比，即：已知高斯光束通过孔后的剩余能量为其中a为开孔直径，w为光斑原始直径，假设反射光从场景出来时光斑直径为d，则最终被反射镜反射的激光比例为：当式(2)取最大值时，光学接收单元能接收最大的回波信号，根据光学扩束结构特点，选取上述合适的中心孔径可使出射光和反射光的利用率均到达最大。光学扩束结构是对光路进行整形的核心部件。由光学发射单元发射的出射脉冲进一步压缩发散角才能被扫描单元接收，回波脉冲则经光学扩束结构汇聚才能被光学接收单元探测到。光学扩束结构是一组正负透镜的组合，结构简单易于设计实现，同时空间体积小有利于压缩系统体积，如图6所示。该光学扩束结构通过短焦距的透镜先达到会聚光束的目的，在得到了较小的腰斑半径后，通过长焦距的透镜实现对光束方向性的优化，这样不断压缩了高斯光束的束散角，实现对高斯光束的准直，同时也达到了扩大腰斑尺寸，实现对高斯光束扩束的目的。同时正负透镜的组合的设计，所占空间体积小，价格经济合理，可实现小倍率的扩束，因两个透镜有共同的实焦点，所以可以在共同交点处放置小孔或空间滤波片，实现空间滤波的作用。光学扫描单元是控制光路，实现对目标扫描的核心部件。光学扫描单元由一个快反镜构成。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。电机通过对x\y轴的快速摆振控制反射镜面位置，以此实现光路调整。同时电机可以补偿振动对光路的影响，采用精密音圈电机作为驱动，输出力大、响应快、控制精度高；采用反射镜及支撑结构一体化设计技术，降低了质量/惯量、减小了体积，具有优异的动态特性；采用了转轴构型优化技术，使快反镜具有良好的控制精度和闭环带宽。对双轴快反镜精度检测原理如图7所示。自准直平行光管通过固定反射镜观察待检快反镜。系统光路布局完成后，调节4个螺钉，使快反镜在两个自由度方向与自准直平行光管的测量方向重合。使用适当型号的自准直平行光管(如trioptics的ta500-57,分辨率0.02角秒，重复性0.04角秒，精度0.4角秒)可以检测快反镜的角度精度。为扩大视场，可以在一次视场检测完成后，使快反镜闭环于固定位置，调节自准直平行光管的调节螺钉，将自准直平行光管的视场转移到下一个快反镜视场区，然后再将两个方向对准，再测量。如此一步一步分视场测量，从而完成最后的全视场精度测量，光学扫描单元核心参数如表3。表3光学扫描单元核心参数参数数值行程±26mrad(±1.5°)角分辨率2μrad精度7μrad运行速度0.13rad/s(7.5°/s)响应时间＜10ms本发明远距离光子计数三维激光雷达成像系统采用区别于传统激光雷达的像方扫描方式，将光学扫描单元置于光学扩束结构后方。像方扫描能够在不影响扫描速度的同时，降低对扫描器口径的要求，降低系统成本。所述系统目的为远距离扫描成像，所需扫描角度较小，故系统自身能克服像方扫描所形成的像面为曲面的缺点，且光学扫描单元后置能极大方便系统后期拓展。光学发射与接收单元采用收发合置方式。合置接收是指接收系统和发射系统为一体，由于光路为收发合置，因此探测器接收视场和激光发射视场重合分置接收则表示接收系统和发射系统分开。图7为收发合置系统发射视场和接收视场关系。收发合置系统的白色区域发射视场和黑色区域接收视场几乎完全重合，理论上实现了在扫描过程中凝视视场接收，这一点是要优于收发分置系统的，图8为两者视场情况对比图。可以看到收发分置系统对探测器光敏面面积的需求要比收发合置系统大很多，一般情况下，收发合置系统可以选择几百甚至几十μm的小面元光电探测器，而收发分置系统想要获取相应的光电探测效果，所需要的探测器面源则需要达到mm量级，这样一来，收发合置系统具有小面元光电接收提高响应速度、小面元光电接收降低背景光引入的优势。当前第1页12