CN112698346B - 非视域追踪*** - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种非视域追踪***，包括：信号源，用于产生触发信号；光学收发板，包括光学金属基板、光学发射模块和光学接收模块，其中，光学金属基板用于固定光学发射模块和光学接收模块，光学发射模块用于向中介物体发射激光信号，光学接收模块用于接收中介物体返回的漫反射激光信号，漫反射激光信号是由处于非视域的目标对象经过漫反射得到的信号；脉冲激光器，与光学发射模块连接，用于接收触发信号，并响应触发信号将激光信号传输至光学发射模块；单光子探测器，与光学接收模块连接，用于接收光学接收模块传输的漫反射激光信号，并产生探测信号传输给时间数字转换器；以及时间数字转换器，用于接收触发信号和探测信号，并记录时间信息。
Description
技术领域
本公开涉及激光雷达领域，更具体地，涉及一种非视域追踪***。
背景技术
非视域(Non-line-of-sight，NLOS)领域主要研究如何有效获取隐藏在视线以外的目标和场景的相关信息，更具体而言，如何对隐藏在视线以外的目标进行定位、追踪和成像。
2009年，来自麻省理工学院媒体实验室的研究人员在当年的国际计算机视觉会议上首次提出了非视域这一概念，并初步演示了对视域外目标进行捕捉的可能性。
现有技术例如Gariepy等人利用32x32个像素的可见光单光子探测(SPAD)阵列，实现了一套工作波段在800nm左右的非视域定位追踪***，然而32x32个像素的SPAD阵列会采集大量冗余信息，给数据的后处理以及采用的硬件带来一定压力，不利于进一步集成化和实时化；又如Chan等人利用三个单点SPAD搭建了一套非视域定位***，但由于该***面向的主要是远距离下的非视域场景，所以配有大型望远镜等重型器件，整体结构庞大，不具便携性，同时，该***需要依靠逐点扫描进行信号收集，不具备实时追踪的功能。
因此，在实现本发明的过程中发现，相关技术中的非视域定位追踪***的整体结构庞大，不具便携性，而且难以较好的实现实时追踪。
发明内容
有鉴于此，本公开提供了一种非视域追踪***。
根据本公开的实施例，非视域追踪***包括：信号源，用于产生触发信号；光学收发板，包括光学金属基板、光学发射模块和光学接收模块，其中，上述光学金属基板用于固定上述光学发射模块和上述光学接收模块，上述光学发射模块用于向中介物体发射激光信号，上述光学接收模块用于接收上述中介物体返回的漫反射激光信号，上述漫反射激光信号是由处于非视域的目标对象经过漫反射得到的信号；脉冲激光器，与上述光学发射模块连接，用于接收上述触发信号，并响应上述触发信号将激光信号传输至上述光学发射模块；单光子探测器，与上述光学接收模块连接，用于接收上述光学接收模块传输的漫反射激光信号，并产生探测信号传输给时间数字转换器；以及上述时间数字转换器，用于接收上述触发信号和上述探测信号，并记录时间信息。
根据本公开的实施例，上述信号源、上述光学收发板、上述脉冲激光器、上述单光子探测器和上述时间数字转换器集成在机箱中。
根据本公开的实施例，上述机箱安装在带有滑轮的支架上。
根据本公开的实施例，上述光学收发板包括至少两路光学接收模块。
根据本公开的实施例，每路上述光学接收模块包括：光学耦合模块和光学滤波模块。
根据本公开的实施例，上述光学收发板还包括指向调节机构，其中，上述指向调节机构与上述光学金属基板和上述光学发射模块、上述光学接收模块分别连接，用于调节上述光学发射模块的发射方向和上述光学接收模块的接收方向。
根据本公开的实施例，上述脉冲激光器包括：近红外脉冲激光器。
根据本公开的实施例，上述信号源和上述时间数字转换器集成在同一块电路板上。
根据本公开的实施例，上述单光子探测器包括：至少两通道的单光子探测器。
根据本公开的实施例，非视域追踪***还包括：信息处理装置，用于接收上述时间数字转换器的时间信息，并根据上述时间信息和上述中介物体的焦点位置信息计算得到上述目标对象的位置信息。
根据本公开的实施例，因为使用小型光学器件，并采用了合理的结构设计，所以至少部分地克服了非视域追踪***体积庞大、结构复杂的问题，进而达到了集成化、实用化的效果。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了典型非视域追踪场景示意图；
图2示意性示出了根据本公开的非视域追踪***示意图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的集成化的非视域追踪***的示意图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的非视域追踪***用于定位追踪场景的示意图；
图5示意性示出了根据本公开另一实施例的非视域追踪***的原型机***的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的***”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的***等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的***”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的***等)。
本公开的实施例提供了一种非视域追踪***，包括：信号源，用于产生触发信号；光学收发板，包括光学金属基板、光学发射模块和光学接收模块，其中，光学金属基板用于固定光学发射模块和光学接收模块，光学发射模块用于向中介物体发射激光信号，光学接收模块用于接收中介物体返回的漫反射激光信号，漫反射激光信号是由处于非视域的目标对象经过漫反射得到的信号；脉冲激光器，与光学发射模块连接，用于接收触发信号，并响应触发信号将激光信号传输至光学发射模块；单光子探测器，与光学接收模块连接，用于接收光学接收模块传输的漫反射激光信号，并产生探测信号传输给时间数字转换器；以及时间数字转换器，用于接收触发信号和探测信号，并记录时间信息。
图1示意性示出了典型非视域追踪场景示意图。
如图1所示，该应用场景包括中介物体101、目标对象102、障碍物103和追踪***104，其中，追踪***104包括发射端1041和接收端1042。由于障碍物103的遮挡，普通的定位追踪***无法直接对目标对象102进行定位追踪，无法直接获取其具体坐标信息r0(x0，y0，z0)。基于该应用场景，本公开的实施例中采用了如下方法：
首先，追踪***104的发射端1041发出激光信号，照射到中介物体101上的一点rl(xl，yl，0)。中介物体可以包括各种具有平面结构的物体，例如墙、金属板等。需要说明的是，本公开实施例所提供的中介物体并不限与此，也可以包括非平面结构的物体。
其后，激光脉冲在该点处发生漫反射并传播至目标对象102处；在目标对象102表面上，激光发生第二次漫反射并传播至中介物体101上的某点ri(xi，yi，0)处。
最后，携带物体信息的光子在该点ri处发生第三次漫反射并被追踪***104的探测端1042接收到。
对于每一个携带隐藏物体信息的光子，探测端1042将记录下光子从发射到接收的飞行时间ti，得到以下有关距离的等式：
R0+R1+R2+R3＝ti×c (一)
中介物体上的点rl与ri的坐标可以根据激光信号的角度信息进行计算获得，或通过辅助设备采用激光测距等方法标定获得，这些方法属于本领域技术人员熟知的方法，因此不再赘述。上述等式通过变形可以得到以下等式：
R1+R2＝ti×c-R0-R3 (二)
因此，可以得知的目标对象102位于以rl、ri为焦点，R1+R2为长轴的椭球面上。
根据三维空间中的欧式几何关系，空间中的一个三维点至少需要3个相交的面来确定，所以通过3组激光点rl与ri的坐标和对应的光子飞行时间ti，求得3个椭球面相交的区域，便可得到目标对象102的坐标位置。
图2示意性示出了根据本公开实施例的非视域追踪***的示意图。
如图2所示，该非视域追踪***包括信号源201、光学收发板202、脉冲激光器203、单光子探测器204和时间数字转换器205。
信号源201，用于产生触发信号，信号源201可以是任何可以产生稳定、可控信号的装置，例如包括但不限于函数信号发生器等。
光学收发板202，包括光学金属基板2021、光学发射模块2022和光学接收模块2023，其中，光学金属基板2021用于固定光学发射模块2022和光学接收模块2023，光学发射模块2022用于向中介物体101发射激光信号，光学接收模块2023用于接收中介物体101返回的漫反射激光信号，漫反射激光信号是由处于非视域的目标对象102经过漫反射得到的信号。光学发射模块2022和光学接收模块2023由具有光束准直耦合功能的器件构成，例如包括但不限于准直器、透镜组等。光学发射模块2022和脉冲激光器203之间、以及光学接收模块2023和单光子探测器204之间的光信号是借由光传导特性良好的介质，例如包括但不限于光纤等进行传输的。
脉冲激光器203，与光学发射模块2022连接，用于接收触发信号，并响应触发信号将激光信号传输至光学发射模块2022。脉冲激光器203可以是任意工作波段的激光发生器，包括近红外激光脉冲器等。
单光子探测器204，与光学接收模块2023连接，用于接收光学接收模块2023传输的漫反射激光信号，并产生探测信号传输给时间数字转换器205。单光子脉冲器204是工作在脉冲激光器203工作波段的、高灵敏度的器件，例如InGaAs单光子雪崩二极管等。
时间数字转换器205，用于接收触发信号和探测信号，并记录时间信息。
根据本公开的实施例，因为使用小型光学器件，并采用了合理的结构设计，所以至少部分地克服了非视域追踪***体积庞大、结构复杂的问题，进而达到了集成化、实用化的效果。
图3示意性示出了根据本公开实施例的集成化的非视域追踪***的示意图。
如图3所示，根据本公开实施例的集成化的非视域追踪***，时间控制与测量电路板301集成了信号源201和时间数字转换器205的功能。该时间控制与测量电路板301可以是任意同时具备信号发生、信号采集和数据存储功能的电路，或者其他可编程电路，例如包括但不限于FPGA等。该电路板301通过印制板线路、导线或者电连接器与脉冲激光器203、单光子探测器204进行信号交互。
根据本公开实施例的集成化的非视域追踪***，时间控制与测量电路板301、光学收发板202、脉冲激光器203和单光子探测器204集成在机箱300中。其中，光学收发板202是机箱300的某一面板。
根据本公开实施例的集成化的非视域追踪***，机箱300可以安装在带有滑轮的支架上，便于在实际使用中移动并保持光学稳定。
根据本公开实施例的集成化的非视域追踪***，光学收发板202上包括至少两路光学接收模块2023，单光子探测器204为至少两通道的单光子探测器204。至少两路的光学接收模块2023可以同时接收从中介物体101上至少两处不同位置上反射回来的漫反射激光信号，并且，至少两通道的单光子探测器204可以同时响应至少两路的漫反射激光信号。根据欧式几何关系原理，本公开的非视域追踪***便可以在一次发射-接收-处理的动作中获得目标对象102的二维或者三维的坐标信息。
根据本公开实施例的集成化的非视域追踪***，光学接收模块2023包括光学耦合模块和光学滤波模块两部分，其中，光学耦合模块用于接收激光信号并将激光信号耦合到导光介质中，光学滤波模块用于对接收到的激光信号进行特定波段范围的滤波。
根据本公开实施例的集成化的非视域追踪***，光学收发板202还包括指向调节机构302，其中，指向调节机构302与光学金属基板2021和光学发射模块2022、光学接收模块2023分别连接，用于调节光学发射模块2021的发射方向和光学接收模块2023的接收方向。例如，在预设中介物体101上激光点位置时，可以通过调整指向调节机构302，带动光学发射模块2022指向预设的激光点位置；或者，也可以通过调整指向调节机构302，使光学接收模块2023接收指定的中介物体101上的点反射回来的漫反射激光信号。
图4示意性示出了根据本公开实施例的非视域追踪***用于定位追踪场景的示意图。
如图4所示，本公开实施例的非视域追踪***还包括信息处理装置401，用于接收时间数字转换器205的时间信息，并根据时间信息和中介物体101上的激光点的位置信息计算得到目标对象102的位置信息。信息处理装置401是具有信息接收、信息处理、信息存储和信息输出功能的电子设备，例如包括但不限于计算机、单片机等。
图5示意性示出了根据本公开另一实施例的非视域追踪***的原型机***的示意图。
如图5所示，本公开另一实施例的原型机***的发射部分包括脉冲激光器203和准直器501。脉冲激光器203响应FPGA504传来的触发信号发射激光信号，经由光纤传输到光学收发板202上的准直器501，通过指向调节机构302调整准直器501的角度，将激光信号发射至中介物体101上。激光器的触发信号同步输入到FPGA504中的计时模块，作为开始计时信号。
根据本公开另一实施例的原型机***，脉冲激光器203可以选用脉宽为500ps的1550nm脉冲激光器，也可使用近红外波段的窄脉宽亚纳秒、皮秒、飞秒脉冲激光器进行替换。近红外波段属于不可见光波段，相较于可见光波段，它具有更高的人眼安全性，在实际应用中，不会被侦察目标察觉。脉冲激光器的脉宽是光子数从半极大值上升到峰值所需的时间与光子数从峰值下降到半极大值处所需的时间之和，脉宽越窄，时间测量的精度也就越高，从而提升定位的精度。
根据本公开另一实施例的原型机***，准直器501包括准直头和光纤，也可使用凸透镜组加光纤的组合进行替换。
根据本公开另一实施例的原型机***，光纤可以采用62.5um芯径的多模光纤，以保证较高的收集效率，提高***的稳定性。
根据本公开另一实施例的原型机***，FPGA504可以集成信号源201和时间数字转换器205的功能，也可以通过其他电子学设计实现。
本公开另一实施例的原型机***的接收部分包括3个准直器502、3个滤波器503和单光子探测器204。3个准直器502可通过指向调节机构302的调节角度，分别对准中介物体101上三个不同的探测点，用以接收经过三次漫反射的光子。发出的激光信号经过三次漫反射后光被这3个准直器502收集到，并分别经过由3个滤波器503进行光谱滤波后耦合进收集光纤，由光纤分别传输进单光子探测器204。探测器将各通道探测信号传给由集成在FPGA504中的计时模块作为计时结束信号，测量出光子飞行时间，并将光子飞行时间相关信息数据传输至计算机505中。
在本公开另一实施例的原型机***中，发射部分和接收部分的指向夹角结合光子飞行时间，经过简单的几何关系推算便可得到中介物体101上探测点的坐标，最后由计算机上位机软件进行计算便可得到被定位追踪物体的位置。
根据本公开另一实施例的原型机***，滤波器503可以采用1550nm窄带滤波片，也可采用光纤滤波器。窄带滤波片的通带相对较窄，一般为中心波长值的5％以下，例如，1550nm窄带滤波片一般只允许波长范围为1472.5～1627.5nm以内的光信号通过，它滤除了除该波长范围以外的噪声干扰，包括但不限于可见光噪声、紫外光噪声等，实现了***全天时工作的实际需求。
根据本公开另一实施例的原型机***，单光子探测器204可以采用三通道集成的近红外单光子探测器，也可以使用三个小型的单通道探测器，或者其他时间抖动小于1ns的近红外单光子探测器。
根据本公开另一实施例的原型机***，光学收发板202的基板可以采用高强度的铝合金厚板，发射部分的准直器501、接收部分的3组准直器502和滤波器503通过调整架固定在该基板上。
根据本公开另一实施例的原型机***，该***的发射部分和接收部分都可以集成在一机箱中。例如，本公开另一实施例中使用的金属机箱体积仅为287mm×215mm×93.5mm，其中，光学收发板202竖直安装在原型机***的前端，并作为金属机箱的一侧面板；光学收发板202上的准直器501、502、滤波器503和指向调节机构302紧密地排布在100mm× 100mm区域内；脉冲激光器203和单光子探测器204均采用小型化光学器件，在250mm×150mm×50mm的空间内便可完成安装，在空间上紧靠，并通过光纤与光学收发板连接；原型机***的后端是FPGA504电路板，大小仅为250mm×200mm×20mm，安装在金属机箱的另一侧面板上。
通过本公开另一实施例的非视域追踪***的原型机***，实现了***高度集成化和小型化，其中，集成化包括信号源模块、时间数字转换器和三通道单光子探测器、脉冲激光器的整合，能实现紧凑的电子学连接。采用竖直光学收发板设计，光学发射和三路光学接收提供稳定、紧凑的安装固定。光学传输采用光纤传输的方式，保证了稳定性和集成性需求。采用小型光学器件替代现有技术中的望远镜***等大型设备，具由体积小、便携等优势，具备实用性。根据本公开的实施例，提供了一套成型的实用化非视域追踪***，可以同时兼顾全天时工作、实时性与便携性等各方面实际需求。本公开的实施例面向实际应用中的各类需求，设计并搭建了一套近红外波段实用化非视域追踪***，该***具备在普通日光环境下的实时定位追踪的能力，且构造简单，小巧便携。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种非视域追踪***，包括：
信号源，用于产生触发信号；
光学收发板，包括光学金属基板、光学发射模块和光学接收模块，其中，所述光学金属基板用于固定所述光学发射模块和所述光学接收模块，所述光学发射模块用于向中介物体发射激光信号，所述光学接收模块用于接收所述中介物体返回的漫反射激光信号，所述漫反射激光信号是由处于非视域的目标对象经过漫反射得到的信号；
脉冲激光器，与所述光学发射模块连接，用于接收所述触发信号，并响应所述触发信号将激光信号传输至所述光学发射模块；
单光子探测器，与所述光学接收模块连接，用于接收所述光学接收模块传输的漫反射激光信号，并产生探测信号传输给时间数字转换器；以及
所述时间数字转换器，用于接收所述触发信号和所述探测信号，并记录时间信息。
2.根据权利要求1所述的非视域追踪***，其中，所述信号源、所述光学收发板、所述脉冲激光器、所述单光子探测器和所述时间数字转换器集成在机箱中。
3.根据权利要求2所述的非视域追踪***，其中，所述机箱安装在带有滑轮的支架上。
4.根据权利要求1所述的非视域追踪***，其中，所述光学收发板包括至少两路光学接收模块。
5.根据权利要求4所述的非视域追踪***，其中，每路所述光学接收模块包括：光学耦合模块和光学滤波模块。
6.根据权利要求1所述的非视域追踪***，所述光学收发板还包括指向调节机构，其中，所述指向调节机构与所述光学金属基板和所述光学发射模块、所述光学接收模块分别连接，用于调节所述光学发射模块的发射方向和所述光学接收模块的接收方向。
7.根据权利要求1所述的非视域追踪***，其中，所述脉冲激光器包括：近红外脉冲激光器。
8.根据权利要求1所述的非视域追踪***，其中，所述信号源和所述时间数字转换器集成在同一块电路板上。
9.根据权利要求1所述的非视域追踪***，其中，所述单光子探测器包括：至少两通道的单光子探测器。
10.根据权利要求1所述的非视域追踪***，还包括：
信息处理装置，用于接收所述时间数字转换器的时间信息，并根据所述时间信息和所述中介物体的焦点位置信息计算得到所述目标对象的位置信息。
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2020
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