基于单光子的非视域成像技术研究

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相比传统成像技术,非视域成像技术主要针对隐藏目标进行探测,具有能够绕过或者穿过遮挡物体对视域外目标进行成像的特点,在特殊需求的场合有着广泛的应用价值。在整个非视域成像过程中激光至少需要经过三次反射,造成回波光子的幅度和相位信息无法得到充分的保留,若要在信号中精确的区分出背景噪声、中介反射面信号和隐藏物体的有用散射信号,这对高分辨率探测器、激光器等提出了较高的要求。时间相关单光子计数(Time-Correlated Single-Photon Counting,TCSPC)是一种探测极弱光信号的探测的技术,使用时间-幅度转换器和模数转换器或时间-数字转换器对光子的飞行时间实现高精度测量。将非视域成像技术和单光子探测技术相结合,可显著提升探测灵敏度,从而允许使用低功率的半导体激光器进行远距离检测。本文将非视域成像技术和单光子探测技术相结合,设计了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的精准同步控制模块,搭建了基于单光子的非视域成像系统。本文主要研究内容如下:(1)搭建了一套基于单光子的非视域成像系统。系统主要由皮秒脉冲激光器、单光子探测器、分束立方体、二维振镜、四分之一波片、TCSPC模块、FPGA开发板构成。开发了基于FPGA的精准同步控制模块。光子脉冲的到达时间可以分为粗时间和细时间,其中粗时间由自主设计的FPGA模块获得,细时间为光子脉冲到达最近的激光脉冲的时间,由TCSPC测量获得。(2)针对基于单光子的非视域成像,研究蒙特卡罗模拟和几何光线追踪法相结合的仿真技术,从光子计数的角度出发,通过双向散射分布函数和散射像函数对光子的运动轨迹进行追踪,利用光锥变换重建算法对仿真数据进行了重建,取得了较好的去噪效果,并进一步对比了光子个数,光子飞行距离、中介面特性等对成像精度的影响,解决高精度非视域成像系统建模的技术难题。(3)开展了反射率和深度成像性能标定实验研究,对不同反射率中介面、不同扫描时间和激光强度进行反射率和深度成像实验。针对图像重建采用了时间门控与光锥变换算法进行联合优化,实现了高灵敏度非视域单光子成像,并实现了分辨率高达128×128像素的反射率图和深度图的重建。最后还搭建基于压缩采样的非视域成像系统,采用数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device,DMD)代替机械扫描,并对其光子传输流程和实验结果进行分析,为非视域成像实现提供了更多可能性。
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