单光子反射层析成像方法及装置与流程

本公开涉及激光主动成像，尤其涉及一种单光子反射层析成像方法及装置。

背景技术：

1、对于激光三维成像系统，其横向分辨能力会受到光学衍射极限的限制。对于远距离高精度成像的应用，往往要求激光雷达具有非常高的横向分辨率。为了解决这个问题，研究者们提出了基于不同原理和技术手段的超分辨光学成像方案，包括光学合成孔径成像，傅里叶望远镜，大口径拼接望远镜，亚像素扫描、激光反射层析成像等等。其中激光反射层析成像技术旨在通过高精度的距离信息测量从而恢复原本横向无法分辨物体的形貌，其通过相对鲁棒的光子飞行时间测量，从而获取目标的三维信息。然而，目前的激光反射层析成像系统仍然需要较大的光学口径和较高的激光功率来实现远距离的探测，难以实现小型化、轻量化。同时，系统的分辨率和作用距离也难以兼顾。

技术实现思路

1、本公开的一个方面，提供一种单光子反射层析成像方法，包括：

2、操作s1：发出高斯光束至自由空间并作用于目标物体；

3、操作s2：接收所述高斯光束作用于目标物体后得到的反射光束，以探测光子信息；

4、操作s3：根据所述光子信息得到光子计数-时间直方图；

5、操作s4：基于所述光子计数-时间直方图得到目标物体在某角度下的时域波形；以及

6、操作s5：对不同角度下的时域波形进行处理，得到物体的三维表面轮廓。

7、根据本公开实施例，操作s1中，通过目标物体自身角度变化或高斯光束出射位置变化，使高斯光束作用于不同角度下的目标物体。

8、根据本公开实施例，操作s2中，通过单光子雪崩二极管探测反射光束的光子信息。探测时的死时间设置为小于1μs。

9、根据本公开实施例，操作s3中，通过时间数字转换器得到光子飞行时间，并根据所述光子飞行时间得到光子计数-时间直方图。

10、根据本公开实施例，当光子被单光子雪崩二极管探测时，输出脉冲信号给时间数字转换器，时间数字转换器记录脉冲信号的发射时刻以及光子的到达时刻，从而得到光子的飞行时间。

11、根据本公开实施例，操作s5包括：

12、操作s51：对各个角度下测量到的光子计数直方图进行傅里叶变换，得到频域向量；

13、操作s52：将频域向量点乘滤波函数进行滤波；

14、操作s53：对滤波后的频域向量进行傅里叶变换，得到滤波后的时域数据；

15、操作s54：将各个时域数据反向投影到对该时域数据有贡献的物体空间体元上；

16、操作s55：将反向投影后的结果基于曲面约束进行拟合，最终得到目标物体的三维表面轮廓。

17、根据本公开实施例，操作s52中的滤波函数为h(ω)：

18、；

19、这里ω代表频率，ω cut代表截断频率，为信噪比相关的可调节参数。

20、本公开的另一方面，提供一种单光子反射层析成像装置，包括：

21、发射单元，用于发出高斯光束至自由空间并作用于目标物体；

22、接收单元，接收所述高斯光束作用于目标物体后得到的反射光束，以探测光子信息，并根据所述光子信息得到光子计数-时间直方图；以及

23、处理单元，基于所述光子计数-时间直方图得到目标物体在某角度下的时域波形；并对不同角度下的时域波形进行处理，得到物体的三维表面轮廓。

24、根据本公开实施例，所述发射单元包括激光器，单模光纤，准直器，扩束镜；所述接收单元包括扩束镜，带通滤光片，长通滤光片，光纤滤波器，单光子探测器，时间数字转换器；所述成像装置还包括信号发生器，用于提供时序信号。

25、从上述技术方案可以看出，本公开单光子反射层析成像方法及装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

26、（1）探测距离远：采用了单光子雪崩二极管进行探测，可达到单光子级的极限灵敏度。同时，装置工作在近红外波段，具有较好的大气透过率；系统采用了多级光谱滤波、时域以及空域滤波来极大降低噪声；较好的灵敏度和信噪比使得装置能够实现远距离的探测；

27、（2）小型化、轻量化：基于单光子探测手段，具有较高的灵敏度，因此不需要高功率的激光器以及大口径的望远镜；同时，装置均可采用小型化的器件，可实现集成化、轻量化；

28、（3）测量精度高：基于单光子探测手段，利用时间数字转换器进行光子飞行时间测量，时间精度可达几十ps量级，对应距离分辨率可小于1厘米，能够实现较高的成像精度；

29、（4）可以实现三维成像：可以根据不同角度下的测量数据恢复物体的三维表面形貌。

技术特征：

1.一种单光子反射层析成像方法，包括：

2.根据权利要求1所述的单光子反射层析成像方法，操作s1中，通过目标物体自身角度变化或高斯光束出射位置变化，使高斯光束作用于不同角度下的目标物体。

3.根据权利要求1所述的单光子反射层析成像方法，操作s2中，通过单光子雪崩二极管探测反射光束的光子信息。

4.根据权利要求3所述的单光子反射层析成像方法，探测时的死时间设置为小于1μs。

5.根据权利要求1所述的单光子反射层析成像方法，操作s3中，通过时间数字转换器得到光子飞行时间，并根据所述光子飞行时间得到光子计数-时间直方图。

6.根据权利要求5所述的单光子反射层析成像方法，当光子被单光子雪崩二极管探测时，输出脉冲信号给时间数字转换器，时间数字转换器记录脉冲信号的发射时刻以及光子的到达时刻，从而得到光子的飞行时间。

7.根据权利要求1-6任一项所述的单光子反射层析成像方法，所述操作s5包括：

8.根据权利要求1所述的单光子反射层析成像方法，操作s52中的滤波函数为h(ω)：

9.一种单光子反射层析成像装置，包括：

10.根据权利要求9所述的单光子反射层析成像装置，其中：

技术总结本公开提供一种单光子反射层析成像方法，包括：操作S1：发出高斯光束至自由空间并作用于目标物体；操作S2：接收所述高斯光束作用于目标物体后得到的反射光束，以探测光子信息；操作S3：根据所述光子信息得到光子计数‑时间直方图；操作S4：基于所述光子计数‑时间直方图得到目标物体在某角度下的时域波形；以及操作S5：对不同角度下的时域波形进行处理，得到物体的三维表面轮廓。还提供一种单光子反射层析成像装置。技术研发人员：徐飞虎,叶俊天,黎正平,潘建伟受保护的技术使用者：合肥国家实验室技术研发日：技术公布日：2024/11/4