[发明专利]一种基于单光子探测器的激光三维成像装置

说明书

技术领域

本发明属于光电仪器技术领域，具体是指一种基于单光子探测器的激光三维成像装置，它用于探测植被或伪装下的目标，可以快速获得远目标高分辨率的激光三维图像。

背景技术

与传统的二维灰度图像相比，三维距离图像能够提供更为丰富的目标信息如距离、方位、大小和姿态等，可以极大地提高目标识别和分类的效率。基于飞行时间法的激光三维成像是一种常见的用于目标三维成像的重要方法。它利用脉冲激光束对目标进行照射，经光电探测器接收反射回波，通过计算激光脉冲飞行时间获取目标表面的距离信息，结合二维扫描或焦平面探测技术进而获取区别于背景的目标表面的距离图像，距离图像的每个像素对应的是目标表面的三维坐标。作为一种可以快速获取目标三维图像的有效手段，激光三维成像在诸如地形测绘、直升机避障、激光主动制导等领域都获得了广泛应用。

现有的激光三维成像装置中通常采用雪崩光电二极管作为探测器结合线性放大电路接收目标反射回波。这种情况下，探测器工作于线性模式，其灵敏度往往在数百光子以上。如果要求较远的成像作用距离，一般采用提高激光脉冲能量、增加接收望远镜口径等方法。这些方法一方面造成系统体积和功耗过大，另一方面限制了激光器重复频率的提高从而导致三维成像帧速不高。此外，在对地遥感及一些军用领域，探测对象往往隐藏在植被或人为伪装之后，目标回波经过较大衰减一般极其微弱，受探测器灵敏度的限制，对隐藏目标的成像探测很难实现。

总之，目前的激光三维成像装置受限于探测灵敏度，很难对隐藏目标进行探测，且在作用距离较远时，对激光器能量和接收望远镜口径要求较高，难以实现系统小型化和高帧速成像。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有单光子灵敏度，可以对较远目标进行快速扫描三维成像并具有植被或伪装穿透能力的激光三维成像装置，解决现有系统的存在的技术不足。

本发明的目的是通过下述技术途径实现的：

本发明公开的一种基于单光子探测器的激光三维成像装置，包括位置和姿态探测单元、脉冲激光器、准直镜、发射-接收共用望远镜、发射-接收分光镜、扫描镜、成像透镜组、窄线宽光谱滤波器、小视场空间滤波器、双门控单光子探测单元、高速激光发射探测单元、门控信号产生单元、多到达脉冲时间间隔测量单元和数据处理单元，其中：

1)位置和姿态探测单元在装置测量工作过程中实时提供本体的位置和姿态信息。

2)脉冲激光器需要具备高重频窄脉宽窄线宽特性，作为主动三维成像装置的发射光源，与探测器和光谱滤光器配合，工作波长可以是532nm或1064nm。

3)准直镜位于脉冲激光器之前，其作用是对脉冲激光器发出的光束进行准直和整形，使其成为发散角较小且形状较对称的光束。

4)发射-接收共用望远镜为透射式伽利略望远镜，一方面作为主镜接收目标反射激光脉冲能量，并使后光路形成平行光路以进行窄线宽光谱滤波，另一方面用于对经过准直的激光光束进行扩束，进一步压缩发散角以与小接收视场配准。

5)发射-接收分光镜位于发射-接收望远镜之后，为中心开孔的反射镜，其功能是对同轴化的发射和接收光路进行分光，将后光路分为发射光路和接收光路，实现窄探测视场和窄发射光束的配准。

6)扫描镜位于发射-接收望远镜之前，需要具备二维指向能力，其功能是改变激光光束的指向，实现对目标不同部位的测量，从而获得目标完整三维图像。

7)窄线宽光谱滤波器在发射-接收望远镜分出的接收光路上，为窄带干涉滤光片，具备高透过率窄线宽特性，其功能是仅让工作波长的回波光子顺利通过而尽量抑制其他波长的背景光和杂散光。

8)成像透镜组位于窄线宽光谱滤波器之后，收集光回波能量并聚焦于小视场空间滤波器上。

9)小视场空间滤波器的功能是减小探测器单元接收视场，使单元视场与探测器光敏面大小无关，在提高三维成像空间分辨率的同时降低背景光噪声的影响。

10)双门控单光子探测单元接收经过窄线宽光谱滤波和小视场空间滤波之后的回波光子信号，其核心为单光子探测器，采用盖革工作模式下的雪崩光电二极管或高增益的光电倍增管，可以通过调整偏压的方式进入或退出单光子探测模式。双门控一个用来使能探测器进入单光子探测模式，另一个用来对探测单元输出信号进行使能以选取一定距离范围内的目标回波光子进行时间测量。

11)高速激光发射探测单元用来检测激光脉冲的发射，提供激光脉冲发射时刻信息，采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管组件将光脉冲转化为电脉冲作为激光发射信号。