一种单光子三维成像装置的制作方法

1.本发明属于三维激光雷达成像探测领域，具体涉及一种基于单光子探测器阵列的三维成像装置。


背景技术：

2.飞行时间测量技术（tof，time-of-flight）广泛应用三维激光雷达成像系统（三维测绘系统）中。直接tof测量法，即脉冲激光光源向测量场景或目标发射激光脉冲，进而使用时间分辨的光电探测器测量场景或目标反射激光脉冲回波的到达时间。并根据每个像素测量的回波到达时间计算场景中目标对应点的距离。
3.为了获取更高的探测灵敏度和作用距离，三维成像探测系统使用单光子雪崩二极管阵列（spad）探测器逐步替代普通的探测器阵列。spad，也被称作盖革模式雪崩二极管阵列，能够捕捉单个光子，并具有极高的时间分辨率（几十皮秒）。为了实现有效探测，在spad外围集成处理电路，与其中的每个像元相耦合。外围处理电路主要包含门控发生器和存储器，其中门控发生器用于为像元设置不同的门控开启时间与门控持续间隔，而存储器用于记录每个采集周期内光子在像元上入射的时间。
4.为了完成快速的三维成像，会使用衍射光学元件（doe）将脉冲激光分成多束激光同时照射场景或目标。每个光束与spad上的若干个像元向耦合，即spad上n
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n个像素用来接收同一个光束的回波。
5.spad虽然能够较大的提升三维成像系统的极限探测能力，但是由于探测器灵敏度的提高，对噪声光子的响应次数也会相应提高，因此部分未接收目标回波的像元也可能产生光子响应事件。为了避免噪声的影响，在以往的方法中针对每一束发射光，会读取固定区域像元的光子响应结果进行统计平均后输出回波光子数统计和目标距离值，而因为目标远近距离的不同引起的视差，同一束光的回波照亮的像元区域大小会发生变化，位置会发生平移。
6.如果设定像元区域覆盖视差变化的范围，则在较近距离的探测中目标回波实际照亮区域较小的时候，会因噪声像素的问题引发目标回波光子数和距离统计不准确的问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于视差自校正技术的单光子三维成像装置，旨在解决单光子三维成像对不同距离目标的成像过程中，因目标距离不一引发视差导致目标回波光子数和距离统计不准确的问题。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种单光子三维成像装置，主要由激光发射系统和回波接收系统以及窗口组成；所述的激光发射系统包括脉冲激光光源、准直光学系统和衍射光学元件；所述的回波接收系统包括spad阵列、窄带滤光片、宽带滤光片和接收光学系统，spad阵列配备了外围控制电路，用于驱动spad对目标回波光子进行统计与输出；脉冲激光光源发射激光脉冲束，经过准直光学系统进行光束准直后入射到衍射光
学元件中分成激光光束后入射到成像场景中，激光脉冲传输到成像场景中的目标后反射激光回波，经接收光学系统收集后再经过宽带滤光片和窄带滤光片进行杂散光抑制后投影到spad阵列靶面上，每束激光打到目标后的激光回波投影光斑分别落到不同的像元集合上。
9.所述的一种单光子三维成像装置，用于读取spad阵列的测量结果的控制电路包括寻址电路、综合控制电路、模拟前端电路、选择逻辑电路、时间数字转换电路、直方图生成电路和读出电路；综合控制电路对控制电路中的寻址电路、模拟前端电路、选择逻辑电路、时间数字转换电路、直方图生成电路和读出电路进行控制；综合控制电路通过控制寻址电路对spad阵列中的单个spad像元进行控制，形成不同的像元集合，并控制模拟前端电路单个spad像元的门控，并读取单个spad像元的光子响应事件，选择逻辑电路根据综合控制电路形成的不同像元集合选择性的将像元集合范围中的光子响应事件传输到时间数字转换电路中计算每个光子事件的时间信息；进而直方图生成电路根据综合控制电路形成的不同像元集合，将多个周期内时间数字转换电路中计算获得每个光子事件的时间信息进行统计与计算，获取像元集合内每个像元光子事件总计数值与光子事件时间平均值；最终经过读出电路输出直方图生成电路计算获得的每个像元集合的光子事件总计数值与光子事件时间平均值，最终可通过光子事件时间平均值计算出目标距离。
10.所述的一种单光子三维成像装置，其激光发射系统和回波接收系统为旁轴安置，且激光发射系统和回波接收系统的光轴平行。
11.所述的一种单光子三维成像装置，其脉冲激光光源的发射波长为905nm，脉宽不大于5ns，人眼安全，使用衍射光学元件向目标成像场景中目标发射64束激光脉冲，使用32
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32像元的spad阵列传感器用于接收目标成像场景中目标的回波光信号。
12.所述的一种单光子三维成像装置，其准直光学系统为伽利略望远镜，准直后激光光束发散角优于0.2mrad。
13.所述的一种单光子三维成像装置，其spad阵列为硅基盖革apd阵列，分辨率32
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32，所述的窄带滤光片中心波长为905nm，带宽不大于1nm，透过率优于90%。
14.所述的一种单光子三维成像装置，其宽带滤光片截止波长1100nm，透过率优于95%，所述的接收光学系统接收视场角优于0.3mrad。
15.所述的一种单光子三维成像装置，其时间数字转换电路的时间分辨率为5ns。
16.本发明控制电路将spad阵列上的像元根据与发射激光光束的对应关系进行分区域控制，每个区域对应一束激光光束。控制电路处理每个区域像元的响应事件，并进行统计，并根据计算的目标距离进行区域自校正。最终将自校正区域中像元响应事件进行统计，输出单束激光探测目标的回波光子数信息与距离信息。
17.通过本发明所构思的技术方案，与现有技术相比，使用了控制电路对spad上的像元进行分区控制，并针对分区探测的结果进行区域自校正，能够消除目标因远近不同的视差效应引起的目标回波光子数和距离统计不准确的问题，从而在保证目标回波完全统计的情况下，有效减小噪声影响，从而获取更加准确的目标距离与回波光子数信息。
附图说明
18.图1是本发明成像装置的系统框图；图2是本发明激光光束回波光斑与spad像元对应关系示意图；
图3 是本发明spad阵列的外围控制电路组成示意图；图4 是本发明视差自校正方法示意图。
19.各附图标记为：10—激光发射系统，11—回波接收系统，12—窗口，13—近距离目标，14—远距离目标，20—脉冲激光光源，21—准直光学系统，22—衍射光学元件，30—spad阵列，31—窄带滤光片，32—宽带滤光片，33—接收光学系统，40—单个spad像元，41—激光回波投影光斑，42、61、62—像元集合，50—寻址电路，51—综合控制电路，52—模拟前端电路，53—选择逻辑电路，54—时间数字转换电路，55—直方图生成电路，56—读出电路，60—搜索区域， 63—近距离目标回波光斑，64—远距离目标回波光斑。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.本发明实施例中所述的一种单光子三维成像装置如图1所示，主要由激光发射系统10和回波接收系统11，以及窗口12组成。
23.其中激光发射系统10中包含脉冲激光光源20，准直光学系统21和衍射光学元件22（doe）。而回波接收系统11中则包含了spad阵列30，窄带滤光片31，宽带滤光片32和接收光学系统33。spad阵列30外围设计由控制电路如图3所示。其中控制电路包括寻址电路50，综合控制电路51，模拟前端电路52，选择逻辑电路53，时间数字转换电路54，直方图生成电路55和读出电路56。
24.本发明实施例中，激光发射系统10中的脉冲激光光源20向发射激光脉冲束，经过准直光学系统21进行光束准直后入射到doe中分成64束激光光束后入射到成像场景中，激光脉冲传输到场景中的目标（例如近距离目标13，远距离目标14）后反射激光回波经接收光学系统33收集后再经过宽带滤光片32和窄带滤光片31进行杂散光抑制后投影到spad阵列30靶面上。投影结果示意图如图2所示，每束激光打到目标后的激光回波投影光斑41分别落到不同的像元集合42上。
25.spad阵列30外围的控制电路用于读取spad阵列30的测量结果。其中综合控制电路51对控制电路中的寻址电路50，模拟前端电路52，选择逻辑电路53，时间数字转换电路54，直方图生成电路55和读出电路56进行控制。
26.综合控制电路51通过控制寻址电路50来对spad阵列30中的每个spad像元40进行控制，形成不同的像元集合42。并控制模拟前端电路52单个spad像元40的门控，并读取单个spad像元40的光子响应事件，选择逻辑电路53根据综合控制电路51形成的不同像元集合42，选择性的将像元集合42范围中的光子响应事件传输到时间数字转换电路54中计算每个光子事件的时间信息。进而直方图生成电路55根据综合控制电路51形成的不同像元集合42，将多个周期内时间数字转换电路54中计算获得每个光子事件的时间信息进行统计与计算，获取像元集合42内每个像元光子事件总计数值与光子事件时间平均值。最终经过读出电路56输出直方图生成电路55计算获得的每个像元集合42的光子事件总计数值与光子事件时间平均值，最终可通过光子事件时间平均值计算出目标距离。
27.本发明实施例中所述的脉冲激光光源20的发射波长为905nm，脉宽不大于5ns，人眼安全。
28.本发明实施例中准直光学系统21为伽利略望远镜，准直后激光光束发散角优于0.2mrad。
29.本发明实施例中衍射光学元件22（doe）将入射激光光束分成64束，透过率优于95%。使用衍射光学元件22向目标成像场景中目标发射64束激光脉冲，使用32
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32像元的spad阵列30传感器用于接收目标成像场景中目标的回波光信号。
30.本发明实施例中接收光学系统33，接收视场角优于0.3mrad。
31.本发明实施例中宽带滤光片32，截止波长1100nm，透过率优于95%。
32.本发明实施例中窄带滤光片31，中心波长为905nm，带宽不大于1nm，透过率优于90%。
33.本发明实施例中spad阵列30为硅基盖革apd阵列，分辨率32
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32。
34.本发明实施例中激光发射系统10和回波接收系统11为旁轴安置，激光发射系统10与回波接收系统11的光轴平行。
35.本发明实施例中所述的时间数字转换电路54的时间分辨率为5ns。
36.本发明实施例中所述的视差自校正方法如图4所示。由于激光发射系统10和回波接收系统11的旁轴安置方式，同一束光入射的目标当距离三维成像装置距离不同时，激光回波投影光斑41投影到spad阵列30上的区域会发生平移变化，同时投影区域的大小也会发生变化。
37.如图4所示，近距离目标回波光斑63覆盖了16个像元，而远距离目标回波光斑64则仅覆盖了4个像元。同时中心位置相隔了5个像元。如果按传统的直接读取方法，则要求读取范围能够覆盖最近距离目标回波光斑和最远距离回波光斑所投射的全部区域。这样一来在进行回波光子数统计时，会有大量的空闲像元参与统计。而因为spad阵列灵敏度极高，空闲单元可能因为噪声响应而产生于目标无关的光子响应事件，同时spad阵列还存在暗计数噪声，这些噪声响应事件参与统计会直接影响目标回波光子的统计结果。
38.本发明实施例中所述的视差自校正方法首先使用较大的搜索区域60进行预搜索，搜索范围覆盖最近距离目标回波光斑和最远距离回波光斑所投射的全部区域。经过前几个周期的成像探测之后，根据数字转换电路54中计算搜索区域60内所有像元光子事件的时间信息结果，进行神经网络聚类。神经网络聚类算法通过所有像元光子事件的时间的关联信息，确定最优的像元集合61～62。例如选取像元集合61适配近距离目标回波光斑63，选取像元集合62适配远距离目标回波光斑64。在确定最优的像元集合后，设备重复采集过程获取准确的目标回波光子计数与目标距离信息。
39.通过本发明实施例中的视差自校正方法，可以在提取目标的过程中有效的设定最优像元集合适配不同距离目标的回波光信号采集，避免过多的空闲像元对噪声的响应与暗计数参与到最终目标回波光信号的光子计数统计与距离计算中，有效提升了目标距离测量精度。
40.需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
41.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。