摘要
非视域成像技术(Non-Line-of-Sight Imaging,NLOS)是指在成像系统与成像目标之间发生遮挡时，通过收集和分析经由中间表面(如墙壁、地面等)从目标返回的光子信号实现图像重建的一种特殊光学成像技术。NLOS成像可分为主动和被动式两类，具体取决于是否使用主动照明光源。被动式NLOS成像系统大多数基于物理方法，例如使用人工遮挡，使用偏振器或利用光学记忆效应对物体目标进行成像，成像系统具有结构简单的优点，但容易因环境光干扰而降低成像信噪比，且不具备重建物体三维(Three-Dimensional，3D)结构的能力。与被动式NLOS成像系统相比，主动式NLOS成像系统一般采用激光源进行主动照明，结合光谱滤波技术，减少环境光的干扰。同时，它可以通过收集时间分辨的光子数据来获取目标场景的三维图像。因此，主动NLOS成像近年来受到广泛的关注和研究。随着对单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)的进一步研究，研究人员将其用于NLOS成像，结合时间相关单光子计数(Time-correlated Single Photon Counting,TCSPC)技术有力推动着NLOS成像技术的发展。然而，当前的时间相关单光子计数NLOS成像研究大多数都是利用单色的激光源照明，所获得的目标图像给出的是目标反射率的灰度信息，仍存在NLOS成像信息不充分问题。为了应对非视域成像多次漫反射和复杂的光传输路径等因素对图像重建造成的影响，本文提出了基于多波长激光照明的彩色NLOS成像方法，通过不同波长激光探测的互补性提升NLOS成像质量，同时通过多波长探测合成彩色NLOS成像结果，拓展NLOS成像信息维度，论文具体研究内容如下: 首先，分析了基于时间相关单光子计数的非视域成像理论，推导了 TCSPC非视域成像漫反射光传输模型，综述了现有常用的三种单光子探测器原理和工作特点，为基于多波长激光照明的彩色NLOS成像实验系统搭建和图像重建提供了理论基础。 然后，搭建了一套收发光路共路模式的时间相关单光子计数彩色NLOS成像系统。实验系统采用从超连续谱激光器选取的多波长皮秒脉冲激光进行照明,采用硅基SPAD进行回波光子探测。基于所采集的NLOS数据，对反投影、共焦光锥变换以及相量场虚拟波三种非视域成像算法进行了对比研究。 最后，提出了一种基于多波长激光照明的TCSPC彩色非视域成像方法。采用了 620 nm、532 nm和485 nm三个波长进行主动照明，三个波长通道独立获取光子计数直方图数据，利用相量场虚拟波算法分别从三个波长通道重构NLOS图像。而后通过RGB合成得到彩色NLOS图像。实验结果表明，所提彩色NLOS成像方法能够重建具有白色、红色、黄色和橙色特征的复杂NLOS目标的彩色图像。同时，多波长探测通道的互补性可以还原细节更完整的三维NLOS图像，提高并拓展了 NLOS成像技术的成像质量和信息维度。
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