[發(fā)明專利]一種基于光子標(biāo)記的首光子激光成像系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2016-09-14
• 公開（公告）號: CN106646510B
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊頌;蘇云;王保華;鄔志強(qiáng);阮寧娟;郭崇嶺;張鵬斌;林栩凌
• 申請（專利權(quán)）人: 北京空間機(jī)電研究所
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S7/481
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

一種基于單光子標(biāo)記的首光子激光成像系統(tǒng)，包括光子編碼系統(tǒng)、1×N激光器陣列(2)，光路折轉(zhuǎn)元件(3)、二維掃描裝置(4)、望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)(5)、光束聚焦元件(6)、光子解碼系統(tǒng)(7)、1×N單光子探測器陣列(8)、多通道時間相關(guān)單光子計數(shù)系統(tǒng)(9)及控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(10)。本發(fā)明裝置采用光子標(biāo)記與高重頻首光子成像算法，能夠克服現(xiàn)有首光子激光成像系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率受限難以提升的問題，提高首光子激光成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的速度，縮短首光子激光成像時間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域和光子計數(shù)激光成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種能夠快速成像的首光子激光成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的激光雷達(dá)采用線性探測體制，激光回波脈沖中包含數(shù)千個光子，依靠較高的信噪比將回波信號從背景噪聲中檢出，這種高的激光發(fā)射能量限制了激光重復(fù)頻率、數(shù)據(jù)采樣率以及最大作用距離。為了解決這個問題，激光雷達(dá)正朝著低發(fā)射能量、高重頻、高靈敏度探測的方向發(fā)展，目前最常見的是光子計數(shù)激光三維成像技術(shù)，以美國NASA、MIT林肯實驗室為代表，采用高重頻、低能量激光發(fā)射機(jī)和高靈敏度的單光子探測器，將線性探測體制下包含大量光子的回波波形探測轉(zhuǎn)換為針對單個回波光子事件的“計數(shù)”，充分應(yīng)用了回波信號中的能量。但是，為了將信號從背景噪聲和暗計數(shù)中提取出來，該系統(tǒng)需要利用多個光子事件累積方法，那么每個像素仍然要求累積數(shù)十個光子。

當(dāng)前提出的首光子成像技術(shù)采用蓋革模式單光子探測器，回波信號能量低于0.1個光子每脈沖，系統(tǒng)不再通過光子事件累積的方法成像，而是從探測器響應(yīng)的首個光子的脈沖計數(shù)和延時時間中獲取目標(biāo)的反射率和高程信息，同時采用首光子成像算法剔除背景噪聲的影響，將有望大大簡化激光雷達(dá)系統(tǒng)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)對功耗、望遠(yuǎn)鏡口徑等的要求。但是，為了得到首個光子的準(zhǔn)確時間信息，目前首光子成像技術(shù)要求激光器的重復(fù)頻率f≤c/2s，其中c是光速，s是目標(biāo)相對激光雷達(dá)的距離。一旦激光器的重復(fù)頻率超過這個閾值，響應(yīng)光子的時間信息有可能出現(xiàn)周期混疊，從而無法正確反演出目標(biāo)的反射率信息和高程信息。并且，當(dāng)前的首光子成像系統(tǒng)工作在極低的回波強(qiáng)度條件下，當(dāng)探測器響應(yīng)首個光子時，激光器需要發(fā)射多個脈沖，而重復(fù)頻率的限制往往使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的時間延長，從而影響系統(tǒng)成像的時效性，不利于其對運動或變化的目標(biāo)場景成像，在應(yīng)用中具有很大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：能夠克服現(xiàn)有首光子激光成像系統(tǒng)高重復(fù)頻率條件下響應(yīng)光子的時間信息出現(xiàn)周期混疊的不足，突破該系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率受限的難題，提供一種能夠在極低回波信號強(qiáng)度條件下快速成像的首光子激光成像系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于光子標(biāo)記的首光子激光成像系統(tǒng)，包括光子編碼系統(tǒng)、1×N激光器陣列、光路折轉(zhuǎn)元件、二維掃描裝置、望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)、光束聚焦元件、光子解碼系統(tǒng)、1×N單光子探測器陣列、多通道時間相關(guān)單光子計數(shù)系統(tǒng)以及控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；N為正整數(shù)；

所述的光子編碼系統(tǒng)根據(jù)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制指令，利用開關(guān)電路控制1×N激光器陣列中各激光器中的激光二極管的驅(qū)動電源，使1×N激光器陣列中的N個激光器，在一個準(zhǔn)周期T內(nèi)，按照相等的時間間隔T/N，依次發(fā)射窄脈寬的帶有標(biāo)記的單光子脈沖；N個激光器發(fā)射的單光子脈沖通過合束，最后沿同一光路經(jīng)折轉(zhuǎn)鏡、二維掃描裝置向目標(biāo)發(fā)射；目標(biāo)反射回的回波光信號經(jīng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)、光束聚焦元件到達(dá)光子解碼系統(tǒng)，光子解碼系統(tǒng)將帶有標(biāo)記的單光子脈沖空間分離后，對應(yīng)送至1×N單光子探測器陣列進(jìn)行探測；1×N單光子探測器陣列將探測到的信號輸出至多通道時間相關(guān)單光子計數(shù)系統(tǒng)和控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提取出帶有標(biāo)記的單光子脈沖的信息，之后通過高重頻首光子成像算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演和去噪，最終顯示目標(biāo)的反射率圖像和高程圖像。

所述1×N單光子探測器陣列中每個單光子探測器工作在蓋革模式。

所述的光子編碼系統(tǒng)的編碼形式為偏振編碼或波長編碼，所述的光子解碼系統(tǒng)對于偏振編碼的單光子脈沖采用偏振分束器進(jìn)行分光，對于波長編碼的單光子脈沖采用光柵分光。