一種多元光子計數激光測距的三維成像系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多元光子計數激光測距的三維成像系統，該系統包括用于發射光束陣列的激光發射單元、控制光束陣列發射和光束陣列掃描的控制單元、使用光學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。本發明使用光纖陣列耦合的單光子探測器陣列，實現一維激光光束陣列的多元光子計數激光測距，并且在光束陣列排列的垂直方向對光束陣列進行一維掃描，實現光子計數三維激光成像。
【專利說明】一種多元光子計數激光測距的三維成像系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及激光測距及三維成像領域，具體地說是一種使用光纖陣列耦合的單光子探測器陣列，實現多元光子計數激光測距的三維成像系統。
【背景技術】
[0002]激光測距和三維成像系統在測繪中有重要的應用價值，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符合計數方法測量回波信號，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前研究的難點。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是針對現有技術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，實現多元光子計數激光測距的三維成像系統，該系統提高了測量速度，并且發揮了單光子探測器超高靈敏度的優勢，更重要的是，一維方向多元光子計數激光測距可以直接用于機載或者星載平臺，利用平臺的飛行，在飛行方向對一維激光光束陣列實現推掃掃描，達到三維激光成像的目的。
[0004]實現本發明目的的具體技術方案是:
一種多元光子計數激光測距的三維成像系統，特點是:該系統包括激光發射單元、控制單元、接收和探測單元及時間測量單元，激光發射單元與接收和探測單元設置于同一個平臺，并排擺放，控制單元在設于激光發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射單元及接收和探測單元相連；其中，所述激光發射單元用于發射光束陣列，控制單元控制光束陣列發射和光束陣列掃描，接收和探測單元使用光學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；激光發射單元發射激光光束陣列射到目標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射單元進行對目標物進行掃描，接收和探測單元進行對目標物反射光信號的接收和探測并把探測到的信號傳輸到時間測量單元，時間測量單元對接收和探測單元接收到的信號進行接收并通過多通道時間相關符合計數，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為N，總共掃描M行，獲得N X M個點的三維圖像。
[0005]所述的激光發射單元包括:脈沖激光器、高速線性光電探測器、介質膜高反鏡、普通高反鏡、激光擴束器和達曼光柵，所述脈沖激光器照準介質膜高反鏡，所述高速線性光電探測器照準介質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激光擴束器輸入端，所述激光擴束器輸出端通過達曼光柵照準被測目標物；激光從脈沖激光器中射出，射至介質膜高反鏡然后反射至普通高反鏡，隨后光射至激光擴束器，然后再射向達曼光柵，經過達曼光柵后最后射至目標物。達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，每束光的發散角保持與入射前光束相同。當一維激光光束陣列照射到遠距離目標表面，在目標表面形成一維激光點陣，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，所述光學鏡頭照準被測目標，所述窄帶濾波片置于光學鏡頭和光纖陣列耦合的單光子探測器陣列之間，光學鏡頭、窄帶濾波片和光纖耦合的單光子探測器陣列呈直線排列，光學鏡頭接收到經目標表面反射的一維激光點陣信號，經過窄帶濾光片抑制背景光，在焦平面形成一維點陣實像；在焦平面，光纖陣列將激光點陣一一耦合進入各個光纖通道，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成，對目標物反射的一維激光點陣光信號的接收和探測，并且實現多通道光子計數脈沖的同步傳輸。
[0008]所述控制單元為角位器，由時間測量單元控制，控制單元使激光發射單元發射出的一維點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字邏輯分析儀和計算機組成，數字邏輯分析儀完成多通道時間相關符合計數，記錄每個通道的計數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計數，計算各個通道信號計數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；計算機進行對控制單元的掃描控制和數字邏輯分析儀的數據處理。
[0010]本發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，實現三維激光成像。相對于點激光信號掃描，本發明提高了測量速度，并且發揮了單光子探測器超高靈敏度的優勢。更重要的是，一維方向多元光子計數激光測距可以直接用于機載或者星載平臺，利用平臺的飛行，在飛行方向對一維激光光束陣列實現推掃掃描，達到三維激光成像的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明結構示意圖；
圖2為本發明單光子探測器陣列示意圖；
圖3為本發明控制單元對一維點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為本發明單光子探測器陣列實例工作示意圖。
【具體實施方式】
[0012]參閱圖1,包括用于發射光束陣列的激光發射單元Α、控制光束陣列發射和光束陣列掃描的控制單元B、使用光學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、激光擴束器13、介質膜高反鏡14、普通高反鏡15、達曼光柵(DOE) 16 ;接收和探測單元C包括光學鏡頭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發出激光脈沖，經介質膜高反鏡14極少部分激光透射進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調節激光光束的反射方向，使其完全垂直入射到激光擴束器13，激光擴束器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，每束光的發散角基本保持與入射前光束相同。當一維激光光束陣列照射到遠距離目標表面，在目標表面形成一維激光點陣，在同一距離平面的光斑間隔相等。
[0013]光學鏡頭31接收到經目標表面反射的一維激光點陣信號，經過窄帶濾光片32抑制背景光，在焦平面形成一維點陣實像。在焦平面，光纖陣列331將激光點陣一一耦合進入各個光纖通道，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是由獨立的單光子探測通道組成，相互之間沒有串擾，保證了最佳的探測性能。每個探測通道對應探測一個激光光斑的回波，得到的計數脈沖由時間測量單兀D記錄和分析。
[0014]控制光束陣列發射和光束陣列掃描的控制單元B設于激光發射單元A與接收和探測單元C下方，控制單元B使激光發射單元A發射出的一維點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符合計數，記錄每個通道的計數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計數，計算各個通道信號計數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符合計數，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為N，總共掃描M行，獲得NXM個點的三維圖像。
實施例
[0018]激光發射單元A包括重復頻率為1K的脈沖激光器11、高速線性光電探測器12、3倍擴束的激光擴束器13、介質膜高反鏡14、普通高反鏡15、達曼光柵(DOE) 16 ;激光脈沖經介質膜高反鏡14極少部分激光透射進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調節激光光束的反射方向，使其完全垂直入射到激光擴束器13，激光擴束器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，每束光的發散角基本保持與入射前光束相同。當一維激光光束陣列照射到遠距離目標表面，在目標表面形成一維激光點陣，在同一距離平面的光斑間隔相等。本實施例中，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。光學鏡頭31接收到經目標表面反射的一維激光點陣信號，經過窄帶濾光片32抑制背景光，在焦平面形成一維點陣實像。在焦平面，光纖陣列331將激光點陣一一耦合進入各個光纖通道并送入單光子探測器陣列332 (本實施例采用單光子雪崩光電二極管探測陣列)。通過調節鏡頭的焦距，焦平面的點陣的中心間距被精確調節至381 μ m,即每隔2個光纖通道接收一個點信號(如圖4)。取10個接收到點信號的光纖接入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%，暗計數約lK/s。
[0019]時間測量單元D由泰克的TLA6400邏輯分析儀及計算機組成，邏輯分析儀完成I路同步觸發脈沖和10通道單光子探測器計數脈沖的記錄，每次測量記錄100個脈沖周期的數據，然后通過計算機程序對10通道計數脈沖進行時間相關符合計數分析，計算每個通道的計數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計數，計算各個通道信號計數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距離。
[0020]通過多通道時間相關符合計數，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°，旋轉中心精度為0.03mm，速度為4° /sec。一維光束陣列的光束總數為10，總共掃描10行，獲得1X 10個點的三維圖像。
【權利要求】
1.一種多元光子計數激光測距的三維成像系統，其特征在于該系統包括激光發射單元、控制單元、接收和探測單元及時間測量單元，激光發射單元與接收和探測單元設置于同一個平臺，并排擺放，控制單元在設于激光發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射單元及接收和探測單元相連；其中，所述激光發射單元用于發射光束陣列，控制單元控制光束陣列發射和光束陣列掃描，接收和探測單元使用光學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；激光發射單元發射激光光束陣列射到目標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射單元進行對目標物的掃描，接收和探測單元進行對目標物反射光信號的接收和探測并把探測到的信號傳輸到時間測量單元，時間測量單元對接收和探測單元接收到的信號進行接收并通過多通道時間相關符合計數，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為N，總共掃描M行，獲得NXM個點的三維圖像。
2.根據權利要求1所述的光子計數多元激光測距的三維成像系統，其特征在于所述的激光發射單元包括:脈沖激光器、高速線性光電探測器、介質膜高反鏡、普通高反鏡、激光擴束器和達曼光柵，所述脈沖激光器照準介質膜高反鏡，所述高速線性光電探測器照準介質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激光擴束器輸入端，所述激光擴束器輸出端通過達曼光柵照準被測目標物。
3.根據權利要求1所述的光子計數多元激光測距的三維成像系統，其特征在于所述接收和探測單元包括:光學鏡頭、窄帶濾波片和光纖陣列耦合的單光子探測器陣列，所述光學鏡頭照準被測目標，所述窄帶濾波片置于光學鏡頭和光纖陣列耦合的單光子探測器陣列之間，光學鏡頭、窄帶濾波片和光纖耦合的單光子探測器陣列呈直線排列，光學鏡頭接收到經目標表面反射的一維激光點陣信號，經過窄帶濾光片抑制背景光，在焦平面形成一維點陣實像；在焦平面，光纖陣列將激光點陣一一耦合進入各個光纖通道，并送入單光子探測器陣列。
4.根據權利要求3所述的光子計數多元激光測距的三維成像系統，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成，對目標物反射的一維激光點陣光信號的接收和探測，并且實現多通道光子計數脈沖的同步傳輸。
5.根據權利要求1所述的光子計數多元激光測距的三維成像系統，其特征在于所述控制單元為角位器，由時間測量單元控制，控制單元使激光發射單元發射出的一維點陣光在豎直方向由時間測量單元控制移動，完成掃描。
6.根據權利要求1所述的光子計數多元激光測距的三維成像系統，其特征在于所述時間測量單元由數字邏輯分析儀和計算機組成，數字邏輯分析儀完成多通道時間相關符合計數，記錄每個通道的計數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計數，計算各個通道信號計數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；計算機進行對控制單元的掃描控制和數字邏輯分析儀的數據處理。
【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 優先權日:2014年8月8日
【發明者】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