非视域成像，旨在实现对视线之外隐藏物体的探测与重构，是近年来光电探测领域的前沿焦点。这项技术借助于一个中介面（如墙壁、地面），通过捕获从隐藏目标反射并再次经由中介面散射回来的微弱光信号，来“绕弯”看清拐角后的景物。在众多技术路径中，基于时间门控SPAD（单光子雪崩二极管）阵列的成像方法，因其具有凝视成像、高时间分辨率、设备集成度高等优势，被视为走向实用化的关键技术之一。
时间门控单光子SPAD阵列与非视域成像中的关键散射特性研究
非视域成像，旨在实现对视线之外隐藏物体的探测与重构，是近年来光电探测领域的前沿焦点。这项技术借助于一个中介面（如墙壁、地面），通过捕获从隐藏目标反射并再次经由中介面散射回来的微弱光信号，来“绕弯”看清拐角后的景物。在众多技术路径中，基于时间门控单光子SPAD（单光子雪崩二极管）阵列的成像方法，因其具有凝视成像、高时间分辨率、设备集成度高等优势，被视为走向实用化的关键技术之一。
图1：基于 TG-SPAD 阵列的非视域成像原理示意图
一、 技术核心：为何要研究中介面的散射特性？
在非视域成像系统中，中介面并非理想的镜子。当光子携带隐藏目标的信息返回中介面时，会发生复杂的散射现象，而非理想的镜面反射。这种散射效应，若不加分析与处理，将带来两个主要问题：
1. 空间干扰：散射光子会在探测器靶面上形成离焦的散斑或光晕，严重降低图像的空间分辨率和对比度。
2. 信号混叠：不同路径、不同时间返回的光子相互混叠，使得精确解析目标的三维结构和表面特性变得困难。
因此，精确表征和建模中介面的光散射特性，是提升非视域成像质量、实现精确重构的理论基石。本研究的核心，正是聚焦于中介面的双向反射分布函数（BRDF），旨在通过物理模型精确描述其散射行为，为后续的图像重建算法提供关键输入。
二、 原理与模型：如何刻画中介面的散射？
1. 成像原理：时间门控与光路折叠
基于时间门控单光子SPAD阵列的非视域成像，其巧妙之处在于利用了光子的飞行时间信息。系统发射一束短脉冲激光照射中介面，随后通过精确控制时间门控单光子SPAD阵列的开启时间（即“时间门控”），只接收从隐藏目标返回的特定时间窗口内的光子。此举能有效滤除在中介面产生的直接后向散射等强噪声。
通过光路折叠分析，可将该系统等效为一个虚拟的相机对隐藏区域直接成像。此时，中介面的散射效应就等效于在成像光路中引入了一个复杂的、与角度相关的衰减与扩散环节，而这个环节可以由BRDF来描述。
2. 散射模型：CookTorrance物理模型
在众多BRDF模型中，研究选用了CookTorrance模型这一经典的物理模型。它基于微面元理论，将材料表面视为由无数个微观镜面组成，能够很好地平衡物理准确性与计算复杂度。
该模型将BRDF分为漫反射与镜面反射两部分：
`BRDF = 漫反射分量(k_d/π) + 镜面反射分量`
其中，镜面反射分量由三个核心因子构成：
D（法线分布函数）：描述微面元法线的分布情况，主导镜面反射瓣的“宽窄”与“形状”，与表面粗糙度参数`m`直接相关。
G（几何衰减函数）：描述微面元之间互相遮挡、阴影的现象。
F（菲涅尔反射率）：描述在不同入射角下，光在界面上的反射比率，与材料折射率`n₂`相关。
图2：BRDF 角度几何关系示意图
zui终，确定一个材料的CT模型，需要获取四个关键特征参数：粗糙度`m`、折射率`n₂`、漫反射系数`k_d`和镜面反射系数`k_s`。
三、 实验设计与实现：从测量到建模
1. BRDF数据精密测量
使用专业的BRDF测量系统，对三种典型的建筑中介面材料（黑色光亮砖、白色亚光砖、黑色防护挡板）进行了精密测量。为了捕捉其散射特性，尤其在镜面反射方向附近的剧烈变化，实验设计了密集的采样点：在镜面反射方向±1°至±5°的范围内进行加密测量，以获得高精度数据。
图3：激光器与单光子探测器共焦二维扫描非视域成像示意图
2. 数据处理与模型参数拟合
由于测量中难免存在噪声和异常值（“坏点”），本研究首先采用RANSAC（随机采样一致性）算法对原始数据进行鲁棒性处理，自动识别并剔除异常点。
随后，研究采用遗传算法（GA） 这一强大的全局优化方法，以测量数据与模型预测值之间的误差zui小化为目标，反向求解出每个材料样本的zui优CT模型特征参数 `[m, n₂, k_d, k_s]`。遗传算法能够有效避免陷入局部zui优，确保找到的参数组合能代表材料的真实散射特性。
3. 结果与验证
拟合结果显示，对于同一种材料，在不同入射角下得到的特征参数非常接近，证明了该方法的稳定性和物理一致性。例如，白色亚光砖始终表现出较高的漫反射系数（~0.78）和较低的粗糙度（~0.08），符合其外观特性。
研究进一步利用得到的平均特征参数去“预测”其他角度下的BRDF值，并与实际测量值对比。对于像白色亚光砖这类散射特性均匀的材料，预测值与实测值吻合得非常好，相对误差多数在5%以内，充分验证了基于CT模型和特征参数描述中介面散射特性的有效性。
四、 效果与展望：为实用化铺平道路
本研究通过对中介面BRDF散射特性的精细化建模，实现了对非视域成像中关键干扰环节的量化描述。这项工作的价值在于：
提供先验知识：建立典型材料的BRDF特征参数数据库，可为非视域成像系统提供关键的先验知识。
指导图像重建：在重建算法中融入准确的BRDF模型，可以更精确地反演光子传输路径，从而显著提升隐藏目标的重建质量与精度。
推动系统设计：理解了中介面的散射特性，有助于优化SPAD探测器的时间门控策略和系统布局，以zui大化信噪比。
五、 技术基石：高性能SPAD512²成像组件
要实现上述从理论到实验的完整闭环，离不开一个能够捕捉微弱单光子信号、并进行高精度时间门控探测的探测核心。在本研究中，这一关键角色由上海昊量光电设备有限公司提供的SPAD512²单光子成像组件担任。
该组件并非一个普通的相机，而是一个512×512像素的时间门控单光子SPAD阵列，其卓越性能为本研究提供了不可或缺的硬件支持：
单光子灵敏度：使其能够探测到经多次散射后极度衰减的光子信号。
纳秒级时间门控：Min 6 ns的门控宽度和17 ps的延迟步进，为分离目标信号与中介面散射噪声提供了精确的时间“剪刀”。
高帧率与灵活性：支持从400 fps到zui高100,000 fps的多种成像模式，便于捕获动态场景并进行不同模式的成像实验。
并且现在还有更多像素版本的1024×1024像素阵列的时间门控单光子SPAD阵列可以提供。
正是凭借SPAD512²这样的高性能时间门控单光子SPAD阵列，研究者才能不仅验证其中介面散射模型，更得以展望并推进整个时间门控SPAD阵列非视域成像技术迈向实用化的未来。
本文内容引用自北京理工大学光电成像技术与系统教育部重点实验室发表在红外技术期刊的“时间门控 SPAD 阵列非视域成像的中介面 BRDF 散射特性研究”文章
了解更多时间门控单光子SPAD阵列详情，请访问上海昊量光电的官方网页：
https://www.auniontech.com/three-level-331.html
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