[發(fā)明專利]三維圖像重構(gòu)的激光主動成像系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910519506.6
• 申請日: 2019-06-14
• 公開（公告）號: CN110187357B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐飛虎;黎正平;曹原;彭承志;潘建偉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G01S17/894
• 分類號: G01S17/894;G01S7/481
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 任巖

本公開提供一種三維圖像重構(gòu)的激光主動成像系統(tǒng)，所述三維圖像重構(gòu)的激光主動成像系統(tǒng)包括：光源，用于發(fā)出脈沖激光；望遠(yuǎn)鏡，用于使所述脈沖激光照射目標(biāo)，并接收從目標(biāo)返回的光子；光學(xué)后光路板，與所述光源及望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)相連，采用收、發(fā)同軸光路，用于處理經(jīng)過的脈沖激光及從目標(biāo)返回的光子；單光子探測器，與所述光學(xué)后光路板相連，用于探測從目標(biāo)返回后經(jīng)所述光學(xué)后光路板處理后的光子；以及電子學(xué)控制處理模塊，分別與所述脈沖激光器、單光子探測器、光學(xué)后光路板以及望遠(yuǎn)鏡相連，用于發(fā)出指令信號。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及三維成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維圖像重構(gòu)的激光主動成像系統(tǒng)，適用于遠(yuǎn)距離的高靈敏、高分辨激光三維成像。

背景技術(shù)

在當(dāng)代的三維成像技術(shù)領(lǐng)域中，可以大致分為平面圖像算法重構(gòu)和激光主動成像兩個分支。

激光主動成像技術(shù)是精確三維成像技術(shù)的主要發(fā)展方向，通過精確測量光子飛行時間，獲取每像素距離信息，重構(gòu)出目標(biāo)三維圖像。因?yàn)槟軌颢@得目標(biāo)距離圖像和強(qiáng)度圖像，并且具有很高的距離分辨能力和角度分辨能力，被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)識別、對地遙感觀測、城市三維建模，特別是自動駕駛、輔助駕駛的興起，三維成像被應(yīng)用于汽車、船舶和飛機(jī)的主動防撞，機(jī)器人和無人車的避障、導(dǎo)航等領(lǐng)域。

但是，目前一般的激光三維成像技術(shù)只適用于幾百米的距離，當(dāng)成像距離擴(kuò)展到數(shù)公里時，受限于漫反射的反射特性和探測靈敏度，需要使用高功率的激光器作為光源，極大的增加了實(shí)現(xiàn)難度和限制了應(yīng)用。同時，當(dāng)距離達(dá)到數(shù)公里時，成像質(zhì)量受發(fā)射光斑擴(kuò)散和成像孔徑衍射極限等限制，成像質(zhì)量往往難以保證。因此，如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離成像的同時仍然保持優(yōu)秀的成像質(zhì)量是一個具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題，也是一個急需發(fā)展的重要技術(shù)。

近些年，隨著單光子探測技術(shù)的出現(xiàn)，人們有了單光子靈敏度的探測手段，有效地拓展了三維雷達(dá)的工作距離。加上時間相關(guān)的單光子測量技術(shù)Time correlated singlephoton counting(TCSPC)的發(fā)展，讓我們能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的時間分辨精度，可以達(dá)到幾十皮秒的分辨能力，從而大大提高了激光雷達(dá)的深度分辨能力。眾多的科研團(tuán)隊和企業(yè)，紛紛發(fā)展他們的單光子激光三維成像系統(tǒng)。同時發(fā)展了兩種主要的成像方式：1、二維面陣單光子相機(jī)凝視非掃描成像；2、單像素或多像素的掃描成像方式。其中，最具有代表性的工作來自美國麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室(MIT Lincoln Lab)，它起步較早，領(lǐng)跑于這個領(lǐng)域。他們從2000年初開始研究單光子激光成像[1]，并先后研發(fā)出Gen系列三代的單光子成像系統(tǒng)。在2015年更是開發(fā)了近紅外波段響應(yīng)InP/InGaAs-蓋革APD陣列，發(fā)展了近紅外波段兼顧隱蔽性和激光人眼安全的激光成像系統(tǒng)[2]，并現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到了256x256像元[3]，已投入應(yīng)用，服務(wù)于民用、商用和軍用等各方面。在其第三代的激光雷達(dá)產(chǎn)品中，采用了532nm工作波長，采用收發(fā)同軸的設(shè)計方案。為了做到集成化，使用了7.5cm口徑的望遠(yuǎn)鏡來做收發(fā)，并采用了較高的脈沖能量(33μJ)，從而做到很高的信噪比[4]。使用該系統(tǒng)，林肯實(shí)驗(yàn)室做到對幾百米外十幾個厘米精度的三維成像，并且可以實(shí)現(xiàn)對植被覆蓋下的車輛等目標(biāo)物體的偵測。其裝置示意圖及成像結(jié)果如圖3所示[4]。但由于采用了小口徑的望遠(yuǎn)鏡和面陣探測，受限于功率，該系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離情形下難以保證面陣中的每個單元都收集到足夠的成像光子。

另外，一些商業(yè)公司，例如美國Princeton Lightwave公司，同樣利用面陣探測器實(shí)現(xiàn)激光成像雷達(dá)[5]，應(yīng)用于導(dǎo)航和障礙規(guī)避。基于面陣探測器的凝視非掃描成像，利用了器件優(yōu)勢避免掃描，提高系統(tǒng)成像速率，并可以降低系統(tǒng)復(fù)雜度、體積。然而同樣因?yàn)槊骊嚦上裥枰l(fā)射激光全局照明目標(biāo)，應(yīng)用到遠(yuǎn)距離成像需要巨大的功率需求，一般只能限制在百米到數(shù)公里。