[發明專利]一種單光子三維掃描成像系統

在審

• 申請號: 202011438523.6
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN112698348A
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 曾憲江;王晨晟;余徽;杜衛超;陳銘
• 申請（專利權）人: 華中光電技術研究所（中國船舶重工集團公司第七一七研究所）
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S7/481;G01S7/484;G01S7/486
• 代理公司: 武漢藍寶石專利代理事務所(特殊普通合伙) 42242
• 代理人: 高蘭

一種單光子三維掃描成像系統，包括：激光發射單元，用于發射激光脈沖；回波探測單元，包括位于激光發射單元出射光路上的穿孔反射鏡、望遠鏡設備、以及單光子探測器；所述激光發射單元發射的激光脈沖穿過所述穿孔反射鏡中心的圓孔進入所述望遠鏡設備，所述望遠鏡設備對所述激光脈沖進行擴束，擴束后的所述激光脈沖向前傳輸投射至待測目標，在待測目標表面形成目標回波，所述望遠鏡設備能反向接收所述目標回波并收束后入射至所述穿孔反射鏡的反射面，所述單光子探測器接收目標回波光信號并進行光電轉換得到第一電信號；以及數據處理單元，連接所述單光子探測器以采集所述第一電信號，并將所述第一電信號處理成時間相關單光子計數直方圖，基于所述直方圖得到所述待測目標的距離信息。

技術領域

本發明涉及光電探測技術領域，尤其涉及一種單光子三維掃描成像系統。

背景技術

水下激光探測與成像技術具有著重要的軍事戰略意義。當前水下激光探測與成像技術迅速發展，但在實際使用中，仍然存在著較多的技術難點。其中主要技術難點包括，激光在水中傳輸的能量衰減較大，目標反射回來的回波信號強度極弱；水介質中存對激光傳輸存在著強烈的散射作用，產生的前向散射與后向散射噪聲極大限制了目標回波光信號的提取與成像的分辨率。

現有技術中，單光子三維掃描成像系統，包括發射光路以及回波光路，所述發射光路及回波光路均需要設置一系列的光學元器件以對光路進行反射、對光束進行準直調整，導致單光子三維掃描成像系統的結構比較復雜、體積較大，不利于單光子三維掃描成像系統的水下作業。

發明內容

為了達到上述技術目的，本發明提供了一種單光子三維掃描成像系統。

一種單光子三維掃描成像系統，包括：

激光發射單元，用于發射激光脈沖；

回波探測單元，包括位于激光發射單元出射光路上的穿孔反射鏡、望遠鏡設備、以及單光子探測器；所述激光發射單元發射的激光脈沖穿過所述穿孔反射鏡中心的圓孔進入所述望遠鏡設備，所述望遠鏡設備對所述激光脈沖進行擴束，擴束后的所述激光脈沖向前傳輸投射至待測目標，在待測目標表面形成目標回波，所述望遠鏡設備能反向接收所述目標回波并收束后入射至所述穿孔反射鏡的反射面，所述單光子探測器接收目標回波光信號并進行光電轉換得到第一電信號；以及

數據處理單元，連接所述單光子探測器以采集所述第一電信號，并將所述第一電信號處理成時間相關單光子計數直方圖，基于所述直方圖得到所述待測目標的距離信息，在未完成所述待測目標成像區域的掃描時，繼續調整激光脈沖的光束指向，直至完成所述目標成像區域的掃描，顯示三維掃描成像結果，其中，所述直方圖為預設采樣時間內累計的回波光子數與時間的關系。

在一個優選實施方式中，所述激光發射單元包括用于發射激光脈沖的激光發射部件以及位于激光發射部件的出射光路上的分束部件，所述分束部件能將激光發射部件發出的所述激光脈沖分成能量較大的第一激光束及能量較小的第二激光束，第一激光束與第二激光束相互垂直，所述第一激光束穿過所述穿孔反射鏡中心的圓孔。

在一個優選實施方式中，所述回波探測單元還包括位于第二激光束的出光光路上的PIN型光電二極管；所述PIN型光電二極管用于接收所述第二激光束，并將所述第二激光束轉換為第二電信號。

在一個優選實施方式中，所述回波探測單元還包括位于所述穿孔反射鏡與所述望遠鏡設備之間的二維掃描件，所述第一激光束穿過穿孔反射鏡中心的圓孔后經所述二維掃描件反射后進入所述望遠鏡設備。

在一個優選實施方式中，所述二維掃描件為掃描振鏡，所述掃描振鏡的掃描量程為25mrad，掃描振鏡的直徑介于20-30mm之間。

在一個優選實施方式中，所述數據處理單元包括時間相關單光子計數器、處理器及掃描控制器；