一種多元光子計(jì)數(shù)激光測距的三維成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多元光子計(jì)數(shù)激光測距的三維成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于發(fā)射光束陣列的激光發(fā)射單元、控制光束陣列發(fā)射和光束陣列掃描的控制單元、使用光學(xué)鏡頭接收回波光信號、光纖陣列耦合的單光子探測器陣列探測焦平面光信號的接收和探測單元，以及用于記錄和分析多通道光子飛行時間的時間測量單元。本發(fā)明使用光纖陣列耦合的單光子探測器陣列，實(shí)現(xiàn)一維激光光束陣列的多元光子計(jì)數(shù)激光測距，并且在光束陣列排列的垂直方向?qū)馐嚵羞M(jìn)行一維掃描，實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)三維激光成像。
【專利說明】一種多元光子計(jì)數(shù)激光測距的三維成像系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光測距及三維成像領(lǐng)域，具體地說是一種使用光纖陣列耦合的單光子探測器陣列，實(shí)現(xiàn)多元光子計(jì)數(shù)激光測距的三維成像系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]激光測距和三維成像系統(tǒng)在測繪中有重要的應(yīng)用價值，隨著測量距離不斷提升，人們開始使用單光子探測器以及時間相關(guān)符合計(jì)數(shù)方法測量回波信號，極大地提高了測距性能。但是，對于多元激光測距的三維成像，由于缺少高性能的單光子探測器陣列，通常采用單光束逐點(diǎn)掃描，測量時間較長，而基于探測陣列的多元激光測距的三維成像仍是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種基于光纖陣列耦合的高性能的一維單光子探測器陣列，實(shí)現(xiàn)多元光子計(jì)數(shù)激光測距的三維成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)提高了測量速度，并且發(fā)揮了單光子探測器超高靈敏度的優(yōu)勢，更重要的是，一維方向多元光子計(jì)數(shù)激光測距可以直接用于機(jī)載或者星載平臺，利用平臺的飛行，在飛行方向?qū)σ痪S激光光束陣列實(shí)現(xiàn)推掃掃描，達(dá)到三維激光成像的目的。
[0004]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是:
一種多元光子計(jì)數(shù)激光測距的三維成像系統(tǒng)，特點(diǎn)是:該系統(tǒng)包括激光發(fā)射單元、控制單元、接收和探測單元及時間測量單元，激光發(fā)射單元與接收和探測單元設(shè)置于同一個平臺，并排擺放，控制單元在設(shè)于激光發(fā)射單元與接收和探測單元的平臺下方支撐上方兩個單元，時間測量單元分別與激光發(fā)射單元及接收和探測單元相連；其中，所述激光發(fā)射單元用于發(fā)射光束陣列，控制單元控制光束陣列發(fā)射和光束陣列掃描，接收和探測單元使用光學(xué)鏡頭接收回波光信號、光纖陣列耦合的單光子探測器陣列探測焦平面光信號，時間測量單元用于記錄和分析多通道光子飛行時間；激光發(fā)射單元發(fā)射激光光束陣列射到目標(biāo)物上并給時間測量單元一個同步信號，控制單元由時間測量單元控制使激光發(fā)射單元進(jìn)行對目標(biāo)物進(jìn)行掃描，接收和探測單元進(jìn)行對目標(biāo)物反射光信號的接收和探測并把探測到的信號傳輸?shù)綍r間測量單元，時間測量單元對接收和探測單元接收到的信號進(jìn)行接收并通過多通道時間相關(guān)符合計(jì)數(shù)，得到一維方向多元距離信息；完成一維的多元測距之后，控制單元對激光光束陣列進(jìn)行線性掃描，逐行獲取多元距離信息，一維光束陣列的光束總數(shù)為N，總共掃描M行，獲得N X M個點(diǎn)的三維圖像。
[0005]所述的激光發(fā)射單元包括:脈沖激光器、高速線性光電探測器、介質(zhì)膜高反鏡、普通高反鏡、激光擴(kuò)束器和達(dá)曼光柵，所述脈沖激光器照準(zhǔn)介質(zhì)膜高反鏡，所述高速線性光電探測器照準(zhǔn)介質(zhì)膜高反鏡背面并與時間測量單元相連作為激光脈沖同步信號，所述介質(zhì)膜反鏡與所述普通高反鏡鏡面相對且兩者法線相垂直，所述普通高反鏡照準(zhǔn)激光擴(kuò)束器輸入端，所述激光擴(kuò)束器輸出端通過達(dá)曼光柵照準(zhǔn)被測目標(biāo)物；激光從脈沖激光器中射出，射至介質(zhì)膜高反鏡然后反射至普通高反鏡，隨后光射至激光擴(kuò)束器，然后再射向達(dá)曼光柵，經(jīng)過達(dá)曼光柵后最后射至目標(biāo)物。達(dá)曼光柵將單束入射光分束成一維光束陣列，其中相鄰兩束光的夾角相等，每束光的發(fā)散角保持與入射前光束相同。當(dāng)一維激光光束陣列照射到遠(yuǎn)距離目標(biāo)表面，在目標(biāo)表面形成一維激光點(diǎn)陣，在同一距離平面的光斑間隔相等。
[0006]所述接收和探測單元包括:光學(xué)鏡頭、窄帶濾波片和光纖陣列耦合的單光子探測器陣列，所述光學(xué)鏡頭照準(zhǔn)被測目標(biāo)，所述窄帶濾波片置于光學(xué)鏡頭和光纖陣列耦合的單光子探測器陣列之間，光學(xué)鏡頭、窄帶濾波片和光纖耦合的單光子探測器陣列呈直線排列，光學(xué)鏡頭接收到經(jīng)目標(biāo)表面反射的一維激光點(diǎn)陣信號，經(jīng)過窄帶濾光片抑制背景光，在焦平面形成一維點(diǎn)陣實(shí)像；在焦平面，光纖陣列將激光點(diǎn)陣一一耦合進(jìn)入各個光纖通道，并送入單光子探測器陣列。
[0007]所述光纖陣列耦合的單光子探測器陣列由光纖陣列和單光子探測器陣列構(gòu)成，對目標(biāo)物反射的一維激光點(diǎn)陣光信號的接收和探測，并且實(shí)現(xiàn)多通道光子計(jì)數(shù)脈沖的同步傳輸。
[0008]所述控制單元為角位器，由時間測量單元控制，控制單元使激光發(fā)射單元發(fā)射出的一維點(diǎn)陣光在豎直方向由時間測量單兀控制移動，完成掃描。
[0009]所述時間測量單元由數(shù)字邏輯分析儀和計(jì)算機(jī)組成，數(shù)字邏輯分析儀完成多通道時間相關(guān)符合計(jì)數(shù)，記錄每個通道的計(jì)數(shù)脈沖與激光脈沖同步信號的時間間隔，通過多個激光脈沖周期的累計(jì)計(jì)數(shù)，計(jì)算各個通道信號計(jì)數(shù)脈沖的時間間隔的平均值Tn，然后通過光子飛行時間公式求得各個通道的目標(biāo)距離Ln ；
Ln = C.Tn / 2
其中C為光子的飛行速度，η為激光光束陣列的光束序號；計(jì)算機(jī)進(jìn)行對控制單元的掃描控制和數(shù)字邏輯分析儀的數(shù)據(jù)處理。
[0010]本發(fā)明通過光纖陣列耦合的單光子探測器陣列，探測一維多光束陣列的回波信號，得到一維方向多元的距離信息，然后對激光光束陣列一維掃描，實(shí)現(xiàn)三維激光成像。相對于點(diǎn)激光信號掃描，本發(fā)明提高了測量速度，并且發(fā)揮了單光子探測器超高靈敏度的優(yōu)勢。更重要的是，一維方向多元光子計(jì)數(shù)激光測距可以直接用于機(jī)載或者星載平臺，利用平臺的飛行，在飛行方向?qū)σ痪S激光光束陣列實(shí)現(xiàn)推掃掃描，達(dá)到三維激光成像的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明單光子探測器陣列示意圖；
圖3為本發(fā)明控制單元對一維點(diǎn)陣光在豎直方向由時間測量單元控制移動，完成掃描示意圖；
圖4為本發(fā)明單光子探測器陣列實(shí)例工作示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]參閱圖1,包括用于發(fā)射光束陣列的激光發(fā)射單元Α、控制光束陣列發(fā)射和光束陣列掃描的控制單元B、使用光學(xué)鏡頭接收回波光信號、光纖陣列耦合的單光子探測器陣列探測焦平面光信號的接收和探測單元C及用于記錄和分析多通道光子飛行時間的時間測量單元D。激光發(fā)射單元A包括脈沖激光器11、高速線性光電探測器12、激光擴(kuò)束器13、介質(zhì)膜高反鏡14、普通高反鏡15、達(dá)曼光柵(DOE) 16 ;接收和探測單元C包括光學(xué)鏡頭31、濾光片32、光纖陣列耦合的單光子探測器陣列33 ;控制單元B控制脈沖激光器11發(fā)出激光脈沖，經(jīng)介質(zhì)膜高反鏡14極少部分激光透射進(jìn)入高速線性光電探測器12，探測到的脈沖信號作為激光脈沖的同步信號由時間測量單元D記錄。普通高反鏡15調(diào)節(jié)激光光束的反射方向，使其完全垂直入射到激光擴(kuò)束器13，激光擴(kuò)束器13輸出的單光束垂直照射到DOE元件。DOE元件將單束入射光分束成一維光束陣列，其中相鄰兩束光的夾角相等，每束光的發(fā)散角基本保持與入射前光束相同。當(dāng)一維激光光束陣列照射到遠(yuǎn)距離目標(biāo)表面，在目標(biāo)表面形成一維激光點(diǎn)陣，在同一距離平面的光斑間隔相等。
[0013]光學(xué)鏡頭31接收到經(jīng)目標(biāo)表面反射的一維激光點(diǎn)陣信號，經(jīng)過窄帶濾光片32抑制背景光，在焦平面形成一維點(diǎn)陣實(shí)像。在焦平面，光纖陣列331將激光點(diǎn)陣一一耦合進(jìn)入各個光纖通道，并送入單光子探測器陣列332 (圖2，圖中淺色部分為光纖芯，深色部分為激光)。單光子探測器陣列332是由獨(dú)立的單光子探測通道組成，相互之間沒有串?dāng)_，保證了最佳的探測性能。每個探測通道對應(yīng)探測一個激光光斑的回波，得到的計(jì)數(shù)脈沖由時間測量單兀D記錄和分析。
[0014]控制光束陣列發(fā)射和光束陣列掃描的控制單元B設(shè)于激光發(fā)射單元A與接收和探測單元C下方，控制單元B使激光發(fā)射單元A發(fā)射出的一維點(diǎn)陣光在豎直方向由時間測量單元D控制移動，完成掃描(圖3所示)。
[0015]時間測量單元D完成多通道時間相關(guān)符合計(jì)數(shù)，記錄每個通道的計(jì)數(shù)脈沖與激光脈沖同步信號的時間間隔，通過多個激光脈沖周期的累計(jì)計(jì)數(shù)，計(jì)算各個通道信號計(jì)數(shù)脈沖的時間間隔的平均值Tn，然后通過光子飛行時間公式求得各個通道的目標(biāo)距離Ln。
[0016]Ln = OTn/ 2
其中C為光子的飛行速度，η為激光光束陣列的光束序號。
[0017]通過多通道時間相關(guān)符合計(jì)數(shù)，得到一維方向多元距離信息，完成一維的多元測距之后，控制單元D對激光光束陣列進(jìn)行線性掃描，逐行獲取多元距離信息。一維光束陣列的光束總數(shù)為N，總共掃描M行，獲得NXM個點(diǎn)的三維圖像。
實(shí)施例
[0018]激光發(fā)射單元A包括重復(fù)頻率為1K的脈沖激光器11、高速線性光電探測器12、3倍擴(kuò)束的激光擴(kuò)束器13、介質(zhì)膜高反鏡14、普通高反鏡15、達(dá)曼光柵(DOE) 16 ;激光脈沖經(jīng)介質(zhì)膜高反鏡14極少部分激光透射進(jìn)入高速線性光電探測器12，探測到的脈沖信號作為激光脈沖的同步信號由時間測量單元D記錄。普通高反鏡15調(diào)節(jié)激光光束的反射方向，使其完全垂直入射到激光擴(kuò)束器13，激光擴(kuò)束器13輸出的單光束垂直照射到DOE元件。DOE元件將單束入射光分束成一維光束陣列，其中相鄰兩束光的夾角相等，每束光的發(fā)散角基本保持與入射前光束相同。當(dāng)一維激光光束陣列照射到遠(yuǎn)距離目標(biāo)表面，在目標(biāo)表面形成一維激光點(diǎn)陣，在同一距離平面的光斑間隔相等。本實(shí)施例中，DOE元件將入射光束分束成10束，相鄰光束夾角為0.082°，形成的點(diǎn)陣相鄰中心間距為5cm。接收和探測單元C包括騰龍A08 200-500mm光學(xué)鏡頭31、窄帶濾波片32和光纖陣列耦合的單光子探測器陣列33。光纖陣列的每個光纖芯徑為105 μ m，相鄰中心間距為127 μ m，共有100個光纖通道。光學(xué)鏡頭31接收到經(jīng)目標(biāo)表面反射的一維激光點(diǎn)陣信號，經(jīng)過窄帶濾光片32抑制背景光，在焦平面形成一維點(diǎn)陣實(shí)像。在焦平面，光纖陣列331將激光點(diǎn)陣一一耦合進(jìn)入各個光纖通道并送入單光子探測器陣列332 (本實(shí)施例采用單光子雪崩光電二極管探測陣列)。通過調(diào)節(jié)鏡頭的焦距，焦平面的點(diǎn)陣的中心間距被精確調(diào)節(jié)至381 μ m,即每隔2個光纖通道接收一個點(diǎn)信號(如圖4)。取10個接收到點(diǎn)信號的光纖接入10通道Si AH)單光子探測器。對于532nm光信號，10通道Si APD單光子探測器的平均探測效率約30%，暗計(jì)數(shù)約lK/s。
[0019]時間測量單元D由泰克的TLA6400邏輯分析儀及計(jì)算機(jī)組成，邏輯分析儀完成I路同步觸發(fā)脈沖和10通道單光子探測器計(jì)數(shù)脈沖的記錄，每次測量記錄100個脈沖周期的數(shù)據(jù)，然后通過計(jì)算機(jī)程序?qū)?0通道計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行時間相關(guān)符合計(jì)數(shù)分析，計(jì)算每個通道的計(jì)數(shù)脈沖與激光脈沖同步信號的時間間隔，通過多個激光脈沖周期的累計(jì)計(jì)數(shù)，計(jì)算各個通道信號計(jì)數(shù)脈沖的時間間隔的平均值，然后通過光子飛行時間公式求得各個通道的目標(biāo)距離。
[0020]通過多通道時間相關(guān)符合計(jì)數(shù)，得到了一維方向的10路距離信息。完成一維的多元測距之后，控制單元B對激光光束陣列進(jìn)行如圖3所示的線性掃描，使用角位臺逐行掃描。角位臺型號21120-10分辨率為0.004°，旋轉(zhuǎn)中心精度為0.03mm，速度為4° /sec。一維光束陣列的光束總數(shù)為10，總共掃描10行，獲得1X 10個點(diǎn)的三維圖像。
【權(quán)利要求】
1.一種多元光子計(jì)數(shù)激光測距的三維成像系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括激光發(fā)射單元、控制單元、接收和探測單元及時間測量單元，激光發(fā)射單元與接收和探測單元設(shè)置于同一個平臺，并排擺放，控制單元在設(shè)于激光發(fā)射單元與接收和探測單元的平臺下方支撐上方兩個單元，時間測量單元分別與激光發(fā)射單元及接收和探測單元相連；其中，所述激光發(fā)射單元用于發(fā)射光束陣列，控制單元控制光束陣列發(fā)射和光束陣列掃描，接收和探測單元使用光學(xué)鏡頭接收回波光信號、光纖陣列耦合的單光子探測器陣列探測焦平面光信號，時間測量單元用于記錄和分析多通道光子飛行時間；激光發(fā)射單元發(fā)射激光光束陣列射到目標(biāo)物上并給時間測量單元一個同步信號，控制單元由時間測量單元控制使激光發(fā)射單元進(jìn)行對目標(biāo)物的掃描，接收和探測單元進(jìn)行對目標(biāo)物反射光信號的接收和探測并把探測到的信號傳輸?shù)綍r間測量單元，時間測量單元對接收和探測單元接收到的信號進(jìn)行接收并通過多通道時間相關(guān)符合計(jì)數(shù)，得到一維方向多元距離信息；完成一維的多元測距之后，控制單元對激光光束陣列進(jìn)行線性掃描，逐行獲取多元距離信息，一維光束陣列的光束總數(shù)為N，總共掃描M行，獲得NXM個點(diǎn)的三維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子計(jì)數(shù)多元激光測距的三維成像系統(tǒng)，其特征在于所述的激光發(fā)射單元包括:脈沖激光器、高速線性光電探測器、介質(zhì)膜高反鏡、普通高反鏡、激光擴(kuò)束器和達(dá)曼光柵，所述脈沖激光器照準(zhǔn)介質(zhì)膜高反鏡，所述高速線性光電探測器照準(zhǔn)介質(zhì)膜高反鏡背面并與時間測量單元相連作為激光脈沖同步信號，所述介質(zhì)膜反鏡與所述普通高反鏡鏡面相對且兩者法線相垂直，所述普通高反鏡照準(zhǔn)激光擴(kuò)束器輸入端，所述激光擴(kuò)束器輸出端通過達(dá)曼光柵照準(zhǔn)被測目標(biāo)物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子計(jì)數(shù)多元激光測距的三維成像系統(tǒng)，其特征在于所述接收和探測單元包括:光學(xué)鏡頭、窄帶濾波片和光纖陣列耦合的單光子探測器陣列，所述光學(xué)鏡頭照準(zhǔn)被測目標(biāo)，所述窄帶濾波片置于光學(xué)鏡頭和光纖陣列耦合的單光子探測器陣列之間，光學(xué)鏡頭、窄帶濾波片和光纖耦合的單光子探測器陣列呈直線排列，光學(xué)鏡頭接收到經(jīng)目標(biāo)表面反射的一維激光點(diǎn)陣信號，經(jīng)過窄帶濾光片抑制背景光，在焦平面形成一維點(diǎn)陣實(shí)像；在焦平面，光纖陣列將激光點(diǎn)陣一一耦合進(jìn)入各個光纖通道，并送入單光子探測器陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光子計(jì)數(shù)多元激光測距的三維成像系統(tǒng)，其特征在于所述光纖陣列耦合的單光子探測器陣列由光纖陣列和單光子探測器陣列構(gòu)成，對目標(biāo)物反射的一維激光點(diǎn)陣光信號的接收和探測，并且實(shí)現(xiàn)多通道光子計(jì)數(shù)脈沖的同步傳輸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子計(jì)數(shù)多元激光測距的三維成像系統(tǒng)，其特征在于所述控制單元為角位器，由時間測量單元控制，控制單元使激光發(fā)射單元發(fā)射出的一維點(diǎn)陣光在豎直方向由時間測量單元控制移動，完成掃描。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子計(jì)數(shù)多元激光測距的三維成像系統(tǒng)，其特征在于所述時間測量單元由數(shù)字邏輯分析儀和計(jì)算機(jī)組成，數(shù)字邏輯分析儀完成多通道時間相關(guān)符合計(jì)數(shù)，記錄每個通道的計(jì)數(shù)脈沖與激光脈沖同步信號的時間間隔，通過多個激光脈沖周期的累計(jì)計(jì)數(shù)，計(jì)算各個通道信號計(jì)數(shù)脈沖的時間間隔的平均值Tn，然后通過光子飛行時間公式求得各個通道的目標(biāo)距離Ln ；
Ln = C.Tn / 2 其中C為光子的飛行速度，η為激光光束陣列的光束序號；計(jì)算機(jī)進(jìn)行對控制單元的掃描控制和數(shù)字邏輯分析儀的數(shù)據(jù)處理。
【文檔編號】G01S17/08GK104166142SQ201410387283
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】吳光, 馮百成, 師亞帆, 鮑澤宇, 李召輝, 杜秉承, 顏佩琴 申請人:華東師范大學(xué)