本发明属于航天光学遥感领域，涉及一种高分辨率混合固态成像激光雷达，可用于测量目标物体的三维形貌。
背景技术：
激光雷达为航天光学遥感、民用测绘、自动驾驶等领域进行高精度三维成像的有效装置。目前的常用激光雷达主要包含机械式扫描激光雷达、mems扫描激光雷达、面阵成像激光雷达、tof相机等几类。随着技术进步，对激光雷达的需求逐渐向高分辨率、高成像帧率、高测量精度、远作用距离发展。
各种体制的激光雷达均具有不同的优缺点：
机械式扫描激光雷达采用振镜电机或旋转电机进行扫描，由于电机的扫描速度较慢，若要达到高分辨率，则成像帧率必然较低。在大多数应用场合，测量平台是运动的，将导致三维点云发生扭曲、变形。
mems扫描激光雷达采用mems摆镜进行扫描，虽然其扫描速度很快，但由于mems摆镜采用微光机电技术，其驱动负载能力较弱，mems扫描镜的镜面尺寸受到限制，因此出射激光光束的发散角较大，这导致mems扫描激光雷达三维点云的横向分辨率较低，目前商用mems扫描雷达的分辨率均不高于0.1°。
面阵成像激光雷达采用雪崩光电二极管阵列进行闪光成像，其成像帧率很高，但受工艺水平限制，面阵探测器的阵列规模较小，国内面阵探测器最大不超过64×64，直接进行成像分辨率远远不足。有文献采用传统的二个正交扫描振镜扩展视场，其缺点在于：首先，本身扫描速度太慢；其次，单光子探测需要在同一空间位置进行多次统计测量，决定了这种结构也无法兼顾横向分辨率和成像帧率。此外，目前使用的单光子面阵探测器像元尺寸均较大，将导致激光雷达的瞬时接收视场较大；有些系统还在单光子面阵探测器前端附加了微透镜阵列，进一步扩大了瞬时接收视场，这种设计在光照较强烈时，会在单光子面阵探测器上形成很多背景噪声光子，从而无法对目标进行有效探测。
tof相机采用强度探测的面阵探测器，其阵列规模较大，一次成像即可实现高分辨率目标三维形貌获取。但是其有两个缺点：首先，阵列规模太大，每个像元获得的回光能量较小，受限于光源照明功率，无法在远距离时工作；其次，测量体制决定了测距精度随作用距离变远而急剧恶化。
综上所述，同时具有高分辨率、高成像帧率、高测量精度、远作用距离的激光雷达已经成为商用领域、航天领域的迫切需要。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高分辨率混合固态成像激光雷达，可在高成像帧率、高测量精度、远作用距离的前提要求下显著提高三维成像的分辨率。
本发明的技术方案是：一种高分辨率混合固态成像激光雷达，包括脉冲光纤激光器、准直器、衍射光栅、45°反射镜、快反镜、接收光学系统、单光子面阵探测器、单光子面阵探测器驱动电路、存储器、fpga、快反镜驱动电路；
其中脉冲光纤激光器、准直器、衍射光栅组成光源，快反镜、快反镜驱动电路组成收发同步扫描系统，45°反射镜、接收光学系统组成同轴收发光路，单光子面阵探测器、单光子面阵探测器驱动电路组成探测组件，存储器、fpga组成数据处理单元；
脉冲光纤激光器发出的脉冲激光经过准直器后形成准直光束，准直光束经过衍射光栅形成激光点阵；激光点阵通过45°反射镜将光路折转90°并射向快反镜，折转后的光轴与接收光学系统的光轴平行；通过快反镜的二维转动，使激光点阵能够在正交的两个方向上扫描；经过目标的散射光通过快反镜反射后，进入接收光学系统，接收光学系统将目标回波光收集，成像至接收光学系统后端的单光子面阵探测器上；在单光子面阵探测器驱动电路的驱动下，单光子面阵探测器进行曝光测量，单光子面阵探测器每进行一次曝光，均获得全部像素的时间测量值；多次曝光的测量结果按照帧序号以及像素编号存储于系统的存储器中；快反镜在快反镜驱动电路的驱动下，以多次步进方式或一轴阶跃、另一轴周期三角波方式进行二维扫描；当快反镜以步进方式扫描时，在停留位置，fpga对存储于激光雷达存储器中的数据按同一像素编号进行直方图统计处理，获得所有像素对应空间位置的距离信息，然后通过多个停留位置的拼接，获得数倍于接收系统瞬时视场角的三维点云；当快反镜以一轴阶跃、另一轴周期三角波方式扫描时，fpga利用不同像素在同一空间位置的直方图统计方法获得探测器像面上非感光区域的内插扫描距离测量值，与快反镜的实时运转角度相结合，获得数倍于单光子面阵探测器分辨率的三维点云。
通过所述衍射光栅形成的激光点阵相邻激光点之间的角度间隔均是相等的，且脉冲激光光束的发散角远小于激光点阵相邻点的角度间隔。
所述单光子面阵探测器相邻像素之间的中心距离是相等的，且像素间距远大于像素直径，探测器像面上的光敏区域面积远小于非感光区域面积。
所述单光子面阵探测器每个像元对应的瞬时接收视场角与所述衍射光栅形成的激光点阵中单个激光点的发散角一致。
所述单光子面阵探测器的时间分辨率优于100ps。
所述接收光学系统前端设置窄带滤光片，中心波长与所述脉冲光纤激光器发出的脉冲激光波长一致。
所述快反镜在两个正交方向上交替进行步进扫描，在x方向步进4次，然后转向y方向步进1次，然后在x方向沿反方向步进4次，然后转向y方向步进一次，如此往复，快反镜的停留位置形成一个5×5的网格；所述y方向与接收光学系统的光轴方向平行，所述x方向与衍射光栅的中心轴向平行。
所述快反镜在y轴以步进方式运动，分为小角度阶跃阶段和大角度阶跃阶段，一次成像包含4次大阶跃，第一次大阶跃之前、两次大阶跃之间、最后一次大阶跃之后均有7次小阶跃；在x方向以周期性三角波方式进行往复扫描，相邻扫描点的时间间隔为所述脉冲光纤激光器发出的激光脉冲重复周期。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明的激光雷达采用单光子面阵探测器结合快反镜扫描的混合固态成像装置，并利用不同像素在同一空间位置的直方图统计方法实现探测器像面上非感光区域的内插扫描测量，相比传统机械式、mems扫描式激光雷达，纵向分辨率由128提高至1120；
(2)本发明的激光雷达采用具有高灵敏度的单光子面阵探测器，并采用衍射光栅提高激光能量利用率，相比传统机械式、mems扫描式激光雷达，作用距离从300m提高至600m；
(3)本发明的激光雷达采用低填充因子的单光子面阵探测器像素结构，并采用具有窄带滤光片的接收光学系统，能够有效抑制背景光，相比只能在低阳光照度下工作的传统闪光式成像激光雷达，具有全天时工作的优势；
(4)本发明的激光雷达采用单光子面阵探测器进行激光回波脉冲的直方图统计，相比单次激光脉冲飞行时间测量的传统机械式、mems扫描式激光雷达，测距精度从cm级提高至mm级。
附图说明
图1为本发明装置的结构图。
图2为本发明快反镜的光路折转图。
图3为本发明单光子面阵探测器的像素分布与尺寸图。
图4为本发明实施例二的整体扫描轨迹图，图中显示了两个时刻的激光点阵运动位置。
图5为本发明实施例二的7次小阶跃扫描轨迹，为图4的局部放大图。
图6为本发明实施例二的像面内插扫描测量示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
实施例一
一种高分辨率混合固态成像激光雷达，如图1所示，脉冲光纤激光器1发出中心波长为532nm、重复频率为50khz、脉冲宽度为1ns、最大峰值功率为10kw的脉冲激光，经过准直器2形成出射光斑直径为15mm、发散角为0.1mrad的脉冲激光光束。
脉冲激光光束经过衍射光栅3形成32×32的激光点阵，相邻激光点之间的角度间隔δθ均是相等的，本实施例中，该角度间隔为0.041°，整个激光点阵的覆盖角度范围为1.312°×1.312°。脉冲激光光束的发散角为0.1mrad，即0.0057°，远小于激光点阵相邻点的角度间隔δθ。
激光点阵从+x轴中心方向入射至接收光学系统6前端的45°反射镜4上，光束中心方向折转为-y轴，然后入射至快反镜5上。快反镜的法线方向位于yoz平面内，法线方向与+y轴、+z轴的夹角均为45°，经过快反镜反射后，激光光束从+z方向射向目标12，如图2所示。快反镜5实现两个正交方向的扫描，通过快反镜转动，激光点阵可以在x轴、y轴两个方向上扫描。
经过目标12的散射光通过快反镜5反射后，进入接收光学系统6，接收光学系统将目标回波光收集，成像至其后端的单光子面阵探测器7上。单光子面阵探测器7的像素个数为32×32，相邻像素之间的中心距离是相等的，在本实施例中，两个方向的像素间距均为50μm。单光子面阵探测器7的像素可以为圆形，也可以为方形，在本实施例中，像素为圆形的，直径为7μm，探测器的填充因子为1.54％，如图3所示。探测器整个像面的总尺寸为1.6mm×1.6mm，与物方激光点阵的覆盖角度范围1.312°×1.312°是对应的，通过接收光学系统的焦距f联系起来，其表达式为：
f＝1.6mm/1.312°
接收光学系统的焦距f为69.878mm。
单光子面阵探测器7每个像元对应的瞬时接收视场为：
7μm/69.878mm＝0.1mrad。
与激光点阵中单个激光点的发散角一致。其有益效果在于：首先，单个激光点的所有能量均为探测器对应像素所接收，不存在能量损失；其次，单个像元的瞬时接收视场很小，相对较大像元直径、较大瞬时接收视场的同类装置，接收的背景光强度较小，能够有效抑制单光子探测器的背景光计数。
接收光学系统6前端设置窄带滤光片，中心波长为532nm，与脉冲激光波长一致，带宽为3nm，其有益效果在于显著抑制背景光。接收光学系统6的光学孔径为40mm，其光轴与-y轴平行。
在单光子面阵探测器驱动电路8的驱动下，单光子面阵探测器7进行曝光测量，在快反镜的一个固定位置，进行128次曝光测量，曝光周期为脉冲激光重复周期20μs。
单光子面阵探测器7每进行一次曝光，均获得1024个即32×32时间测量值，时间测量值为数字量，在本实施例中，数字量位数为10bit，每个bit对应的时间为55ps，因此时间测量值的变化范围为0-56ns。128次曝光测量，获得128×1024个时间测量值，按照帧序号1-128以及像素编号1-1024存储于系统的存储器9中。
fpga10对上述的存储数据按像素进行直方图统计处理，某个像素直方图统计的具体步骤如下：
1)剔除该像素对应的时间测量值为零值的帧；
2)对所有的非零帧进行时间测量值平均运算，获得平均值；
3)剔除与平均值的差值绝对值大于时间阈值time_th的帧，在本实施例中，时间阈值time_th为18，即990ps；
4)对该像素剩余帧的时间测量值进行平均运算，获得均值，即为最终该像素在快反镜某位置的时间测量统计值。
通过上述步骤，获得1024个(即32×32)时间测量统计值。通过直方图统计，一方面将单光子探测器的暗计数从信号光子中剔除，另一方面通过统计平均提高时间测量精度，进而提高测距精度。根据公知的质心统计算法，质心提取精度能够达到分辨率的1/3以上，本实施例中，单光子面阵探测器的时间分辨率为55ps，通过直方图统计，时间统计测量精度达到55ps/3＝18.33ps，对应的测距精度为2.75mm(1σ)。
128次曝光以及计算的总时间为128×20μs＝2.56ms。
在快反镜驱动电路11的驱动下，快反镜5进行步进运动，停留时间为2.56ms，即单光子面阵探测器曝光与累计测量时间，快反镜5从一个位置步进到下一个位置的运动时间为2.44ms，然后继续下一个停留时间的曝光与累计测量。
在停留位置，通过快反镜5中集成的角度编码器读取快反镜实时运转角度，并采用公知的pid算法对快反镜进行闭环控制，将快反镜在停留位置的角度控制精度稳定在0.001°以内。快反镜每次步进的角度均为1.312°，与物方激光点阵的覆盖角度范围一致。pid算法运行于fpga10上。
在激光雷达的一个三维成像周期内，快反镜5共步进24次，进行25个停留位置的曝光与累计测量。
快反镜的步进曲线是两个方向交替进行的，在x方向步进4次，然后转向y方向步进1次，然后在x方向沿反方向步进4次，然后转向y方向步进一次，如此往复。快反镜的停留位置形成一个5×5的网格。
在一个停留位置获得32×32的时间测量统计值，通过快反镜步进运动，扩展至160×160的时间测量统计值，将时间测量统计值与快反镜编码器测量的实时角度进行融合，获得160×160的三维点云，总测量时间为125ms，对应的三维图像帧率为8hz。
实施例二
实施例二与实施例一的硬件装置是相同的，区别在于快反镜扫描方式以及数据处理方法，下面仅对不同之处进行说明。
如图4所示，快反镜5在y轴以步进方式运动，分为小角度阶跃阶段和大角度阶跃阶段，一次成像包含4次大阶跃，第一次大阶跃之前、两次大阶跃之间、最后一次大阶跃之后均有7次小阶跃，大阶跃的阶跃角度为1.312°，与物方激光点阵的覆盖角度范围一致。小阶跃的阶跃角度为大阶跃角度的1/224，即0.00586°，即为y方向的三维成像角度分辨率，如图5所示。
快反镜5在x方向以周期性三角波方式进行往复扫描，相邻扫描点的时间间隔为激光脉冲重复周期，即20μs。相邻扫描点的角度间隔是相等的，间隔角度与y轴小阶跃的阶跃角度一致，即0.00586°。x方向每一行的扫描点数为1120个，对应的扫描角度约为6.56°。
单光子面阵探测器7在每个激光脉冲发出后均进行一次曝光，获得1024个(即32×32)时间测量值，下一次曝光时，x方向已经运动了0.00586°，其成像位置与第一次曝光并不相同，直至第八次曝光时，x方向运动了0.041°，正好与单光子面阵探测器相邻像元的接收角度间隔相等(像素间距除以接收光学系统焦距：50μm/69.878mm＝0.041°)，此时单光子探测器有31列像素在空间位置上与第一次曝光时重合，如图6所示。依次类推，当进行到218次曝光时，还有1列像素在空间位置上与第一次曝光时重合。对于这列像素，第1、8、15、……、218在该空间位置共进行了32次曝光。对这32次曝光的时间测量值进行直方图统计，统计方法与实施例一相同，不再赘述，最终获得此列像素的最终时间测量统计值。
依照以上方法进行类推，在第2、9、16、……、219次曝光时，对应的空间位置也进行了32次曝光，对这32次曝光的时间测量值进行直方图统计，最终获得此列像素的最终时间测量统计值。此列像素与前述像素的空间角度间隔为快反镜5在x方向上的步进角度0.00586°。
此实施例的有益效果在于：单光子面阵探测器的本身角度分辨率仅为0.041°，通过快反镜5在x方向相邻像素之间的细化扫描以及在y方向上的细化步进运动，将角度分辨率均提高至0.00586°，形成1120×1120的三维点云。
与快反镜5的y轴阶跃次数相匹配，一次三维成像共进行4次大阶跃以及5×7＝35次小阶跃，总阶跃次数为39次，快反镜5在x轴方向的也往返了39次，总成像时间为39×1120×20μs＝874ms。
采用单光子探测器，其灵敏度远远高于位于线性区工作的雪崩光电二极管，本实施例可以实现目标反射率0.2下最远工作距离为600m的三维成像。
与传统机械扫描式激光雷达、tof相机、mems扫描激光雷达相比，本发明的混合固态成像激光雷达，横向、纵向分辨率均达到1120×1120，作用距离达到600m，均远高于同类装置纵向分辨率128以及作用距离300m的指标，具有显著的优势。
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。