基于盖革apd阵列的高精度三维成像装置及其使用方法
【专利摘要】基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置及其使用方法，三维成像装置光轴的前方，依次设有发射物镜、分光镜、干涉滤光片；三维成像装置光轴的后方设有光纤束、盖革APD阵列和控制系统单元，该盖革APD阵列的输出接系统控制单元；分光镜的侧方设有高频激光器。本发明通过光纤芯径与物镜焦距之间的匹配实现高精度图像分辨率，避免由于盖革APD阵列像元较大引起图像质量降低。同时，通过光纤束将多个小规模盖革APD阵列耦合到一起，实现凝视三维成像，避免小规模盖革APD阵列扫描成像引起的成像频率低的缺陷。盖革APD阵列的每个像元探测面积比较大，通过调整光纤束中的光纤间隔可以保证微透镜阵焦平面与盖革APD阵列的完善匹配。
【专利说明】基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于盖革Aro阵列的高精度三维成像装置，属于光学测量【技术领域】。本发明受到国家自然科学基金《盖革Aro阵列用于大气波前分层探测的可行性研究》资助。项目批准号:11273040。
【背景技术】
[0002]三维成像技术在国土资源普查、地图绘制、工业自动化、航空及反导等领域有着广泛的应用。目前较为常见的有两种:一种是采用CCD获取平面图像，同时对具有不同特征的区域采用高度计进行距离测量，通过后期图像处理得到被测目标三维图像。另外一种是采用高频激光器，通过卵形或者线性扫描的方法对目标激光测距，获得被测目标三维图像。这两种方法能够实现目标的三维成像，但是在成像速度和精度方面存在一定的局限性。
[0003]随着半导体技术的快速发展，工作在盖革模式下的雪崩光电二极管阵列(盖革APD阵列)已经能够满足工业化应用条件，基于盖革APD阵列光子计数成像技术也得到快速发展。美国国防部和美国空军从20世纪90年代开始资助麻省理工学院林肯实验室进行适用于弹道导弹防御的三维激光成像技术研究，该项技术的核心就是基于盖革APD阵列的光子计数成像技术。从目前公布的资料来看，林肯实验室研制的Gen-1II三维成像激光雷达采用了 32X32像元的盖革APD阵列，通过物镜扫描方法成像(Richard M.Marino, TimothyStephens, Robert E.Hatch,et al.A compact3D imaging laser radar system usingGeiger-mode APD arrays: system and measurements)。从样机参数可以看出，由于米用 了物镜扫描成像的方法，其分图像辨率和帧频都比较低。
[0004]由于在半导体制造技术上相对落后，加上西方国家的禁运等限制，我们还无法制造大规模的盖革APD阵列器件，所以国内在三维扫描成像方面还停留在CXD图像+高度模型合成的模式。如我国的探月卫星一婦娥一号所描绘的月球表面照片，就是由CCD立体相机获取的影像数据，经三线阵数字摄影测量处理制作而成的，其精度为:空间分辨率为500米，平面中误差192米，高程中误差120米。
[0005]本 申请人:在中国第201310222592.7号发明专利申请中公开了一种高频三维夏克哈特曼波前测量装置及其测量方法，其波前测量装置的结构是，由微透镜阵与光纤束组成夏克哈特曼波前测量装置，其特征在于，该夏克哈特曼波前测量装置光轴的前方，依次设有高频激光器、分光镜、准直镜与干涉滤光片；该夏克哈特曼波前测量装置光轴的后方设有盖革雪崩光电二极管阵列和系统控制单元，该盖革雪崩光电二极管阵列的输出接系统控制单
J Li ο
[0006]随着国外盖革APD阵列光子计数成像技术的快速发展，国内已经有部分研究机构开展该领域的研究工作(吴丽娟等，盖革模式APD阵列激光雷达的三维成像仿真；寇松峰，APD光子计数成像研究；李琦等，基于盖革模式APD阵列的单脉冲3D激光雷达原理和技术)。这些研究侧重于对盖革APD阵列光子计数成像原理的仿真研究，还没有涉及实用型的测量装置出现。
【发明内容】
[0007] 本发明的内容在于,本发明公开了一种基于盖革雪崩光电二极管阵列(盖革APD阵列)的高精度三维扫描成像装置及其使用方法。本发明采用盖革APD阵列作为探测核心，通过光子计数反演的方法实现对被测目标位置信息测量，利用盖革APD阵列的高频和高灵敏特性，使得测量装置具有测量间隔短、单次测量精度高等特点，并能通过高频次测量获得目标的运动信息。该装置采用光子计数反演和时间相关的方法实现了高频、动态的三维图像获取，时间响应特性可以达到ns量级，测量灵敏度可以达到单光子量级。本发明还将提供这种高精度三维成像装置的探测方法。
[0008]完成上述发明任务的技术方案是，一种基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置，其特征在于，该三维成像装置光轴的前方，依次设有发射物镜、分光镜(也称分光棱镜)、干涉滤光片；该三维成像装置光轴的后方设有光纤束、盖革APD阵列和控制系统单元，该盖革APD阵列的输出接系统控制单元；所述分光镜的侧方设有高频激光器。
[0009]其中，发射/接收物镜用于将高频激光器发射的激光束散角压缩至合适角度发射，并将漫反射回来的激光光子汇聚到焦平面上。高频激光器用于产生高频激光脉冲，经发射物镜(压缩后)照射到被测目标。分光镜用于将发射光路和接收光路重合到一起，并通过棱镜表面散射，为计时脉冲提供开门信号。干涉滤光片用于选通回波信号，滤除外界漫反射的杂散光，其带宽为±5nm。光纤束用于将汇聚到焦平面上的光子传输至盖革AH)阵列感光面上，并保持其位置信息不被改变。盖革APD阵列用于接收入射光子信息，并按照门控周期将探测到的光子信息以数字矩阵的方式传输到控制单元进行数字积分和反演成像计算。
[0010]所述高频激光器产生的激光发射点与发射物镜后焦点共轭，通过分光棱镜实现发射光路与接收光路的重合。
[0011]采用光纤束将焦平面图像输至盖革APD阵列，在盖革APD阵列一端进行耦合成像，实现了多个小规模盖革APD阵列的光纤耦合实现全幅三维画面的获取。成像装置在焦平面上采用全幅光纤束，通过标定和校正消除光纤束产生的畸变，避免了物镜扫描带来的误差，保证了画面内目标之间精确的相对位置关系。
[0012]所述光纤束在接收物镜焦平面一侧紧密排列，其光纤间隔对应于图像最小分辨率(张角，单位角秒):
【权利要求】
1.一种基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置，其特征在于，该三维成像装置光轴的前方，依次设有发射物镜、分光镜、干涉滤光片；该三维成像装置光轴的后方设有光纤束、盖革APD阵列和控制系统单元，该盖革APD阵列的输出接系统控制单元；所述分光镜的侧方设有高频激光器。
2.根据权利要求1所述的基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置，其特征在于，所述光纤束在接收物镜焦平面一侧紧密排列，其光纤间隔对应于图像最小分辨率:
3.根据权利要求1或2所述的基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置，其特征在于，所述的光纤束在盖革APD阵列一侧以一定的距离排列，两根光纤之间的距离与盖革APD阵列面元间隔一致；所述光纤束端面到盖革雪崩光电二极管阵列之间的间隔为:
4.权利要求1所述的基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置的测量方法，其特征在于，步骤如下: ⑴.所述系统控制单元发出激光发射指令给高频激光器，同时开始计数； ⑵.高频激光器接到发射指令后发射激光脉冲，照射到被测目标； (3).被测目标反射回来的光束经发射透镜汇聚，分光镜反射，在与发射光轴成90°方向形成焦点； (4).经过分光镜反射的汇聚光束经过窄带滤光片聚焦在光纤面板上； (5).聚焦在光纤面板上的光束经光纤传输至盖革雪崩光电二极管阵列接收； (6).盖革雪崩光电二极管阵列经过信号处理得到连续的光子流信息；并传输给控制单元 (7).控制单元对光子流进行计数和反演，得到微透镜焦点光斑的位置和时间特性； (8).控制单元将光斑位置、时间特性信息与标准信息进行比较，根据光强分布算法计算出被测目标的光强分布特性。其中标准信息包含了光纤束制造误差、盖革APD阵列响应特性误差等系统误差，该信息通过系统标定得到。
5.根据权利要求4所述的基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置的测量方法，其特征在于，步骤(5)与步骤(6)中，所述的盖革AH)管阵列是通过数字积分的方法实现高频图像获取；所述的数字积分方法，是采用门控方法对入射光子流信息进行采样，通过对多个门控周期内采样得到的入射光子信息矩阵进行重组和反演处理，得到包含位置信息和时间信息的目标图像。
6.根据权利要求4所述的基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置的测量方法，其特征在于，步骤(7)中所述控制单元对光子流进行计数和反演的方法是，基于盖革APD阵列的光子计数反演成像方法:采用门控工作模式的盖革雪崩光电二极管阵列作为探测核心，通过相关的光子计数反演方法，得到被测目标的图像；高频激光经过被测目标反射后，其光子并非均匀分布，而是按照一定的概率入射到盖革APD阵列的探测区域；通过泊松变换可以得到多个门控周期的光子计数概率分布:
7.根据权利要求4-6之一所述的基于盖革APD阵列的高精度三维成像装置的测量方法，其特征在于，步骤⑶的操作是:通过激光发射与接收的时间相关性建立目标图像序列与时间轴之间的联系，实现三维测量信息获取；根据激光发射的时间相关性，建立物函数灰度图像的三维序列:
I (X，y, t) = fch(x, y)g(t)； 采用光纤束将微透镜阵所成的点阵列图像输至盖革APD阵列的特征在于，采用圆锥形光纤束将微透镜阵焦平面与盖革APD阵列探测区域匹配。
【文档编号】G01B11/24GK103994719SQ201410239874
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】寇松峰, 顾伯忠, 王国民, 姜翔, 叶宇, 徐进, 任玉斌 申请人:中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所