【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及成像，尤其涉及一種基于單光子識別的水下成像相機。
技術介紹
1、海洋富含海洋生物、海底礦產、海水化學等資源，是人類賴以發(fā)展的資源寶庫。水下信息的獲取是水下資源勘測、海洋科學研究和水下軍事監(jiān)測的關鍵。現(xiàn)在常規(guī)的水下目標探測系統(tǒng)在應用上都存在一定缺陷。聲納探測系統(tǒng)，水聲信號干擾大、損耗高、不穩(wěn)定，分辨率較低，難以識別水雷、漁網(wǎng)等小目標，且對近距離目標探測存在一定盲區(qū)；微波探測技術，受海流和風速影響較大。自上世紀60年代，科學家發(fā)現(xiàn)海水中存在470-580nm的光學窗口后，水下激光探測技術快速發(fā)展。
2、目前，水下激光探測技術大多基于距離選通原理，照明光源通常采用高能量低重頻納秒激光器，探測器通常采用門控型iccd(intensified?charge?coupled?device，增強型電荷耦合器件)。nd:yag和nd:yvo4激光器常被作為照明光源，優(yōu)點是性能穩(wěn)定、輸出功率高，單脈沖能量高，但體積龐大，而且功耗大、質量重、成本高，使得最終水下成像系統(tǒng)不能做到小型化，嚴重限制了機載、星載以及便攜性式應用；iccd探測器的探測靈敏度一般在十幾個光子，對弱信號成像的信噪比差。
技術實現(xiàn)思路
1、本專利技術實施例提供一種基于單光子識別的水下成像相機，門控單光子相機配合激光器和光電探測器，實現(xiàn)目標回波信號的高效捕捉；采用門控單光子相機，實現(xiàn)二維單光子計數(shù)成像，提高圖像信噪比和空間分辨率；采用高重頻532nm納秒脈沖激光器，減小體積的占用，實現(xiàn)小型化。
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3、激光器組件，用以發(fā)射激光脈沖，包括擴束器、分束器、激光器和激光控制器；所述擴束器、所述分束器和所述激光器依次同光軸設置組成發(fā)射光路；所述分束器將所述激光器發(fā)射的激光脈沖分成沿發(fā)射光路發(fā)射的照明激光脈沖和與發(fā)射光路呈一定夾角的觸發(fā)激光脈沖；所述擴束器，用以擴大所述照明激光的直徑，并輸出均勻的照明激光脈沖；
4、門控相機組件，用以捕捉照明激光脈沖照射到目標物后反射回來的回波信號，并將獲取的圖像輸出，包括門控單光子相機、濾光片和成像鏡頭，所述門控單光子相機、所述濾光片和所述成像鏡頭依次同光軸設置組成接收光路；所述接收光路與所述發(fā)射光路平行設置；
5、光電探測器，用以接收所述觸發(fā)激光脈沖，并輸出電信號給所述門控單光子相機，所述光電探測器設置于所述分束器的一側且與所述門控單光子相機電性連接；
6、接收到拍攝信號成像時，所述激光器發(fā)射激光脈沖，所述照明激光脈沖照射所述目標物，經(jīng)過第二延遲時間t2照射到所述目標物后反射回來的回波信號到達所述門控單光子相機；所述激光器發(fā)射激光脈沖的同時所述光電探測器接收所述觸發(fā)激光脈沖，經(jīng)過第一延遲時間t1發(fā)送電信號給所述門控單光子相機作為觸發(fā)輸入信號；所述門控單光子相機接收到觸發(fā)輸入信號后觸發(fā)相機探測器曝光，經(jīng)過第三延遲時間t3開啟所述門控單光子相機門控，使得所述門控單光子相機處于選通開啟狀態(tài)；調整第三延遲時間t3，使得所述門控單光子相機在所述門控單光子相機接收到觸發(fā)輸入信號與所述目標物反射的回波信號到達所述門控單光子相機之間的時間段開啟門控；所述相機探測器在所述門控單光子相機處于選通開啟狀態(tài)時獲取圖像并發(fā)送圖像。
7、優(yōu)選地，通過所述門控單光子相機中可設定的延遲時間tset，調整第三延遲時間t3，使得所述目標物反射的回波信號到達所述門控單光子相機時，所述門控單光子相機門控開啟；即滿足以下公式：
8、t2＝t1+t3
9、t3＝text+tset
10、其中，t1為第一延遲時間，由光電探測器的性能決定，為固定值；t2為第二延遲時間；t3為第三延遲時間；text為外觸發(fā)延遲時間，為固定值；tset為所述門控單光子相機中可設定的延遲時間。
11、優(yōu)選地，還包括計算機，所述計算機連接所述門控單光子相機和所述激光器，所述計算機發(fā)送拍攝信號，所述計算機獲取所述門控單光子相機輸出的圖像并進行圖像處理。
12、優(yōu)選地，所述激光器發(fā)射的激光脈沖、所述目標物反射回來的回波信號、發(fā)送給所述門控單光子相機的觸發(fā)輸入信號以及所述門控單光子相機的門控選通信號具有相同的頻率。
13、優(yōu)選地，所述相機探測器曝光信號的頻率小于門控選通信號的頻率，門控選通信號的脈寬δt5遠小于所述相機探測器曝光信號的脈寬δt4，所述相機探測器以片上積分的方式在單幀曝光時間內累加多個門控選通信號形成一幅圖像輸出。
14、優(yōu)選地，所述門控單光子相機具有單光子計數(shù)模式，所述單光子計數(shù)模式用于單光子量級的弱信號采集，所述門控單光子相機在單光子計數(shù)模式時，將拍攝的每一幀圖像通過光子識別算法識別圖像中的所有由單光子信號形成的彌散亮斑，并確定單光子信號所屬的像素位置，同時濾除彌散亮斑外的其余單像素亮點；通過多幀圖像累加，將所有圖像對應像素位置的單光子數(shù)進行累加計數(shù)，以累加的單光子數(shù)的數(shù)值代表對應像素位置的灰度值形成灰度圖像。
15、優(yōu)選地，所述激光器為高重頻532nm納秒激光器；所述濾光片為532nm窄帶濾光片，所述濾光片的帶寬小于5nm。
16、優(yōu)選地，所述門控單光子相機和所述成像鏡頭之間通過轉接圈連接，所述濾光片設置于所述轉接圈中。
17、優(yōu)選地，還包括外殼，所述外殼包括殼體、前面板和后面板；所述殼體呈圓柱狀，所述前面板和所述后面板分別設置于所述殼體的兩端封閉所述殼體；所述激光器組件、所述門控相機組件和所述光電探測器均設置于所述殼體內。
18、優(yōu)選地，所述前面板上設置有光窗，所述光窗為兩個，所述擴束器和所述成像鏡頭平行設置于靠近前面板的一端且分別對應所述光窗設置；所述后面板上設置有電源開關和電源接口。
19、與現(xiàn)有技術相比，本專利技術實施例的技術方案具有有益效果。
20、例如，本專利技術提供的基于單光子識別的水下成像相機，包括激光器組件、門控相機組件和光電探測器，激光器組件包括擴束器、分束器、激光器和激光控制器；分束器將激光器發(fā)射的激光脈沖分成沿發(fā)射光路發(fā)射的照明激光脈沖和與發(fā)射光路呈一定夾角的觸發(fā)激光脈沖；門控相機組件，包括門控單光子相機、濾光片和成像鏡頭，門控單光子相機、濾光片和成像鏡頭依次同光軸設置組成的接收光路；光電探測器，接收觸發(fā)激光脈沖，并輸出電信號給門控單光子相機；通過光電探測器采用光觸發(fā)方式觸發(fā)相機，與通過激光器觸發(fā)相機的方式相比該觸發(fā)方式時序更穩(wěn)定；通過控制門控單光子相機的門控選通開啟的延時時間，使得所述門控單光子相機在目標物反射的回波信號即將到達或正好到達門控單光子相機的時間段開啟門控，獲取圖像，排除其他時刻的干擾信號，實現(xiàn)目標物的選通成像。
21、又例如，采用門控單光子相機，具有高增益、高靈敏度特性，借助光子識別算法，可以實現(xiàn)二維單光子計數(shù)成像，并提高圖像信噪比和空間分辨率。
22、又例如，采用高重頻532nm納秒脈沖激光器，實現(xiàn)小型化，減小體積的占用；采用緊湊設計本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
1.一種基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權利要求1所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，通過所述門控單光子相機中可設定的延遲時間tset，調整第三延遲時間t3，使得所述目標物反射的回波信號到達所述門控單光子相機時，所述門控單光子相機門控開啟；即滿足以下公式：
3.根據(jù)權利要求1所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，還包括計算機，所述計算機連接所述門控單光子相機和所述激光器，所述計算機發(fā)送拍攝信號，所述計算機獲取所述門控的單光子相機輸出的圖像并進行圖像處理。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，所述激光器發(fā)射的激光脈沖、所述目標物反射回來的回波信號、發(fā)送給所述門控單光子相機的觸發(fā)輸入信號以及所述門控單光子相機的門控選通信號具有相同的頻率。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，所述相機探測器曝光信號的頻率小于門控選通信號的頻率，門控選通信號的脈寬ΔT5遠小于所述相機探測器曝光信號的脈寬ΔT4，所述相機探測器以片上積分的方式在單幀曝光
6.根據(jù)權利要求5所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，所述門控單光子相機具有單光子計數(shù)模式，所述單光子計數(shù)模式用于單光子量級的弱信號采集，所述門控單光子相機在單光子計數(shù)模式時，將拍攝的每一幀圖像通過光子識別算法識別圖像中的所有由單光子信號形成的彌散亮斑，并確定單光子信號所屬的像素位置，同時濾除彌散亮斑外的其余單像素亮點；通過多幀圖像累加，將所有圖像對應像素位置的單光子數(shù)進行累加計數(shù)，以累加的單光子數(shù)的數(shù)值代表對應像素位置的灰度值形成灰度圖像。
7.根據(jù)權利要求1所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，所述激光器為高重頻532nm納秒激光器；所述濾光片為532nm窄帶濾光片，所述濾光片的帶寬小于5nm。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，所述門控單光子相機和所述成像鏡頭之間通過轉接圈連接，所述濾光片設置于所述轉接圈中。
9.根據(jù)權利要求1所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，還包括外殼，所述外殼包括殼體、前面板和后面板；所述殼體呈圓柱狀，所述前面板和所述后面板分別設置于所述殼體的兩端封閉所述殼體；所述激光器組件、所述門控相機組件和所述光電探測器均設置于所述殼體內。
10.根據(jù)權利要求9所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，所述前面板上設置有光窗，所述光窗為兩個，所述擴束器和所述成像鏡頭平行設置于靠近前面板的一端且分別對應所述光窗設置；所述后面板上設置有電源開關和電源接口。
...【技術特征摘要】
1.一種基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權利要求1所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，通過所述門控單光子相機中可設定的延遲時間tset，調整第三延遲時間t3，使得所述目標物反射的回波信號到達所述門控單光子相機時，所述門控單光子相機門控開啟；即滿足以下公式：
3.根據(jù)權利要求1所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，還包括計算機，所述計算機連接所述門控單光子相機和所述激光器，所述計算機發(fā)送拍攝信號，所述計算機獲取所述門控的單光子相機輸出的圖像并進行圖像處理。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，所述激光器發(fā)射的激光脈沖、所述目標物反射回來的回波信號、發(fā)送給所述門控單光子相機的觸發(fā)輸入信號以及所述門控單光子相機的門控選通信號具有相同的頻率。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，所述相機探測器曝光信號的頻率小于門控選通信號的頻率，門控選通信號的脈寬δt5遠小于所述相機探測器曝光信號的脈寬δt4，所述相機探測器以片上積分的方式在單幀曝光時間內累加多個門控選通信號形成一幅圖像輸出。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于單光子識別的水下成像相機，其特征在于，所述門控單光子相機具有單光子計數(shù)模式，所述單光子計數(shù)模式用于單...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：朱飛，金鵬程，黑小兵，周強，
申請(專利權)人：中智科儀北京科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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