基于非参考调制的单光子全息激光雷达系统及成像方法

本发明涉及全息与单光子激光雷达成像，尤其涉及一种基于非参考调制的单光子全息激光雷达系统及成像方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、单光子激光雷达基于单光子探测和时间相关单光子计数技术实现三维测距，能够在极低光子数条件下记录光子到达时间，具备单光子灵敏度高、时间分辨率高和远距离探测能力强等特点。但常规单光子激光雷达主要利用回波强度和飞行时间信息进行深度恢复，难以直接获得目标光场的相位信息，因而其在细微形貌、表面微结构和高精度三维重构方面受限。

3、全息成像能够记录或重构光场的振幅与相位信息，利用相位信息实现目标波长量级的三维形貌重构。全息成像技术逐步从定性显示发展为定量计算，现有基于干涉解调的定量重构技术依赖双臂结构引入参考光进行相移求解，但环境振动、空气湍流或温度漂移均会在两臂间引入相位扰动，导致重构精度下降，例如目前提出的共路干涉结构通过棋盘格交错编码或内外区域划分方法均仍需引入参考光，而且其占用光场调制器件的像素资源，不可避免地限制了成像的有效视场以及分辨率。

技术实现思路

1、为了解决现有全息成像干涉解调方式中环境扰动敏感、成像视场和分辨率损失、限制光源强度和相干长度等影响重构精度，且难以直接与单光子激光雷达结合实现高精度三维重构的问题，本发明提供了一种基于非参考调制的单光子全息激光雷达系统及成像方法，通过设计复数空间调制图案对目标光场进行波前编码，以傅里叶频谱面的零频分量作为单像素测量信号，在不构建独立参考光路的情况下重构目标光场的复振幅，并利用时间相关单光子计数获取目标回波的飞行时间信息，实现复振幅信息与时间信息的联合测量，实现目标复振幅重构和跨尺度高精度三维形貌信息的获取。

2、第一方面，本发明提供了一种基于非参考调制的单光子全息激光雷达系统，包括：

3、光源模块，用于发射脉冲探测光束照射待测目标，并发射同步光束以生成同步信号；

4、成像模块，用于将待测目标反射的回波光场成像至光场调控模块；

5、光场调控模块，包括空间光调制器，用于加载扫描图案以及复数非参考调制图案，对回波光场进行振幅、相位或振幅-相位联合调制；

6、探测模块，用于采集调制后光场的傅里叶零频单光子信号，同步获取零频单光子计数值与光子到达时间直方图；

7、控制模块，用于控制扫描图案与复数非参考调制图案的加载以及单光子信号的时序同步采集，根据零频单光子计数值反演并重构目标光场复振幅，再结合光子到达时间直方图进行融合计算，输出目标三维形貌。

8、进一步的技术方案，所述光源模块包括脉冲激光器、窄带滤光片、分束器、衰减片、半波片、物镜、针孔以及准直透镜；所述脉冲激光器输出激光经窄带滤光片后入射至分束器，将分束器将光束分为同步光束与探测光束，所述同步光束入射至线性探测器，经线性探测器生成时间相关单光子计数器的开始信号；所述探测光束依次经衰减片、半波片、物镜、针孔、准直透镜，输出平行脉冲探测光束照射待测目标；其中，半波片用于调节入射光偏振方向，使入射光偏振方向匹配空间光调制器的工作偏振方向。

9、进一步的技术方案，所述成像模块包括由两个透镜组成的4f成像系统，用于将目标区域的振幅和相位信息成像至空间光调制器的调制表面；所述光场调控模块还包括俯仰台，所述俯仰台用于调节空间光调制器的俯仰角度，使调制后光场与系统光轴保持一致。

10、进一步的技术方案，所述探测模块包括傅里叶变换透镜、光纤跳线、三维位移台、单光子探测器以及时间相关单光子计数器；其中，光纤跳线固定在三维位移台上，用于对准收集频谱面的零频分量并传输至单光子探测器；

11、调制后的光场经过傅里叶变换透镜完成傅里叶变换，在频谱面形成各阶空间频率分量，经光纤跳线耦合收集零频分量后传输至单光子探测器，单光子探测器输出的光子事件信号接入时间相关单光子计数器的停止端口以生成停止信号；同时，时间相关单光子计数器根据接收光源模块输出的同步光束对应的开始信号，记录光子到达时间直方图以及零频单光子计数值。

12、进一步的技术方案，所述控制模块分别与光源模块、光场调控模块、探测模块电性连接，包括：

13、图案生成模块，用于根据目标区域采样参数，生成扫描图案和多帧复数非参考调制图案；

14、调制器驱动模块，用于向空间光调制器逐帧下发扫描图案以及复数非参考调制图案；

15、时序同步模块，用于输出同步触发信号，在空间光调制器加载每帧图案并达到稳态后，触发探测模块执行信号采集；

16、单光子采集模块，用于配置采集参数，记录图案编号、光子计数值、光子到达时间直方图以及系统状态参数；

17、飞行时间重构模块，用于根据扫描图案对应的光子到达时间直方图提取光子飞行时间，计算得到目标的飞行时间深度；

18、复振幅重构模块，用于根据不同复数非参考调制图案对应的零频单光子计数值反演目标光场的复振幅分布，分离得到目标光场的振幅信息与相位信息；

19、三维信息融合模块，用于以飞行时间深度作为相位展开的先验约束，对目标光场的相位信息进行相位展开得到相位深度，并将飞行时间深度与相位深度进行融合，输出目标跨尺度三维形貌。

20、进一步的技术方案，所述复振幅重构模块中，根据不同复数非参考调制图案对应的零频单光子计数值反演目标光场的复振幅分布，分离得到目标光场的振幅信息与相位信息，包括：

21、构造多帧复数非参考调制图案，为：选取hadamard基、傅里叶基、dct基或者随机正交基中的一种或者多种作为编码基底，形成一组编码图样；对于同一个编码基底，保持基底的空间分布不变，配置q个不同的复数调制状态，通过改变等效振幅、相位参数，得到同一基底对应的多组复数结构化照明图样，其中q≥2，，m为编码图像编号；

22、将全部m个编码基底及其对应的q个复数调制状态所对应的复数结构化照明图样进行向量化，组装得到结构化照明矩阵，利用结构化照明矩阵的广义逆矩阵求解目标光场复振幅，为：

23、对傅里叶零频采集的多组零频单光子计数值进行预处理，提取同一基底下不同调制状态对应测量信号中包含的复数信息，获取结构化照明对应的零频复数响应向量；

24、基于结构化照明矩阵p的摩尔-彭若斯广义逆矩阵，按照矩阵运算求解得到目标光场的复振幅向量；

25、对复振幅向量取模得到目标振幅分布，取辐角得到目标的包裹相位分布。

26、第二方面，本发明提供了一种基于非参考调制的单光子全息激光雷达成像方法，应用于上述基于非参考调制的单光子全息激光雷达系统，包括以下步骤：

27、对系统进行初始化标定，确定初始化参数；

28、加载扫描图案，采集零频单光子计数值和光子到达时间直方图，计算得到目标的飞行时间深度并确定目标区域，根据目标区域的采样参数，生成多帧复数非参考调制图案；

29、逐帧加载非参考调制图案至空间光调制器，待每帧调制图案达到稳态后，采集对应调制图案下的零频单光子计数值和光子到达时间直方图；

30、结合初始化参数，对采集数据进行预处理，基于预处理后的零频单光子计数值，反演目标光场的复振幅分布，分离得到目标光场的振幅信息与相位信息；

31、以飞行时间深度作为相位展开的先验约束，对目标光场的相位信息进行相位展开得到相位深度，并将飞行时间深度与相位深度进行融合，输出目标跨尺度三维形貌。

32、进一步的技术方案，构造多帧复数非参考调制图案，包括：

33、选取hadamard基、傅里叶基、dct基或者随机正交基中的一种或者多种作为编码基底，形成一组编码图样；

34、对于同一个编码基底，保持基底的空间分布不变，配置q个不同的复数调制状态，通过改变等效振幅、相位参数，得到同一基底对应的多组复数结构化照明图样，其中q≥2，，m为编码图像编号；

35、根据空间光调制器的响应特性，将复数调制图案转换为振幅控制图案、相位控制图案或振幅-相位联合控制图案。

36、进一步的技术方案，采集零频单光子计数值和光子到达时间直方图，包括：

37、利用同步光束产生开始信号；

38、在扫描图像或非参考调制图案加载完成并达到稳态后，产生采集触发信号，并利用单光子探测器输出光子事件停止信号；

39、根据开始信号与停止信号的时间差生成光子到达时间直方图，并对预设时间窗内的光子事件进行积分，得到与当前调制图案对应的零频单光子计数值。

40、进一步的技术方案，将飞行时间深度与相位深度进行融合，输出目标跨尺度三维形貌，包括：

41、根据扫描图像对应的光子到达时间直方图的回波峰值确定飞行时间深度，记为粗略深度信息；

42、以飞行时间深度作为相位展开的周期匹配先验约束，对复振幅相位进行相位展开、相位偏置校正和空间连续性约束，得到相位深度，记为精细深度信息；

43、将相位深度匹配至飞行时间深度坐标系，输出目标的粗略深度、精细深度、振幅分布和相位分布。

44、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

45、本发明提供了一种基于非参考调制的单光子全息激光雷达系统及成像方法，采用非参考调制图案方式对目标光场进行波前编码，无需构建双臂结构或以牺牲分辨率和有效视场的方式构建独立干涉参考光路，避免了参考光路与物光路之间的环境扰动对测量结果的影响，提高了系统的稳定性和抗环境扰动能力，降低光源相干性要求以及光路搭建和调节的复杂度；通过非参考调制图案对目标光场进行空间采样，使用复振幅调制和单像素零频探测实现目标复振幅信息的获取，不依赖传统干涉测量中参考光与物光的空间分离，在不引入参考光占用成像区域的情况下，有利于保持系统的有效成像视场和空间分辨率；同时，本发明采用单光子探测方式对调制后的光信号进行探测，能够利用低光子数条件下的光子到达时间信息，在保持光场调制成像能力的同时拓展系统对弱光目标和远距离目标的探测能力；在此基础上，将全息探测与时间相关单光子计数相结合，在获取目标光场振幅、相位信息的同时，记录光子的到达时间信息，实现目标复振幅信息与飞行时间信息的联合测量，根据飞行时间进行粗略三维信息恢复，再结合复振幅相位进行波长量级的精细三维形貌恢复。

46、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。