CN117629403A - 主动式单光子探测阵列非视域成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种主动式单光子探测阵列非视域成像系统，本包括：控制系统、激光器、单光子探测阵列、时间分辨系统、波形变换系统以及图像处理系统，通过主动式发射预设波长探测光，探测被物体遮挡目标，同时探测系统采用单光子探测阵列，探测到反射光后，经过计算光子飞行时间，经数据累积后，实现图像拟合重构，从而实现探测图像输出，构成整体非视域成像系统。采用单光子探测阵列，缩短成像时间，实现更精准成像。主动发射探测光和单光子探测，实现高速联动，精准时间分辨。采用芯片化高度集成激光器、单光子探测，实现小型化设备。

Description

主动式单光子探测阵列非视域成像系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种主动式单光子探测阵列非视域成像系统。

背景技术

不同于传统光学成像，非视域成像技术中，被探测物体通常与光源和探测器不处于同一空间位置，一般位于掩体后或者烟雾后或者其他非可视遮挡之后。由于光线的直接传播路径被遮掩，传统的探测器无法直接从被测物体上获得光学信息，实现信息重建。由于视线遮挡，传统RGB相机或者普通单光子探测系统，普通单光子激光探测，为激光器发射探测光，照射到目标后，经过单光子探测器获取飞行时间，从而获得待探测目标图像。

而对于非视域成像系统，非视域成像的目的在于获取隐藏物体的信息，采用光的瞬态测量探测，瞬态传输描述了功率、入射光子的速率或像素处的辐照度通量，它是时间的函数。由光脉冲产生的光的模式即瞬态光度响应函数(TPRF)无法用传统的光飞行时间相机测量。尤其是对于连续激光器成像系统，出射激光的函数中不包含时间信息，仅提供照明，光源并未与相机有门效应互动，本质是静态光传输系统，依赖的是光场一阶关联函数成像。同时采用传统探测器，还存在成像时间长等问题。

因此，有必要提出一种主动式单光子探测阵列非视域成像系统，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种主动式单光子探测阵列非视域成像系统，以解决现有技术出射激光的函数中不包含时间信息，成像时间长的问题。

本发明提供一种主动式单光子探测阵列非视域成像系统，包括：控制系统、激光器、单光子探测阵列、时间分辨系统、波形变换系统以及图像处理系统；所述激光器、单光子探测阵列分别与所述控制系统连接，所述单光子探测阵列依次与所述时间分辨系统、波形变换系统以及图像处理系统连接；

所述控制系统，用于对激光器和单光子探测阵列进行同步控制；

所述激光器，用于发射预设波长主动探测光，所述主动探测光经反射体反射照射到待探测目标，再经待探测目标反射到反射体，最后反射到反射体的反射光经耦合进入到单光子探测阵列；

所述单光子探测阵列，用于接收所述反射光；

所述时间分辨系统，用于根据所述反射光获得包括光子精准飞行时间在内的反射光数据；

所述波形变换系统，用于对多次不同角度反射光数据汇总后，通过波形变换系统获得直方图；

所述图像处理系统，用于根据所述直方图进行图像拟合，输出待探测目标的图像。

进一步地，所述激光器为调制激光器。

进一步地，所述单光子探测阵列通过单光子雪崩二极管SPAD阵列相机检测信号。

进一步地，所述波形变换系统，用于按照下式，根据光子精准飞行时间测得待探测目标到单光子探测阵列的距离：

d＝ct/2

其中，d为待探测目标到单光子探测阵列的距离，c为真空中的光速，t为光子飞行的时间。

进一步地，所述单光子探测阵列采用近红外单光子探测器阵列芯片。

本发明具有以下有益效果：本发明提供的一种主动式单光子探测阵列非视域成像系统，包括：控制系统、激光器、单光子探测阵列、时间分辨系统、波形变换系统以及图像处理系统，通过主动式发射预设波长探测光，探测被物体遮挡目标，同时探测系统采用单光子探测阵列，探测到反射光后，经过计算光子飞行时间，经数据累积后，实现图像拟合重构，从而实现探测图像输出，构成整体非视域成像系统。采用单光子探测阵列，缩短成像时间，实现更精准成像。主动发射探测光和单光子探测，实现高速联动，精准时间分辨。采用芯片化高度集成激光器、单光子探测，实现小型化设备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的主动式单光子探测阵列非视域成像系统整体结构示意图。

图示说明：1-控制系统；2-激光器；3-单光子探测阵列；4-时间分辨系统；5-波形变换系统；6-图像处理系统。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

请参阅图1，本发明实施例提供一种主动式单光子探测阵列非视域成像系统，包括：控制系统1、激光器2、单光子探测阵列3、时间分辨系统4、波形变换系统5以及图像处理系统6；所述激光器2、单光子探测阵列3分别与所述控制系统1连接，所述单光子探测阵列3依次与所述时间分辨系统4、波形变换系统5以及图像处理系统6连接。

所述控制系统1，用于对激光器2和单光子探测阵列3进行同步控制。本发明采用激光器与单光子探测阵列联动，能够实现高的时间分辨率。

所述激光器2，用于发射预设波长主动探测光，所述主动探测光经反射体反射照射到待探测目标，再经待探测目标反射到反射体，最后反射到反射体的反射光经耦合进入到单光子探测阵列。

主动非视域成像依赖成像系统中的激光器作为光源，并且该激光器，不论是脉冲光还是连续光，都与高速探测器联动使用。通常的主动非视域成像的光源为调制激光器，与高速探测器受同步控制，激光器发出脉冲光，首先作用在中介反射面上，中介反射面可以是墙壁，可以是地板等其他中间物体，主要作用是光子信息的中间载体，脉冲光在中介面上发生反射和散射，然后反射光传播到被测物体，在被测物体表面再次发生反射，二次反射的光子重新传播到中介面，在中介面表面发生第三次反射，第三次反射的光子被高速探测器捕获，由于激光器出射与高速相机得到同步控制，光子的飞行信息就包含了时间信息，经过后端算法处理，即可对隐藏的待测目标进行重构。

所述单光子探测阵列3，用于接收所述反射光。

本发明采用单光子探测阵列，构建基于可实现快速响应的单光子雪崩二极管(SPAD Single Photon Avalanche Diode；SPAD)的非视域成像系统，可实现快速成像，大幅缩短成像时间。基于一定场景中障碍物对照射激光或自然光的散射光，在仅几秒的有限采集时间内检测隐藏物体的反射或散射信号,通过单光子雪崩二极管SPAD阵列相机检测信号，以高精度定位一定距离的物体或跟踪物体的运动。单光子探测阵列3可采用近红外单光子探测器阵列芯片，可实现小型化非视域多场景三维成像系统,实现多场景成像探测。

所述时间分辨系统4，用于根据所述反射光获得包括光子精准飞行时间在内的反射光数据。

搭建基于飞行时间(TOF)单光子探测器SPAD或SPAD阵列的主动非视域成像系统。飞行时间技术是通过测量激光器发射光在探测器与物体表面之间的飞行时间来确定距离的一类技术总称。采用高速SPAD与TCSPC组成的接收系统，分析单光子的飞行时间信息，探测器和探测系统的时间分辨率及对应的空间分辨率。根据测量飞行时间方法的不同，研究多种飞行时间系统，包括脉冲式飞行时间系统、连续波式飞行时间系统、伪随机数序列式飞行时间系统以及压缩感知式飞行时间系统，探寻适合的飞行时间技术。

所述波形变换系统5，用于对多次不同角度反射光数据汇总后，通过波形变换系统获得直方图。

基于脉冲激光或振幅调制的非视域成像系统研究。基于振幅连续波调制的飞行时间单光子探测器(TOF SPAD)的探测信息，通过计算发射出的调制光和接收到的信号之间的相位差进行相关测量，为非视域成像提供基本信息。通过计算TOF相机的测量距离和测量精度与激光器调制频率(或脉冲激光重复频率)和强度的关系，可提高成像质量。

所述波形变换系统5，用于按照下式，根据光子精准飞行时间测得待探测目标到单光子探测阵列的距离：

d＝ct/2

其中，d为待探测目标到单光子探测阵列的距离，c为真空中的光速，t为光子飞行的时间。获得光子飞行时间后，通过获取不同角度反射光，可以实现对待探测目标的大量TOF数据的积累，通过研究待测物体重构算法，采用类似于瑞利-索末菲衍射的算法，设法提高成像分辨率，提高采用帧率。而且非视域成像中光的衰减严重，其与距离的四次幂成反比。为了在大背景噪声中获取较高信噪比的光子信息，需要极长的曝光时间，造成实时性差，数据量大。通过采用改进算法，包括光锥变换算法、f-k迁移算法、反投影算法、凸优化算法、快速瑞利-索末菲衍射算法等一些特殊算法，如对时间信号进行预处理的向量场算法、加权因子算法，以及结合神经网络深度的一些算法。最终实现图像的拟合重构输出。

这些算法的目的之一在于提高信号在特定场景下的信噪比。在光路及电路设计上，本系统通过、并设计专用FPGA系统实现采集具有高信噪比的信号，对于整体非视域成像，从软硬件综合性能上提高，提高高速探测器及探测系统的信息处理技术。

所述图像处理系统6，用于根据所述直方图进行图像拟合，输出待探测目标的图像。

本发明的非视域三维成像系统，可实现图像分辨率≤mm；面向不同场景的小型化手持式非视域三维成像三维图像分辨率小于2cm。

本发明的主动式单光子探测阵列非视域成像系统可以实现对于遮挡目标的探测，工作原理如下：

激光器发射预设波长主动探测光，主动探测光经反射体反射照射到待探测目标，再经待探测目标反射到反射体，最后反射到反射体的反射光经耦合进入到单光子探测阵列。反射体可以是白墙或者其他反射体。

单光子探测阵列接收所述反射光；时间分辨系统根据所述反射光获得包括光子精准飞行时间在内的反射光数据；波形变换系统对多次不同角度反射光数据汇总后，通过波形变换系统获得直方图；图像处理系统根据所述直方图进行图像拟合，输出待探测目标的图像。

由以上实施例可知，本发明的主动式单光子探测阵列非视域成像系统，通过主动式发射特定波长探测光，探测被物体遮挡目标，同时探测系统采用单光子探测器，探测到反射光后，经过计算光子飞行时间，经数据累积后，实现图像拟合重构，从而实现探测图像输出，构成整体非视域成像系统。采用单光子探测阵列，缩短成像时间，实现更精准成像。主动发射探测光和单光子探测，实现高速联动，精准时间分辨。采用芯片化高度集成激光器、单光子探测，实现小型化设备。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种主动式单光子探测阵列非视域成像系统，其特征在于，包括：控制系统(1)、激光器(2)、单光子探测阵列(3)、时间分辨系统(4)、波形变换系统(5)以及图像处理系统(6)；所述激光器(2)、单光子探测阵列(3)分别与所述控制系统(1)连接，所述单光子探测阵列(3)依次与所述时间分辨系统(4)、波形变换系统(5)以及图像处理系统(6)连接；

所述控制系统(1)，用于对激光器(2)和单光子探测阵列(3)进行同步控制；

所述激光器(2)，用于发射预设波长主动探测光，所述主动探测光经反射体反射照射到待探测目标，再经待探测目标反射到反射体，最后反射到反射体的反射光经耦合进入到单光子探测阵列；

所述单光子探测阵列(3)，用于接收所述反射光；

所述时间分辨系统(4)，用于根据所述反射光获得包括光子精准飞行时间在内的反射光数据；

所述波形变换系统(5)，用于对多次不同角度反射光数据汇总后，通过波形变换系统获得直方图；

所述图像处理系统(6)，用于根据所述直方图进行图像拟合，输出待探测目标的图像。

2.如权利要求1所述的主动式单光子探测阵列非视域成像系统，其特征在于，所述激光器(2)为调制激光器。

3.如权利要求1所述的主动式单光子探测阵列非视域成像系统，其特征在于，所述单光子探测阵列(3)通过单光子雪崩二极管SPAD阵列相机检测信号。

4.如权利要求1所述的主动式单光子探测阵列非视域成像系统，其特征在于，所述波形变换系统(5)，用于按照下式，根据光子精准飞行时间测得待探测目标到单光子探测阵列的距离：

d＝ct/2

其中，d为待探测目标到单光子探测阵列的距离，c为真空中的光速，t为光子飞行的时间。

5.如权利要求1所述的主动式单光子探测阵列非视域成像系统，其特征在于，所述单光子探测阵列(3)采用近红外单光子探测器阵列芯片。