一种多波束光子计数激光成像方法与流程

本发明涉及激光成像技术领域，具体涉及一种多波束光子计数激光成像方法。

背景技术：

激光成像技术具有横向分辨率高、测距误差小、成像速度快、体积重量小等优点，目前基于飞行时间的激光成像是一项较为成熟的技术，在各方面有着广泛的应用，多波束光子计数激光成像是其中一个重要的分支。然而多波束光子计数激光成像系统通常采用单光子探测器阵列作为信号探测端，需要用到多个单光子探测器，其技术难度高，价格昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供了一种多波束光子计数激光成像方法，通过采用相位互相随机、重复频率不相等的多波束激光脉冲作为扫描激光，使用一个单像素单光子探测器作为探测端同时探测多波束的回波信号，通过时间相关单光子符合计数模块测量对应光子的飞行时间，从而计算得到成像目标距离的点云数据，实现激光三维成像。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种多波束光子计数激光成像方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：激光发射装置产生多波束激光脉冲，并通过光束扫描装置对成像目标进行扫描，同时将所述多波束激光脉冲的同步信号传输至时间相关单光子符合计数模块，单像素单光子探测器对所述成像目标的回波信号进行探测并将计数信号传输至所述时间相关单光子符合计数模块，所述时间相关单光子符合计数模块分析得到所述多波束激光脉冲的飞行时间以此求取所述成像目标上的各扫描位置的距离，从而构建所述成像目标的三维图像。

所述回波信号先经由接收光学装置接收再利用所述单像素单光子探测器进行探测。

所述多波束激光脉冲中的各个波束激光脉冲的相位互相随机且重复频率互不相等。

所述时间相关单光子符合计数模块包括与所述多波束激光脉冲波束数量相同的时间间隔测量单元。

求取所述成像目标上的各所述扫描位置的距离的具体方法为：每个所述时间间隔测量单元对所述计数信号与一路所述同步信号进行时间相关单光子符合计数，记录所述计数信号与所述同步信号之间的时间间隔，通过多个周期的计数积累得到所述计数信号中与所述同步信号频率一致的计数脉冲的计数峰，而与所述同步信号频率不一致的所述计数信号的计数脉冲将呈随机分布，无法得到计数峰，从而计算出各所述扫描位置的距离，计算公式为：，其中，为所述扫描位置与对应光子出射位置之间的距离，c为所述对应光子在空气中的传播速度，为所述计数信号的所述计数信号的计数峰与所述同步信号的时间间隔，n为各个波束的序号。

所述时间相关单光子符合计数模块与一计算机连接，所述计算机接收所述时间相关单光子符合计数模块传入的所述时间间隔数据，然后根据所述计算公式计算各所述扫描位置的距离并将其以点云数据形式进行存储，从而构建所述成像目标的三维图像。

所述光束扫描装置为振镜、转镜或电控旋转台中的一种，所述光束扫描装置由所述计算机连接控制。

所述激光发射装置包括脉冲激光光源和准直器。所述激光发射装置包括脉冲激光光源和准直器。

本发明的优点是：通过采用相位互相随机、重复频率不相等的多波束激光脉冲作为扫描激光，使得探测端仅用一个单像素单光子探测器便可实现多波束复用探测，在保证成像精度的同时简化了探测结构，降低了设备成本。

附图说明

图1为本发明中多波束光子计数激光成像原理示意图；

图2为本发明中多波束光子计数激光成像装置结构示意图；

图3为本发明中时间相关符合计数原理示意图；

图4为本发明中时间相关符合计数模块中的一路符合计数分布图；

图5为本发明中使用多波束光子计数激光成像方法获得的结果图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5，图中标记1-8分别为：16路激光二极管驱动电源1、850nm光纤耦合vcsel激光二极管阵列2、凹面反射镜3、遮光筒4、滤光片5、单像素si-apd单光子探测器6、16通道fpga时间相关单光子符合计数模块7、计算机8。

实施例：如图1-5所示，本实施例具体涉及一种多波束光子计数激光成像方法，该方法通过激光发射装置产生相位互相随机、重复频率不相等的多波束激光脉冲作为扫描激光，使用一个单像素单光子探测器作为探测端同时探测多波束的回波信号，通过时间相关单光子符合计数模块测量对应光子的飞行时间，从而计算得到成像目标距离的点云数据，实现激光三维成像。

如图1、2所示，本实施例中的多波束光子计数激光成像方法包括以下步骤：

（1）使激光发射装置发出多波束激光脉冲，激光发射装置包括脉冲激光光源和准直器，其中脉冲激光光源产生多波束激光脉冲，多波束激光脉冲中的各个波束激光脉冲的相位互相随机、且重复频率互不相等，而准直器则对脉冲激光光源出射的多波束激光脉冲进行准直处理，得到用于扫描的多波束激光脉冲，同时，激光发射装置将各路波束的激光脉冲同步信号传输至时间相关单光子符合计数模块中，时间相关单光子符合计数模块具有与激光发射装置发出的激光脉冲波束数量相同的时间间隔测量单元，一路波束的激光脉冲同步信号对应时间相关单光子符合计数模块中的一个时间间隔测量单元，并作为其start/stop信号；

（2）激光发射装置发出的多波束激光脉冲出射到成像目标表面，经成像目标反射后由接收光学装置对回波信号进行接收，并在探测端使用一个单像素单光子探测器同时探测各路波束的回波信号，然后将计数信号传输至时间相关单光子符合计数模块中，作为stop/start信号，其中，接收光学装置一般情况下使用透镜；

（3）时间相关单光子符合计数模块将采集到的各路波束的同步信号与计数信号进行分析，每一个时间间隔测量单元测量出每一路同步信号与计数信号之间的时间间隔，再通过对多个计数信号周期的时间间隔数据进行时间相关单光子符合计数分析，得到计数信号的计数峰，从而计算出各波束光子的飞行时间，再根据计算公式：计算出成像目标上各个扫描位置的距离，其中，为扫描位置与对应光子出射位置之间的距离，c为对应光子在空气中的传播速度，为计数信号的计数峰与同步信号的时间间隔，n为各个波束的序号；

（4）利用光束扫描装置控制激光发射装置运动，使其对成像目标进行移动扫描，按步骤（1）至（3）不断获取各扫描位置的距离数据信息，时间相关单光子符合计数模块再将得到的距离数据信息传输至一计算机，由计算机以点云数据形式进行存储并最终获得成像目标的激光三维成像图。

如图3-5所示，本实施例具体以16路波束激光脉冲作为扫描激光对本发明作进一步说明：

（1）采用由16个相互独立的1mhz晶振同步的激光二极管驱动电源组成的16路激光二极管驱动电源1和16个850nm光纤耦合vcsel激光二极管排成一列组成的850nm光纤耦合vcsel激光二极管阵列2作为激光发射装置的脉冲激光光源，并采用凹面反射镜3作为准直器，将850nm光纤耦合vcsel激光二极管阵列2置于凹面反射镜3的焦点处，使16路激光二极管驱动电源1驱动850nm光纤耦合vcsel激光二极管阵列2发出16路波束激光脉冲，同时将16个相互独立的1mhz晶振输出作为同步信号传输至16通道fpga时间相关单光子符合计数模块7的16个start端，16路波束激光脉冲经准直后得到发散角为1mrad的光束，16个光束均匀分布在±4°的角度范围内，相邻光束的夹角约为0.53°，选用电控旋转台作为光束扫描装置，将850nm光纤耦合vcsel激光二极管阵列2和凹面反射镜3置于电控旋转台上，通过控制电控旋转台转动，实现对成像目标的多光束扫描；

（2）16路波束激光脉冲照射到成像目标表面，经成像目标反射后形成回波信号，利用一个单像素si-apd单光子探测器6在探测端对回波信号进行探测，同时将计数信号传输至16通道fpga时间相关单光子符合计数模块7作为stop信号，单像素si-apd单光子探测器6前使用中心波长为850nm、半高宽10nm的滤波片5对回波信号进行过滤，滤波片5前还设置有一个遮光筒4，使得探测端的视场角与16个光束覆盖角度一致，由于单像素si-apd单光子探测器6具有一定的探测弱光的能力，故本实施例中不使用接收光学装置对回波信号进行进一步接收，虽然相较于使用接收光学装置时有所减弱，但可以使单像素si-apd单光子探测器6获得更大的视场角，而且进一步简化了成像装置探测端的结构；

（3）16通道fpga时间相关单光子符合计数模块7对采集到的16路同步信号以及计数信号进行时间相关符合计数分析，具体的，16路通道中的每路通道用一路同步信号与计数信号之间的时间间隔，由于对应波束的计数信号与其同步信号相关，通过多个周期的技术累计将出现计数峰，而其他波束与该同步信号频率不同且相对相位随机，故其时间间隔分布呈现与背景噪声相同的随机分布特性，取计数信号的计数峰与同步信号的时间间隔为对应光子的飞行时间。

（4）16通道fpga时间相关单光子符合计数模块7将获取的对应光子的飞行时间信息传输至计算机8，计算机8根据计算公式：计算出成像目标上各个扫描位置的距离，其中，为各扫描位置与对应光子出射位置之间的距离，c为对应光子在空气中的传播速度，为计数信号的计数峰与同步信号的时间间隔，n为各个波束的序号；并以点云数据形式进行存储并最终获得成像目标的激光三维成像图，成像效果图如图5所示。

本实施例的有益效果是：通过采用相位互相随机、重复频率不相等的多波束激光脉冲作为扫描激光，使得探测端仅用一个单像素单光子探测器便可实现多波束复用探测，在保证成像精度的同时简化了探测结构，降低了设备成本。