基于TCSPC的全息雷达三维成像方法和装置

基于tcspc的全息雷达三维成像方法和装置
技术领域
1.本技术涉及全息成像技术领域，尤其涉及一种基于tcspc的全息雷达三维成像方法和装置。


背景技术：

2.全息成像技术是通过光的干涉和衍射原理分别记录物体的三维信息和再现物体三维图像的技术。全息成像技术分为记录过程和再现过程两部分，记录过程中通过激光器发射激光并分束，一束照射物体，另一束作为参考光照射全息记录面，照射物体的激光经物体反射后回到全息记录面与参考光发生干涉形成全息图，全息图上的干涉条纹记录了物体光波各处的振幅和相位信息。再现过程中通过一束光照射全息记录面利用光的衍射原理得到物体的三维图像。全息成像技术记录了物体光波的全部振幅和相位信息，全息成像的重建结果具有和物体本身相同的三维特征，因此全息成像是真正意义上的三维立体成像技术，具有广阔的应用前景。
3.时间相关光子计数(tcspc，time
‑
correlated single
‑
photoncounting)技术是在上世纪60年代koechlin、bollinger和bennett等三人为了检测被射线激发的闪烁体发光而提出的技术。tcspc具有高测量精度、高灵敏度、动态范围大和高时间分辨性能等优点，近年来在基于单光子探测、成像等方面具有广泛的应用。
4.近年来自动驾驶技术得到了快速地发展。在自动驾驶技术中，对行驶过程中的周围环境感知是自动驾驶的重要核心之一，对周围环境信息的采集和感知能力是决定自动驾驶技术能否走向成熟并得到大规模实际应用的关键问题之一，各类研究机构针对环境感知进行了大量研究。目前应用最为广泛的环境感知技术有单目视觉相机、多目视觉相机和激光雷达，但是视觉相机仅依靠视觉感知通过被动成像进行环境信息采集和感知，既不能对特定的目标进行主动探测，而且受环境和天气影响较大；激光雷达虽然可以对周围环境进行主动探测，但是激光雷达造价过高，而且同样受雾霾、雷雨等恶劣天气影响较大。这些技术存在着对周围环境信息采集不够充分的问题，导致自动驾驶技术的环境感知能力较弱，制约了自动驾驶技术的进一步发展。


技术实现要素：

5.本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
6.为此，本技术的第一个目的在于提出一种基于tcspc的全息雷达三维成像方法，解决了现有方法对周围环境信息采集不够充分导致自动驾驶技术的环境感知能力较弱的问题，基于tcspc通过全息成像对探测物体进行不同距离下的全息三维重建，在保证高精度深度信息测量的同时，既可针对待探测物体进行不同距离下的距离切片全息三维重建，又能够得到物体的整体全息三维重建结果，为自动驾驶技术提供充分的环境三维数据支持，改善现有环境感知技术存在的问题，有效提高自动驾驶技术对周围环境感知的能力。
7.本技术的第二个目的在于提出一种基于tcspc的全息雷达三维成像装置。
8.本技术的第三个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
9.为达上述目的，本技术第一方面实施例提出了一种基于tcspc的全息雷达三维成像方法，包括：使用激光发射器向探测场景发射激光，经扩束镜和分束镜分别扩束和分束后，一束激光照向探测场景，另一束激光作为参考光照向探测器；照向探测场景的激光由场景反射后作为物光被探测器接收，与参考光在探测器处发生干涉；使用时间相关光子计数器统计发生干涉后的光子分布情况，生成全息时间光子计数直方图，其中，时间相关光子计数器与探测器相连接；针对不同时间依次对全部全息时间光子计数直方图进行切片得到不同时间即不同距离下的全息图；利用全息图再现方法依次对不同距离下的全息图进行再现得到探测物体在不同距离下的距离切片全息三维重建结果；根据具体需求对全息三维重建结果进行不同距离下的距离切片结果分析展示或将结果叠加得到整体全息三维重建结果。
10.可选地，在本技术的一个实施例中，全息图再现方法包括菲涅耳变换法、卷积法和角谱法。
11.可选地，在本技术的一个实施例中，激光发射器为脉冲激光发射器。
12.为达上述目的，本技术第二方面实施例提出了一种基于tcspc的全息雷达三维成像装置，包括：激光发射器，用于发射激光构造物体光和参考光；扩束镜，用于对激光器发射的激光进行扩束；分束镜，用于对激光进行分束，一部分作为物体光对探测物体进行照射，一部分作为参考光；单光子探测器阵列，用于接收物体回波光子和参考光；时间相关光子计数器，用于统计物体回波光子和参考光发生干涉后的光子分布情况，生成全息时间相关光子计数直方图；数字处理模块，用于控制电路同步、光路延迟和对采集数据进行处理并对探测物体进行全息三维重建。
13.可选地，在本技术的一个实施例中，单光子探测器阵列与时间相关光子计数器连接。
14.可选地，在本技术的一个实施例中，数字处理模块包括同步电路、光纤耦合器和计算机，其中，同步电路分别与激光发射器和时间相关光子计数器连接，用于保证激光发射器发射激光时，时间相关光子计数器同步开始计时；光纤耦合器，用于控制光路延迟，保证参考光和物体光同时到达单光子探测器阵列；计算机，用于对时间相关光子计数器统计的物体回波光子和参考光发生干涉后的全息时间相关光子计数直方图进行处理并对探测物体进行全息三维重建。
15.为了实现上述目的，本技术第三方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，当存储介质中的指令由处理器被执行时，能够执行基于tcspc的全息雷达三维成像方法。
16.本技术实施例的基于tcspc的全息雷达三维成像方法、基于tcspc的全息雷达三维成像装置和非临时性计算机可读存储介质，解决了现有方法对周围环境信息采集不够充分导致自动驾驶技术的环境感知能力较弱的问题，基于tcspc通过全息成像对探测物体进行不同距离下的全息三维重建，在保证高精度深度信息测量的同时，既可针对待探测物体进行不同距离下的距离切片全息三维重建，又能够得到物体的整体全息三维重建结果，为自动驾驶技术提供充分的环境三维数据支持，改善现有环境感知技术存在的问题，有效提高
自动驾驶技术对周围环境感知的能力。
17.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
18.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本技术实施例一所提供的一种基于tcspc的全息雷达三维成像方法的流程图；图2为本技术实施例二提供的一种基于tcspc的全息雷达三维成像装置的结构示意图；图3为本技术实施例二的基于tcspc的全息雷达三维成像装置的另一个结构示意图。
具体实施方式
19.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
20.下面参考附图描述本技术实施例的基于tcspc的全息雷达三维成像方法和装置。
21.图1为本技术实施例一所提供的一种基于tcspc的全息雷达三维成像方法的流程图。
22.如图1所示，该基于tcspc的全息雷达三维成像方法包括以下步骤：步骤101，使用激光发射器向探测场景发射激光，经扩束镜和分束镜分别扩束和分束后，一束激光照向探测场景，另一束激光作为参考光照向探测器；步骤102，照向探测场景的激光由场景反射后作为物光被探测器接收，与参考光在探测器处发生干涉；步骤103，使用时间相关光子计数器统计发生干涉后的光子分布情况，生成全息时间光子计数直方图，其中，时间相关光子计数器与探测器相连接；步骤104，针对不同时间依次对全部全息时间光子计数直方图进行切片得到不同时间即不同距离下的全息图；步骤105，利用全息图再现方法依次对不同距离下的全息图进行再现得到探测物体在不同距离下的距离切片全息三维重建结果；步骤106，根据具体需求对全息三维重建结果进行不同距离下的距离切片结果分析展示或将结果叠加得到整体全息三维重建结果。
23.本技术实施例的基于tcspc的全息雷达三维成像方法，通过使用激光发射器向探测场景发射激光，经扩束镜和分束镜分别扩束和分束后，一束激光照向探测场景，另一束激光作为参考光照向探测器；照向探测场景的激光由场景反射后作为物光被探测器接收，与参考光在探测器处发生干涉；使用时间相关光子计数器统计发生干涉后的光子分布情况，生成全息时间光子计数直方图，其中，时间相关光子计数器与探测器相连接；针对不同时间
依次对全部全息时间光子计数直方图进行切片得到不同时间即不同距离下的全息图；利用全息图再现方法依次对不同距离下的全息图进行再现得到探测物体在不同距离下的距离切片全息三维重建结果；根据具体需求对全息三维重建结果进行不同距离下的距离切片结果分析展示或将结果叠加得到整体全息三维重建结果。由此，能够解决现有方法对周围环境信息采集不够充分导致自动驾驶技术的环境感知能力较弱的问题，基于tcspc通过全息成像对探测物体进行不同距离下的全息三维重建，在保证高精度深度信息测量的同时，既可针对待探测物体进行不同距离下的距离切片全息三维重建，又能够得到物体的整体全息三维重建结果，为自动驾驶技术提供充分的环境三维数据支持，改善现有环境感知技术存在的问题，有效提高自动驾驶技术对周围环境感知的能力。
24.进一步地，在本技术实施例中，全息图再现方法包括菲涅耳变换法、卷积法和角谱法。
25.全息图再现方法包括但不限于菲涅耳变换法、卷积法和角谱法。
26.进一步地，在本技术实施例中，激光发射器为脉冲激光发射器。
27.本技术基于对目前自动驾驶采用的视觉感知技术缺陷的认识和发现，将tcspc技术与全息成像技术相结合，对探测物体进行充分的三维数据采集，完成对物体在不同距离下的三维重建。
28.图2为本技术实施例二提供的一种基于tcspc的全息雷达三维成像装置的结构示意图。
29.如图2所示，该基于tcspc的全息雷达三维成像装置，包括：激光发射器10，用于发射激光构造物体光和参考光；扩束镜20，用于对激光器发射的激光进行扩束；分束镜30，用于对激光进行分束，一部分作为物体光对探测物体进行照射，一部分作为参考光；单光子探测器阵列40，用于接收物体回波光子和参考光；时间相关光子计数器50，用于统计物体回波光子和参考光发生干涉后的光子分布情况，生成全息时间相关光子计数直方图；数字处理模块60，用于控制电路同步、光路延迟和对采集数据进行处理并对探测物体进行全息三维重建。
30.进一步地，在本技术实施例中，单光子探测器阵列与时间相关光子计数器连接。
31.进一步地，在本技术实施例中，数字处理模块包括同步电路、光纤耦合器和计算机，其中，同步电路分别与激光发射器和时间相关光子计数器连接，用于保证激光发射器发射激光时，时间相关光子计数器同步开始计时；光纤耦合器，用于控制光路延迟，保证参考光和物体光同时到达单光子探测器阵列；计算机，用于对时间相关光子计数器统计的物体回波光子和参考光发生干涉后的全息时间相关光子计数直方图进行处理并对探测物体进行全息三维重建。
32.本技术实施例的基于tcspc的全息雷达三维成像装置，包括：激光发射器，用于发射激光构造物体光和参考光；扩束镜，用于对激光器发射的激光进行扩束；分束镜，用于对
激光进行分束，一部分作为物体光对探测物体进行照射，一部分作为参考光；单光子探测器阵列，用于接收物体回波光子和参考光；时间相关光子计数器，用于统计物体回波光子和参考光发生干涉后的光子分布情况，生成全息时间相关光子计数直方图；数字处理模块，用于控制电路同步、光路延迟和对采集数据进行处理并对探测物体进行全息三维重建。由此，能够解决现有方法对周围环境信息采集不够充分导致自动驾驶技术的环境感知能力较弱的问题，基于tcspc通过全息成像对探测物体进行不同距离下的全息三维重建，在保证高精度深度信息测量的同时，既可针对待探测物体进行不同距离下的距离切片全息三维重建，又能够得到物体的整体全息三维重建结果，为自动驾驶技术提供充分的环境三维数据支持，改善现有环境感知技术存在的问题，有效提高自动驾驶技术对周围环境感知的能力。
33.图3为本技术实施例二的基于tcspc的全息雷达三维成像装置的另一个结构示意图。
34.如图3所示，该基于tcspc的全息雷达三维成像装置，包括：激光发射器100，扩束镜200，分束镜300，单光子探测器阵列400，时间相关光子计数器500和数字处理模块600，其中，激光发射器100用于发射激光构造物体光和参考光；扩束镜200用于对激光器发射的激光进行扩束；分束镜300用于对激光进行分束，一部分作为物体光对探测物体700进行照射，一部分作为参考光；单光子探测器阵列400用于接收物体700回波光子和参考光；时间相关光子计数器500用于统计物体700回波光子和参考光发生干涉后的光子分布情况，生成全息时间相关光子计数直方图；数字处理模块600用于控制电路同步，光路延迟和对采集数据进行处理并对探测物体700进行全息三维重建。
35.为了实现上述实施例，本技术还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例的基于tcspc的全息雷达三维成像方法。
36.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、
ꢀ“
示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
38.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
39.在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用
于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（ram），只读存储器（rom），可擦除可编辑只读存储器（eprom或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（cdrom）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
40.应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（pga），现场可编程门阵列（fpga）等。
41.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
42.此外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
43.上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。