[发明专利]一种基于光子标记的首光子激光成像系统

说明书

一种基于单光子标记的首光子激光成像系统，包括光子编码系统、1×N激光器阵列(2)，光路折转元件(3)、二维扫描装置(4)、望远镜光学系统(5)、光束聚焦元件(6)、光子解码系统(7)、1×N单光子探测器阵列(8)、多通道时间相关单光子计数系统(9)及控制与数据采集系统(10)。本发明装置采用光子标记与高重频首光子成像算法，能够克服现有首光子激光成像系统脉冲重复频率受限难以提升的问题，提高首光子激光成像系统数据采集的速度，缩短首光子激光成像时间。

技术领域

本发明属于光学成像技术领域和光子计数激光成像技术领域，涉及一种能够快速成像的首光子激光成像系统。

背景技术

传统的激光雷达采用线性探测体制，激光回波脉冲中包含数千个光子，依靠较高的信噪比将回波信号从背景噪声中检出，这种高的激光发射能量限制了激光重复频率、数据采样率以及最大作用距离。为了解决这个问题，激光雷达正朝着低发射能量、高重频、高灵敏度探测的方向发展，目前最常见的是光子计数激光三维成像技术，以美国NASA、MIT林肯实验室为代表，采用高重频、低能量激光发射机和高灵敏度的单光子探测器，将线性探测体制下包含大量光子的回波波形探测转换为针对单个回波光子事件的“计数”，充分应用了回波信号中的能量。但是，为了将信号从背景噪声和暗计数中提取出来，该系统需要利用多个光子事件累积方法，那么每个像素仍然要求累积数十个光子。

当前提出的首光子成像技术采用盖革模式单光子探测器，回波信号能量低于0.1个光子每脉冲，系统不再通过光子事件累积的方法成像，而是从探测器响应的首个光子的脉冲计数和延时时间中获取目标的反射率和高程信息，同时采用首光子成像算法剔除背景噪声的影响，将有望大大简化激光雷达系统，进一步降低系统对功耗、望远镜口径等的要求。但是，为了得到首个光子的准确时间信息，目前首光子成像技术要求激光器的重复频率f≤c/2s，其中c是光速，s是目标相对激光雷达的距离。一旦激光器的重复频率超过这个阈值，响应光子的时间信息有可能出现周期混叠，从而无法正确反演出目标的反射率信息和高程信息。并且，当前的首光子成像系统工作在极低的回波强度条件下，当探测器响应首个光子时，激光器需要发射多个脉冲，而重复频率的限制往往使得系统数据采集的时间延长，从而影响系统成像的时效性，不利于其对运动或变化的目标场景成像，在应用中具有很大的局限性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：能够克服现有首光子激光成像系统高重复频率条件下响应光子的时间信息出现周期混叠的不足，突破该系统脉冲重复频率受限的难题，提供一种能够在极低回波信号强度条件下快速成像的首光子激光成像系统。

本发明的技术解决方案是：一种基于光子标记的首光子激光成像系统，包括光子编码系统、1×N激光器阵列、光路折转元件、二维扫描装置、望远镜光学系统、光束聚焦元件、光子解码系统、1×N单光子探测器阵列、多通道时间相关单光子计数系统以及控制与数据采集系统；N为正整数；

所述的光子编码系统根据控制与数据采集系统的控制指令，利用开关电路控制1×N激光器阵列中各激光器中的激光二极管的驱动电源，使1×N激光器阵列中的N个激光器，在一个准周期T内，按照相等的时间间隔T/N，依次发射窄脉宽的带有标记的单光子脉冲；N个激光器发射的单光子脉冲通过合束，最后沿同一光路经折转镜、二维扫描装置向目标发射；目标反射回的回波光信号经望远镜光学系统、光束聚焦元件到达光子解码系统，光子解码系统将带有标记的单光子脉冲空间分离后，对应送至1×N单光子探测器阵列进行探测；1×N单光子探测器阵列将探测到的信号输出至多通道时间相关单光子计数系统和控制与数据采集系统，提取出带有标记的单光子脉冲的信息，之后通过高重频首光子成像算法对数据进行反演和去噪，最终显示目标的反射率图像和高程图像。

所述1×N单光子探测器阵列中每个单光子探测器工作在盖革模式。

所述的光子编码系统的编码形式为偏振编码或波长编码，所述的光子解码系统对于偏振编码的单光子脉冲采用偏振分束器进行分光，对于波长编码的单光子脉冲采用光栅分光。