用于视场扩展和小目标识别的精细扫描控制方法和系统

技术领域

本发明属于激光成像技术领域，具体涉及一种用于视场扩展和小目标识别的精细扫描控制方法和系统。

背景技术

激光成像技术是三维成像技术的主要发展方向，传统成像技术由于探测灵敏度、动态范围等限制，已无法满足对微弱目标光学识别的应用需求。近几十年，量子技术的蓬勃发展为突破传统技术探测极限提供了新的技术手段，其中基于量子技术诞生的单光子成像技术具有单光子灵敏度和皮秒时间分辨率，打破了传统激光成像系统只能通过增大激光功率和望远镜口径来提高探测信号强度、信噪比和探测距离的技术禁锢。单光子成像技术具有单光子量级极限探测灵敏度，能够实现极微弱光学信号感知。其优越的性能和广阔的应用前景受到了世界各国的广泛关注。

然而，当成像距离拓展到一定程度，成像视场会受到限制并且由于激光在传播过程中存在衰减，相对背景噪声而言，视场中小目标强度较弱，回波光信号容易被噪声所淹没。尽管可以通过扫描的方式拓展视场，也可以通过增加激光器的输出功率来提升回波光强，但小目标信号依旧难以识别、成像分辨率无法得到提高，所以远距离小目标成像仍然是一个极具挑战的技术难题，也是一个急需发展的重要技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种用于视场扩展和小目标识别的精细扫描控制方法和系统，由此来解决传统单光子成像系统因远距离探测带来的视场扩展限制以及视场中对小目标物体识别时存在成像分辨率低的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种用于视场扩展和小目标识别的精细扫描控制方法，包括以下步骤：

S1，单片机控制搭载光路单元的云台移动面向目标物体方位，所述光路单元包括望远镜、振镜、带孔反射镜、耦合装置、激光器、偏振分光棱镜；所述单片机向激光器发送脉冲触发信号，控制激光器发射激光，经过收发同轴光路照射到目标物体，回波信号原路返回，通过带孔反射镜反射进入耦合装置，单光子探测器对耦合装置中的回波信号进行探测；

S2，时间相关单光子计数(TCSPC)系统采集光子计数信号，通过处理器计算光子飞行时间从而得到目标物体的距离，然后将距离信号发送给单片机；

S3，单片机得到距离信号后对望远镜进行变焦确定目标物体图像信息，采用精细扫描方式计算得到振镜和云台的扫描步数和步长；然后，单片机控制振镜和云台以蛇形扫描的方式实现两阶精细扫描；

S4，经过两阶精细扫描后，处理器获得目标物体的三维信息，用点云三维重建方法对目标物体三维信息进行处理和拼接，实现目标物体的成像。

进一步地，步骤S3中，所述对望远镜进行变焦的具体操作为：单片机得到距离后通过控制步进电机驱动器，进而驱动变焦装置对望远镜进行变焦，获得目标物体分辨率高于预设像素阈值的观测图像。

进一步地，步骤S3中，所述采用精细扫描方式计算得到振镜和两轴云台的扫描步数和步长，具体过程如下：

云台步长＝θ；

其中，d为单像素视场大小，L为目标物体距离，θ为振镜的最大偏振角度，V表示DAC模块最大输出电压，N为成像像素大小。由此可以看出，随着距离和单像素大小的变化，可以得到MEMS振镜和云台不同扫描步长和步数，从而获得超分辨的目标物体图像。

进一步地，步骤S3中，所述DAC控制模块，用于输出两路正负模拟电压控制振镜运动；所述DAC控制模块包括芯片和基准电压电路；单片机通过SPI给DAC控制模块的芯片发送电压信号，然后DAC模块输出模拟电压给振镜控制其运动。

进一步地，步骤S3中，所述单片机控制振镜和云台以蛇形扫描的方式实现两阶精细扫描的具体操作为：

第一阶段，单片机首先控制振镜按照计算得到的振镜步长和振镜步数进行蛇形扫描，每改变一次模拟电压值，单片机输出一个pixel脉冲同步信号，当扫描完一行时单片机输出一个line脉冲同步信号，直至蛇形扫描完一个子图；

第二阶段，当第一阶段扫描完一个子图，单片机输出一个frame脉冲同步信号后，单片机控制云台按照计算得到的云台步长和云台步数进行蛇形扫描，转向下一个子图，重复第一阶段的操作，直至完成所有云台步数，实现大视场扫描。振镜和云台在单片机的控制下，保证了系统的超分辨成像效果，得到了更清晰的视场，实现了系统大视场的精细扫描。

本发明还提供了一种用于视场扩展和小目标识别的精细扫描控制系统，包括云台、光路单元、控制单元、单光子探测器、时间相关单光子计数系统；

所述云台，用于转动所述光路单元，拓展成像范围，实现大视场扫描成像；

所述光路单元，用于在激光器发射脉冲激光后，调整脉冲激光的光束指向，然后向目标成像区域发射脉冲激光，当脉冲激光照射到目标物体后反射回波光信号；所述光路单元收集目标回波光信号，并且滤除杂散光及噪声，再将滤波后的回波光信号进行汇集耦合进入单光子探测器；所述光路单元改变脉冲激光的指向实现对目标物体的逐点扫描；

所述单光子探测器，用于探测耦合装置耦合到光纤的目标回波信号，并将接收的回波信号处理为光子计数信号；

所述控制单元，用于采集光子计数信号，并根据光子计数信号获取光子飞行时间计算得到目标物体的距离，通过距离调整望远镜焦距结合精细扫描方式计算得到扫描步长和步数，在未完成所述目标物体成像区域的大视场扫描时，继续调整所述激光脉冲的指向并给每个像素点同步信号，直到完成所述目标物体区域的大视场扫描，处理目标物体的扫描信息实现成像，显示成像结果；

所述时间相关单光子计数系统，用于接收光子计数信号，并在所述控制单元输出的同步信号作用下测量发射信号光子和返回信号光子的飞行时间，进而获得目标物体的距离。

进一步地，所述云台为两轴云台。

进一步地，所述光路单元包括望远镜、振镜、带孔反射镜、耦合装置、偏振分光棱镜、激光器；

所述望远镜，用于收集激光器照射到目标物体反射回来的回波信号，然后通过收发同轴光路进入到耦合装置引导至所述单光子探测器中；

所述振镜，用于改变激光器发射激光的方向，实现对目标物体的扫描；

所述耦合装置，用于将收集到的回波信号耦合进入单光子探测器中；

所述带孔反射镜，用于收发同轴光路，并且改变光路的走向；

所述偏振分光棱镜，用于对激光脉冲偏振光透射；

所述激光器，用于接收激光触发信号并发射激光脉冲。

进一步地，所述控制单元包括DAC控制模块、振镜控制器、步进电机驱动器、变焦装置、处理器、单片机；

所述DAC控制模块，用于输出模拟电压控制所述振镜运动；

所述振镜控制器，用于接收DAC控制模块输出的模拟电压，驱动所述振镜运动；

所述步进电机驱动器，用于驱动步进电机运动；

所述变焦装置，通过步进电机运动实现对望远镜进行自动变焦；

所述处理器，用于处理时间相关单光子计数系统采集到的光子计数信息，计算得到目标物体的距离并且发送给所述单片机；还用于完成目标物体成像区域的扫描后，按照扫描逻辑结合归一化算法进行处理，实现目标物体的成像并且进行显示；

所述单片机，用于给所述激光器输出触发信号，同时给所述时间相关单光子计数系统输出同步信号；还用于根据计算得到目标物体的距离，对望远镜进行变焦确定目标物体位置并结合精细扫描方式计算得到所述振镜和云台的扫描步数和步长，控制振镜和云台实现对目标物体的大视场两阶精细扫描。

进一步地，所述变焦装置通过步进电机运动带动齿轮从而实现对望远镜变焦。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过对目标物体进行测距结合精细扫描方式自动计算得到扫描步数和步长，实现对目标物体的超分辨成像；

(2)本发明使用高精度两轴云台和振镜作为扫描单元，通过高精度两轴云台和振镜的控制，实现对远距离目标物体的大视场三维扫描成像；

(3)本发明通过调整望远镜焦距实现远距离小目标的高信噪比成像，有利于图像识别。

附图说明

图1为本发明具体实施例提供的一种用于视场扩展和小目标识别的精细扫描控制系统的工作原理示意图；

图2为本发明具体实施例提供的一种用于视场扩展和小目标识别的精细扫描控制系统的电子学控制系统方案；

图3为本发明具体实施例提供的一种用于视场扩展和小目标识别的精细扫描控制方法的流程图。

图中：1NUC处理器；2MCU单片机；3TCSPC系统；4变焦装置；5步进电机驱动器；6振镜控制器；7DAC控制模块；8单光子探测器；9两轴云台；10偏振分光棱镜；11激光器；12带孔反射镜；13耦合装置；14MEMS振镜；15望远镜；16目标物体。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明基于精细扫描控制技术设计了一套用于视场扩展和小目标识别系统，能够在良好大气条件下实现对远距离小目标物体的超分辨成像。

图1是本发明实施例中一种基于精细扫描控制技术的用于视场扩展和小目标识别系统的工作原理示意图，由图可知主要包括的器件有：NUC处理器1、MCU单片机2、TCSPC系统3、变焦装置4、步进电机驱动器5、振镜控制器6、DAC控制模块7、单光子探测器8、两轴云台9、偏振分光棱镜10、激光器11、带孔反射镜12、耦合装置13、MEMS振镜14、望远镜15、目标物体16。

在本发明实施例中，各个部件的连接关系及作用分别如下：MCU单片机2输出触发信号给激光器11发射脉冲激光，激光脉冲通过偏振分光棱镜10穿过带孔反射镜12，光束在MEMS振镜14反射通过望远镜15照射在目标物体14；反射后的回波信号原路返回，通过带孔反射镜12反射后进入耦合装置13，将回波信号耦合进入光纤连接单光子探测器8。单光子探测器8将回波信号处理为光子计数信号，TCSPC系统3采集光子计数信号，NUC处理器1通过TCSPC系统3得到光子飞行时间计算得到目标物体16的距离，然后传输给MCU单片机2，MCU单片机2根据距离控制步进电机驱动器5使得变焦装置4对望远镜15进行变焦并结合精细扫描方式计算得到MEMS振镜14和高精度两轴云台9的步长和步数，MCU单片机2控制MEMS振镜14和高精度两轴云台实现超分辨大视场扫描，NUC处理器1获得目标物体16的三维信息，用点云三维重建方法对目标物体三维信息进行处理和拼接，实现目标物体的超分辨、大视场成像。

本发明实施例中采用MCU单片机和NUC处理器来控制系统，以NUC处理器为主控，MCU单片机作为辅助控制，对系统进行控制，实现视场中对小目标物体超分辨成像。

本发明实施例中光路单元采用收发同轴的设计，收发的偏转角度可以保持一致，在时间上也可以保证严格的同步并满足了高速扫描需要，且不存在视差的问题，能够在不调节收发光轴的条件下实现不同距离下的高效率成像。

本发明实施例中，采用波长为905nm的脉冲激光器11。

本发明实施例中，单光子探测器8波长探测范围为400～1060nm，暗计数为50cps。

本发明实施例中，TCSPC系统3时间分辨率为16ps，单元最大计数值为65535。

本发明实施例中，MEMS振镜14的单个维度最小转动角度为0.5urad，扫描量程为10mrad。

本发明实施例中，高精度两轴云台9精度为0.01°，水平旋转角度为0～360°，俯仰旋转角度为-90°～90°。

本发明实施例中，DAC控制模块输出电压的精度为1mv，并且可以输出±10V的模拟电压信号。

图2为本发明具体实施例系统提供的一种电子学控制系统方案，由图可知电子学控制系统主要由两个部分组成，首先是MCU单片机，MCU单片机用RS485控制高精度两轴云台、用SPI控制DAC模块给振镜控制器电压信号控制实现目标视场的大视场扫描，用PWM控制步进电机驱动器使得变焦装置对望远镜进行变焦，并且输出同步信号到激光器和TCSPC系统对目标物体扫描过程进行标记，同时通过USART与NUC处理器进行通信；而NUC处理器主要通过USART发送同步信号到MCU单片机，并且通过USB3.0接收TCSPC系统记录的光子计数信息，按照扫描逻辑结合归一化算法进行处理，实现目标物体的成像并且进行显示。其中，DAC控制模块用来输出两路正负10V模拟电压来控制振镜运动，DAC控制模块主要有DAC8830IDR芯片和基准电压电路；MCU单片机通过SPI连接DAC8830IDR芯片，单片机通过SPI给DAC8830IDR芯片发送电压信号，然后DAC模块输出模拟电压给MEMS振镜使其运动。

在完成一次扫描成像过程中的控制流程如图3所示。首先对单光子探测器和TCSPC系统初始化，然后继续对云台和MEMS振镜进行初始化，初始化完成后MCU单片机向激光器发送脉冲触发信号，探测到回波信号后NUC处理器计算飞行时间得到距离，根据距离对望远镜进行变焦控制，以获得视场中目标物体分辨率高于预设像素阈值的观测图像，本实施例的预设像素阈值为8×8，MCU单片机控制云台指向目标物体；通过距离和单像素大小计算得到MEMS振镜扫描步长和步数，输入成像像素大小结合MEMS振镜扫描步长和步数计算得到云台扫描步长和步数；MCU单片机控制MEMS振镜指向第一个子图的第一个像素点，然后开始扫描，MCU单片机发送振镜X轴控制信息并输出pixel脉冲信号，TCSPC系统是否收到line脉冲信号，如果没收到line脉冲信号，继续执行上一步操作，如果收到了line脉冲信号，MCU单片机发送振镜Y轴控制信号并输出pixel脉冲信号，TCSPC系统是否收到frame脉冲信号，如果没收到frame脉冲信号，则继续执行上一步操作，如果收到frame脉冲信号，MCU单片机控制云台指向下一个子图方向，然后判断是否为最后一个子图，如果不是，则继续进行子图扫描，如果是，NUC根据归一化算法处理数据，并将子图按照扫描顺序拼合成大图，实现目标物体成像并且进行显示，结束扫描成像。

本实施例所述MEMS振镜通过MCU单片机控制按照蛇形扫描的方式对目标物体子视场进行精扫描，以此实现对精细视场的扫描，所述高精度两轴云台通过MCU单片机控制按照蛇形扫描的方式对目标物体大视场进行粗扫描，用来拓展扫描视场，两者通过所述MCU单片机控制，在保持目标物体精细特征的同时实现大视场扫描。

本发明旨在解决传统单光子成像系统因远距离探测带来的视场扩展限制以及视场中对小目标物体识别时存在成像分辨率低的问题。本发明根据距离调整望远镜焦距获得小目标物体信息结合精细扫描方式计算扫描步长和步数，采用两阶精细视场扫描提高了系统的分辨率，并实现对远距离小目标物体的超分辨成像，对应急救援、侦查预警等领域有着重要的意义。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/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。

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。