本發(fā)明涉及激光成像技術(shù)，具體涉及非視域的三維成像技術(shù)。

背景技術(shù)：

激光成像技術(shù)具有橫向分辨率高、測距誤差小、成像速度快、體積重量小等優(yōu)點，因而被廣泛地應(yīng)用于民用和軍用領(lǐng)域中，用于直接獲取目標(biāo)的強(qiáng)度信息和三維距離信息，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的識別。隨著器件技術(shù)的發(fā)展，特別是高靈敏度、高時間分辨率的單光子探測器的出現(xiàn)，激光成像技術(shù)不僅僅局限于對常規(guī)目標(biāo)的探測，還被應(yīng)用于一些特殊條件或特殊環(huán)境下目標(biāo)的探測和識別，特別是對非視域場景中目標(biāo)的成像正越來越受到人們的關(guān)注。

所謂的非視域場景是指由于障礙物如房屋墻壁、建筑拐角、門窗玻璃等的遮擋，使得目標(biāo)物處于人眼直視視場或成像設(shè)備的探測視場之外，現(xiàn)有成像手段無法直接觀測的場景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)無法對非視域場景進(jìn)行成像的問題，從而提供一種掃描式光子計數(shù)非視域三維成像裝置及方法。

本發(fā)明所述的一種掃描式光子計數(shù)非視域三維成像裝置，包括脈沖激光器、光束整形系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)、單光子探測器、時間相關(guān)單光子計數(shù)器、計算機(jī)；

脈沖激光器發(fā)射激光并給時間相關(guān)單光子計數(shù)器一個時間信號，脈沖激光器出射的激光經(jīng)光束整形系統(tǒng)整形后入射至墻體，墻體散射的激光經(jīng)目標(biāo)反射后再次入射至墻體，接收光學(xué)系統(tǒng)接收墻體返回的激光，該激光入射至單光子探測器，單光子探測器的輸出端與時間相關(guān)單光子計數(shù)器的輸入端連接，時間相關(guān)單光子計數(shù)器的輸出端與計算機(jī)相連；脈沖激光器和單光子探測器不斷進(jìn)行掃描。

優(yōu)選的是，還包括濾光片，濾光片位于墻體與單光子探測器之間的光路中。

濾光片對雜散光進(jìn)行濾除，提高了測量精度。

優(yōu)選的是，還包括第一轉(zhuǎn)臺和第二轉(zhuǎn)臺，脈沖激光器和單光子探測器分別固定在第一轉(zhuǎn)臺和第二轉(zhuǎn)臺上，實現(xiàn)掃描。

優(yōu)選的是，還包括兩套振鏡掃描系統(tǒng)，兩套振鏡掃描系統(tǒng)分別使脈沖激光器和單光子探測器實現(xiàn)掃描。

本發(fā)明所述的一種掃描式光子計數(shù)非視域三維成像方法，該方法包括以下步驟：

脈沖激光器發(fā)射激光并給時間相關(guān)單光子計數(shù)器一個時間信號；

采用光束整形系統(tǒng)對脈沖激光器發(fā)射的激光進(jìn)行整形；

整形后的激光入射至墻體，墻體散射的激光經(jīng)目標(biāo)反射后再次入射至墻體；

接收光學(xué)系統(tǒng)接收墻體返回的激光，并使接收光學(xué)系統(tǒng)的像方視場與單光子探測器的視場相同；

時間相關(guān)單光子計數(shù)器計算入射至單光子探測器的光子從脈沖激光器出發(fā)到回到單光子探測器的光子飛行時間，得到時間光子計數(shù)圖；

脈沖激光器和單光子探測器不斷進(jìn)行掃描，

得到多幅時間光子計數(shù)圖；

計算機(jī)根據(jù)多幅時間光子計數(shù)圖對目標(biāo)的三維圖像進(jìn)行重構(gòu)，得到三維圖像。

優(yōu)選的是，還包括采用濾光片對墻體返回的激光進(jìn)行過濾的步驟。

優(yōu)選的是，計算機(jī)根據(jù)多幅時間光子計數(shù)圖對目標(biāo)的三維圖像進(jìn)行重構(gòu)，得到三維圖像，具體包括以下步驟：

反投影：

建立模型，脈沖激光器位于L點，單光子探測器位于D點，脈沖激光器出射的激光入射于墻上的點為源點，S_j第j個源點，單光子探測器對應(yīng)墻體上的一點，這一點為像點，I_i為第i個像點；

將每一幅時間光子圖反投影到三維空間中，時間光子計數(shù)圖中每個時刻的值都對應(yīng)三維空間中的一個橢球面，該橢球面以源點和像點為焦點，目標(biāo)的一點的空間坐標(biāo)(x,y,z)滿足下式：

||(x,y,z)-S_j||+||(x,y,z)-I_i||＝ct_ijk-||L-S_j||-||D-I_i||

其中，c為光速，t_ijk為第j個源點、第i個像點、第k個時間通道的光子飛行時間；

所有橢球面在空間中交疊求和，形成一幅置信值圖V(x,y,z)；

濾波處理：

采用拉普拉斯濾波器進(jìn)行濾波，得到濾波置信圖V_f(x,y,z)

取閾處理：

對濾波置信圖V_f(x,y,z)進(jìn)行取閾處理，剔除低于閾值的值，得到目標(biāo)的三維圖像；

閾值為βmax(V_f(x,y,z))，0＜β＜1。

本發(fā)明采用高性能的成像設(shè)備，可以從周圍的場景如墻壁、地面等物體上間接獲取非視域目標(biāo)的回波信號，利用回波信號對非視域目標(biāo)進(jìn)行三維重構(gòu)。本發(fā)明的探測器是單元型的，需要配合光束掃描裝置對大的視場進(jìn)行逐點測量，可以選擇性進(jìn)行點采樣，大大提高系統(tǒng)的靈活性。非視域成像技術(shù)有很好的發(fā)展前景，將來可被廣泛地應(yīng)用于戰(zhàn)場監(jiān)視、城市交通、搜索營救、反恐偵察、地震救災(zāi)、歷史考古、醫(yī)學(xué)診療等領(lǐng)域。

本發(fā)明適用于對非視域目標(biāo)進(jìn)行三維成像。

附圖說明

圖1是的背景技術(shù)的非視域場景的結(jié)構(gòu)示意圖；

A1為遮擋物，A2為墻體，A3為目標(biāo)；

圖2是具體實施方式一所述的一種掃描式光子計數(shù)非視域三維成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是具體實施方式一中的采用振鏡掃描系統(tǒng)實現(xiàn)掃描的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是具體實施方式三中的成像原理圖；

B為橢球面，C為空間坐標(biāo)點。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖2和圖3具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種掃描式光子計數(shù)非視域三維成像裝置，包括脈沖激光器1、光束整形系統(tǒng)2、接收光學(xué)系統(tǒng)3、單光子探測器5、時間相關(guān)單光子計數(shù)器6、計算機(jī)7；

脈沖激光器1發(fā)射激光并給時間相關(guān)單光子計數(shù)器6一個時間信號，脈沖激光器1出射的激光經(jīng)光束整形系統(tǒng)2整形后入射至墻體，墻體散射的激光經(jīng)目標(biāo)反射后再次入射至墻體，接收光學(xué)系統(tǒng)3接收墻體返回的激光，該激光入射至單光子探測器5，單光子探測器5的輸出端與時間相關(guān)單光子計數(shù)器6的輸入端連接，時間相關(guān)單光子計數(shù)器6的輸出端與計算機(jī)7相連；脈沖激光器1和單光子探測器5不斷進(jìn)行掃描。

脈沖激光器1和單光子探測器5不斷進(jìn)行掃描，通過改變源點和像點得到多幅時間光子計數(shù)圖。例如，脈沖激光器1出射的光在某一時間段不掃描，通過單光子探測器5掃描改變像點得到多幅時間光子計數(shù)圖，脈沖激光器1入射至另一源點，通過單光子探測器5掃描改變像點得到多幅時間光子計數(shù)圖，如此重復(fù)。

本實施方式的裝置能夠測量光從脈沖激光器出來后經(jīng)多次散射回到單光子探測器所形成的信號波形(不同時刻的光子數(shù))。為了獲得足夠高的時間分辨率，要求發(fā)射光脈沖的寬度小于幾百皮秒，單光子探測器的響應(yīng)時間也要小于幾百皮秒。

具體實施方式二：基于具體實施方式一所述的一種無掃描式光子計數(shù)非視域三維成像裝置的成像方法，該方法包括以下步驟：

脈沖激光器1發(fā)射激光并給時間相關(guān)單光子計數(shù)器6一個時間信號；

采用光束整形系統(tǒng)2對脈沖激光器1發(fā)射的激光進(jìn)行整形；

整形后的激光入射至墻體，墻體散射的激光經(jīng)目標(biāo)反射后再次入射至墻體；

接收光學(xué)系統(tǒng)3接收墻體返回的激光，并使接收光學(xué)系統(tǒng)3的像方視場與單光子探測器5的視場相同；

時間相關(guān)單光子計數(shù)器6計算入射至單光子探測器5的光子從脈沖激光器1出發(fā)到回到單光子探測器5的光子飛行時間，得到時間光子計數(shù)圖；

脈沖激光器1和單光子探測器5不斷進(jìn)行掃描，

得到多幅時間光子計數(shù)圖；

計算機(jī)7根據(jù)多幅時間光子計數(shù)圖對目標(biāo)的三維圖像進(jìn)行重構(gòu)，得到三維圖像。

具體實施方式三：結(jié)合圖4具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式二所述的一種掃描式光子計數(shù)非視域三維成像方法作進(jìn)一步說明，本實施方式中，

計算機(jī)7根據(jù)多幅時間光子計數(shù)圖對目標(biāo)的三維圖像進(jìn)行重構(gòu)，得到三維圖像，具體包括以下步驟：

反投影：

建立模型，脈沖激光器1位于L點，單光子探測器5位于D點，脈沖激光器1出射的激光入射于墻上的點為源點，S_j第j個源點，單光子探測器5對應(yīng)墻體上的一點，這一點為像點，I_i為第i個像點；

將每一幅時間光子圖反投影到三維空間中，時間光子計數(shù)圖中每個時刻的值都對應(yīng)三維空間中的一個橢球面，該橢球面以源點和像點為焦點，目標(biāo)的一點的空間坐標(biāo)(x,y,z)滿足下式：

||(x,y,z)-S_j||+||(x,y,z)-I_i||＝ct_ijk-||L-S_j||-||D-I_i||

其中，c為光速，t_ijk為第j個源點、第i個像點、第k個時間通道的光子飛行時間；所有橢球面在空間中交疊求和，形成一幅置信值圖V(x,y,z)；

濾波處理：

采用拉普拉斯濾波器進(jìn)行濾波，得到濾波置信圖V_f(x,y,z)

取閾處理：

對濾波置信圖V_f(x,y,z)進(jìn)行取閾處理，剔除低于閾值的值，得到目標(biāo)的三維圖像；

閾值為βmax(V_f(x,y,z))，0＜β＜1。

如圖4所示，目標(biāo)隱藏于遮擋物之后，使得激光器和探測器都無法直接照射和探測到。脈沖激光器1處于位置點L處。從脈沖激光器1出射的光脈沖作用下照射于墻上的S點。光在這一點被散射，因而這一點可認(rèn)為一個源點。從這一點散射的光照亮整個目標(biāo)，照射到目標(biāo)上的光再次被反射并且返回到墻體上。通過掃描，可以將單光子探測器5的視場指向墻體上的某一點I_i，這一點稱為像點，于是單光子探測器可以將目標(biāo)散射到像點的所有光子全部探測到。單光子探測器的位置點為D。時間相關(guān)單光子計數(shù)器可以將每個光子從脈沖激光器1出發(fā)到回到單光子探測器5的光子飛行時間測出來，通過對大量光子的測量，對每一對源點和像點，都可以獲取到一幅光子計數(shù)隨飛行時間變化的波形圖，稱其為時間光子計數(shù)圖N(S_j,I_i,t)。通過變換不同的源點和像點，我們可以獲得多個時間光子計數(shù)圖。而目標(biāo)三維圖像的重構(gòu)正是借助于這多幅時間光子計數(shù)圖。

對目標(biāo)的三維圖像進(jìn)行重構(gòu)包括反投影、濾波處理、取閾處理三個步驟。反投影的主要作用是將每一幅時間光子圖反投影到三維空間中，時間光子計數(shù)圖中個時間通道的值都對應(yīng)三維空間中的一個橢球面V_ijk(x,y,z)，這個橢球面以源點和像點為焦點，目標(biāo)的一點的空間坐標(biāo)(x,y,z)滿足下式：

||(x,y,z)-S_j||+||(x,y,z)-I_i||＝ct_ijk-||L-S_j||-||D-I_i|| (1)

其中，c為光速，t_ijk為第j個源點、第i個像點、第k個時間通道的光子飛行時間；

所有橢球面在空間中交疊求和，形成一幅置信值圖V(x,y,z)，置信值圖中每一點的值都代表了目標(biāo)出現(xiàn)在這一點上的概率，概率大的地方就代表目標(biāo)的位置。當(dāng)然置信圖中沒有目標(biāo)出現(xiàn)的位置，其值也不為零，我們稱之為偽跡(假目標(biāo))，為了消除偽跡，必要的濾波和取閾處理是必需的。采用拉普拉斯濾波器進(jìn)行濾波，

經(jīng)過濾波處理之后，置信值圖中目標(biāo)的形狀邊界被銳化，偽跡被很好的弱化。這幅圖被稱為濾波置信圖。再通過對該圖進(jìn)行取閾處理，閾值為

βmax(V_f(x,y,z)) (3)。

經(jīng)過取閾處理之后，大部分偽跡和噪聲被進(jìn)一步消除，目標(biāo)的三維形狀被重建出來。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。

雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，這些實施例僅僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是，可以對示例性的實施例進(jìn)行許多修改，并且可以設(shè)計出其他的布置，只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是，可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。