基于双光梳的非视域三维成像装置及方法与流程

本发明涉及基于双光梳的非视域三维成像装置及方法，属于光学成像。

背景技术：

1、非视域成像技术是利用间接反射或散射的光子量级的信息，通过系统建模并求解光线的传输过程，实现超越视域范围的成像以及目标物形状和表面特征的还原，在自动驾驶、灾难救援、安防反恐、遥感侦察等诸多领域都有广阔的应用前景。现有的非视域成像手段主要包括激光脉冲飞行时间测量方法、激光散斑相关法、被动半影测量法、热成像法等。相比其他方法，激光脉冲飞行时间测量方法采用激光脉冲进行主动照明，光脉冲经历场景到目标再到场景共三次漫反射后，携带丰富的非视域空间信息，通过对回波信号的时空采样计算重构出目标的三维形状，具有成像精度高、抗遮挡能力强、环境适应能力强的优点。但是当前基于常规脉冲激光源的非视域成像方法仍存在着帧频低、重构质量差、集成度不高等问题。探测帧频主要受限于常规脉冲光源较低的重复频率和探测系统的灵敏度；三维图像重构质量，即成像分辨率，依赖于传统脉冲时间飞行法的测时精度，受限于核心测时部分的硬件参数和探测光源脉宽；除此之外，受限于常规脉冲激光器、单光子探测器等核心器件的功耗体积，非视域成像系统集成度较低。

2、光频梳的超宽光谱、超窄脉宽以及超稳脉冲序列间隔的特点为测量领域带来了革命性进展，双光梳测距法自2009年首次公开以来，因其快速、高精度、大测量范围的优势引起了国内外的极大关注。双光梳测距法中，重频为fr1的信号光梳发出的信号脉冲经过迈克尔逊干涉光路，产生时延为δτ的参考脉冲和测量脉冲，后与重频为fr2的本振光梳发出的本振脉冲合光。由于双光梳的微小频差(δfr＝fr2-fr1)，每经过一个脉冲时间周期两列脉冲会产生δt＝δfr/(fr1·fr2)的时间滑移。通过双光梳线性互相关采样，原先重复周期为1/fr1的脉冲信号，放大成了周期为1/δfr的互相关信号，被测距离值d可表示为：vg为光脉冲的群速度。该方案通过线性异步光学采样获得待测距离信息，结合了飞行时间测距法和干涉距离测量方法的优势，摆脱了传统脉冲飞行时间测距中光电探测器带宽的限制，实现了在千赫兹测量速度下，微米级精度的绝对距离测量。光频梳主要可分为锁模激光器光频梳、克尔微腔光频梳以及电光频梳，不同体制的光频梳的重复频率覆盖10mhz～1thz量级，但还未有非视域成像方面相关研究。而其中具有超高重频且可片上集成的光频梳可进一步提升探测帧频、测距分辨率和系统集成度。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了基于双光梳的非视域三维成像装置及方法，提升现有基于常规脉冲激光源的非视域成像系统的探测帧频、图像分辨率和系统集成度。

2、本发明的技术解决方案是：基于双光梳的非视域三维成像装置，包括：

3、光频梳，设有至少两个，其中，第一光频梳输出光脉冲至功率放大器；

4、功率放大器，对输入光脉冲进行放大后输出探测光至发射镜头和延时器；

5、延时器，对探测光进行延时输出；

6、发射镜头，将探测光发射至中介面，通过中介面散射至目标物；

7、接收镜头，接收目标物反射的散射光并发送至第一耦合器；

8、第一耦合器，将散射光与延时输出的探测光进行干涉和耦合，并进行采样后发送至第二耦合器；

9、第二耦合器，将第二光频梳输出的光脉冲与耦合的散射光与延时输出的探测光进行干涉和耦合，并进行采样后发送至探测器；

10、探测器，对输入光进行光电转换，获得拍频信号并发送至信号处理模块；

11、信号处理模块，对输入的拍频信号进行数据解算，获得三维光子飞行时间数据矩阵，反演计算为目标物三维图像。

12、进一步地，所述光频梳的体制和体制参数根据实际非视域场景的成像范围和分辨率需求规划的光源的重频确定。

13、进一步地，所述采样为双光梳线性异步光学采样。

14、进一步地，所述光频梳为微腔光频梳和电光频梳时，对其进行片上集成。

15、根据所述的基于双光梳的非视域三维成像装置实现的基于双光梳的非视域三维成像方法，包括：

16、对第一光频梳输出的光脉冲进行功率放大后输出探测光；

17、延时器对探测光进行延时输出；

18、发射镜头将探测光发射至中介面，通过中介面散射至目标物；

19、接收镜头接收目标物反射的散射光并发送至第一耦合器；

20、第一耦合器将散射光与延时输出的探测光进行干涉和耦合，并进行采样后发送至第二耦合器；

21、第二耦合器将第二光频梳输出的光脉冲与耦合的散射光与延时输出的探测光进行干涉和耦合，并进行采样后发送至探测器；

22、探测器对输入光进行光电转换，获得拍频信号并发送至信号处理模块；

23、信号处理模块对输入的拍频信号进行数据解算，获得三维光子飞行时间数据矩阵，反演计算为目标物三维图像。

24、进一步地，所述光频梳的体制和体制参数根据实际非视域场景的成像范围和分辨率需求规划的光源的重频确定。

25、进一步地，所述采样为双光梳线性异步光学采样。

26、进一步地，所述光频梳为微腔光频梳和电光频梳时，对其进行片上集成。

27、一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述基于双光梳的非视域三维成像方法的步骤。

28、基于双光梳的非视域三维成像设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述基于双光梳的非视域三维成像方法的步骤。

29、本发明与现有技术相比的优点在于：

30、(1)光频梳作为一种高重频的超短脉冲激光光源，能够突破常规脉冲光源重复频率和脉冲宽度的限制，提升现有非视域成像系统的探测帧频和动态感知能力。同时光频梳具有大范围可选的重复频率，可根据实际非视域场景的成像范围和分辨率需求，合理规划光源的重频大小，灵活选择不同体制的光频梳以适应不同非视域条件。

31、(2)由于光频梳的超短脉冲宽度，现有探测器水平无法实现高精度完整的信号采集，因此采用基于双光梳的异步外差探测法，能够从时域上将整个探测过程放慢，获得高时间分辨的信号，降低对高精度测时模块的硬件需求，提升测时分辨率和距离反演精度，进而获得高成像分辨率的重构图像。

32、(3)现有的非视域成像方法主要是基于直接探测体制，而本发明提出的基于双光梳线性异步光学采样的非视域三维成像方法是基于相干探测体制，对测量信号进行多次相干平均，可有效提升信号的信噪比，提高系统的探测灵敏度。

33、(4)微腔光频梳和电光频梳可实现片上集成，能够降低传统脉冲激光源等核心器件的体积功耗，且基于片上双光梳的新体制高灵敏度探测方法，可以提升现有非视域三维成像的系统集成度。

技术特征：

1.基于双光梳的非视域三维成像装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于双光梳的非视域三维成像装置，其特征在于，所述光频梳的体制和体制参数根据实际非视域场景的成像范围和分辨率需求规划的光源的重频确定。

3.根据权利要求1所述的基于双光梳的非视域三维成像装置，其特征在于，所述采样为双光梳线性异步光学采样。

4.根据权利要求1所述的基于双光梳的非视域三维成像装置，其特征在于，所述光频梳为微腔光频梳和电光频梳时，对其进行片上集成。

5.根据权利要求1所述的基于双光梳的非视域三维成像装置实现的基于双光梳的非视域三维成像方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的基于双光梳的非视域三维成像方法，其特征在于，所述光频梳的体制和体制参数根据实际非视域场景的成像范围和分辨率需求规划的光源的重频确定。

7.根据权利要求5所述的基于双光梳的非视域三维成像方法，其特征在于，所述采样为双光梳线性异步光学采样。

8.根据权利要求5所述的基于双光梳的非视域三维成像方法，其特征在于，所述光频梳为微腔光频梳和电光频梳时，对其进行片上集成。

9.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5～权利要求8任一所述方法的步骤。

10.基于双光梳的非视域三维成像设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求5～权利要求8任一所述方法的步骤。

技术总结基于双光梳的非视域三维成像装置及方法，提升现有基于常规脉冲激光源的非视域成像系统的探测帧频、图像分辨率和系统集成度，包括：首先根据实际非视域场景的成像范围和分辨率需求，选择不同重频范围下适合体制的光频梳，并采用相应的调控方法实现具有一定重频差的双光梳的产生；双光梳中的探测光梳放大后一路作为参考光，另一路作为信号光经历三次散射后携带场景信息被接收与参考光耦合，再与双光梳中的本振光梳进行拍频；通过探测器采集到的拍频信号建立正向传输模型下的三维光子飞行时间矩阵，基于非视域椭球反投影算法与二维摆镜的扫描结果，可重建三维图像。由此以双光梳为探测光源可有效实现不同非视域场景下目标物的高分辨率三维成像。技术研发人员：杨宏志,赵苏怡,肖林,陈思飞,张子越,黄伟,谢阳,付中原,易睿智受保护的技术使用者：中国航天科技创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/9/17