CN101609153B - 单光子探测紫外脉冲激光3d成像雷达 - Google Patents

Abstract

单光子探测紫外脉冲激光3D成像雷达，它属于激光雷达领域。它解决了现有激光雷达缺少抑制阳光背景噪声的能力，系统整体探测灵敏度低，探测距离小，无法进行3D成像的问题。本发明由光学发射天线、紫外脉冲调制激光器、同步脉冲控制电路、时钟信号源、延迟电路、增益函数发生器、计算机、MAMA紫外单光子探测器和光学接收天线组成，其中紫外脉冲调制激光器在同步脉冲控制电路的驱动脉冲的作用下发出紫外波段的激光脉冲信号，此信号输入到光学发射天线，激光回波脉冲信号由光学接收天线的光输出端到MAMA紫外单光子探测器的光输入端，增益函数发生器的两个增益信号输出端分别与MAMA紫外单光子探测器的两个增益信号输入端相连。

Description

单光子探测紫外脉冲激光3D成像雷达

技术领域

本发明属于激光雷达领域。

背景技术

现有的连续波激光成像雷达或脉冲激光成像雷达，一般都采用高增益雪崩光电二极管APD、具有像增强器的图像探测器(Intensified CCDs，ICCD)等作为成像探测器件，该类成像探测器件具有很高的探测灵敏度，响应速度快，但这些器件缺少拟制阳光背景噪声的功能，器件本身噪声大，因此不能全天候工作，系统整体探测灵敏度低，探测距离小，无法进行3D成像的问题。

发明内容

为了解决现有的连续波激光成像雷达或脉冲激光成像雷达缺少抑制阳光背景噪声的能力，系统整体探测灵敏度低，探测距离小，无法进行3D成像的问题。本发明提供一种单光子探测3D紫外脉冲激光成像雷达。

本发明的技术方案如下：

一种单光子探测3D紫外脉冲激光成像雷达由光学发射天线、紫外脉冲调制激光器、同步脉冲控制电路、时钟信号源、延迟电路、增益函数发生器、计算机、MAMA紫外单光子探测器和光学接收天线组成，时钟信号源的时钟信号输出端与同步脉冲控制电路的时钟信号输入端相连，所述同步脉冲控制电路的驱动脉冲信号输出端与紫外脉冲调制激光器的驱动脉冲信号输入端相连，所述同步脉冲控制电路的延迟控制信号输出端和延迟电路的控制信号输入端相连，紫外脉冲调制激光器发射的激光脉冲光信号由紫外脉冲调制激光器的光输出端输入到光学发射天线的光输入端，光学接收天线接收到的激光回波脉冲信号由光学接收天线的光输出端到MAMA紫外单光子探测器的光输入端，延迟电路的延迟信号输出端与增益函数发生器的延迟信号输入端相连，所述增益函数发生器的两个增益信号输出端分别与MAMA紫外单光子探测器的两个增益信号输入端相连，所述MAMA紫外单光子探测器的信号输出端与计算机的串口通信输入端相连。

本发明的单光子探测3D紫外脉冲激光成像雷达工作于紫外波段，本发明采用一种具有日盲特性的多阳极微通道阵列(multianode microchannel array，MAMA)的紫外单光子探测器，简称MAMA紫外单光子探测器作为激光探测器件，该MAMA紫外单光子探测器与APD、ICCD一样，具有内部增益，且灵敏度高、增益可调，并且MAMA紫外单光子探测器有不响应日照光谱辐射的优点，具有良好的日盲特性和极强的拟制可见光背景能力，因此本发明的单光子探测3D紫外脉冲激光成像雷达可以全天候工作，具有探测灵敏度高、探测距离大、测距精度高、抗阳光背景噪声能力好的优点易于实现弱光单光子探测。由于所述紫外脉冲调制激光器2工作在紫外波段，所述MAMA紫外单光子探测器8不响应日照光谱辐射，并且具有紫外敏感特性和极强的抑制背景光的能力，所以所述单光子探测3D紫外脉冲激光成像雷达可以全天候工作，所述单光子探测3D紫外脉冲激光成像雷达的灵敏度高，探测距离大，易于实现弱光单光子探测；可获得目标的两维轮廓强度像和一维距离像。

附图说明

图1是本发明的雷达结构示意图，图2是具体实施方式二中所述的MAMA紫外单光子探测器的结构框图，图3是具体实施方式一中所述的单光子探测3D紫外脉冲激光成像雷达的成像过程中激光发射脉冲、激光回波脉冲和增益信号的时序图。

具体实施方式

具体实施方式一、参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的单光子探测3D紫外脉冲激光成像雷达由光学发射天线1、紫外脉冲调制激光器2、同步脉冲控制电路3、时钟信号源4、延迟电路5、增益函数发生器6、计算机7、MAMA紫外单光子探测器8和光学接收天线9组成，时钟信号源4的时钟信号输出端与同步脉冲控制电路3的时钟信号输入端相连，所述同步脉冲控制电路3的驱动脉冲信号输出端与紫外脉冲调制激光器2的驱动脉冲信号输入端相连，所述同步脉冲控制电路3的控制信号输出端和延迟电路5的控制信号输入端相连，紫外脉冲调制激光器2发射的激光脉冲信号由紫外脉冲调制激光器2的光输出端输入到光学发射天线1的光输入端，光学接收天线9接收到的激光回波脉冲信号由光学接收天线9的光输出端到MAMA紫外单光子探测器8的光输入端，延迟电路5的延迟信号输出端与增益函数发生器6的延迟信号输入端相连，所述增益函数发生器6的两个增益信号输出端分别与MAMA紫外单光子探测器8的两个增益信号输入端相连，所述MAMA紫外单光子探测器8的信号输出端与计算机7的串口通信输入端相连。

参见图3说明本实施方式所述的单光子探测3D紫外脉冲激光成像雷达的成像过程，具体过程为：

紫外脉冲调制激光器2在同步脉冲控制电路3输出的驱动脉冲作用下发射出的激光脉冲经光学发射天线1整形后发射出去，在紫外脉冲调制激光器2的第一个激光脉冲周期T内，通过增益函数发生器6发出的增益信号控制MAMA紫外单光子探测器8的增益为固定增益G₀，在t1时间段内光学接收天线9将接收到的激光回波脉冲汇聚到MAMA紫外单光子探测器8的光输入端，MAMA紫外单光子探测器8输出第一幅回波光脉冲的强度像，经延迟电路5适当时间延迟后，在t2时间段内，即没有激光回波脉冲的情况下，MAMA紫外单光子探测器8输出第二幅强度像；在紫外脉冲调制激光器2的下一个激光脉冲发射周期T内，通过增益函数发生器6发出的增益信号控制MAMA紫外单光子探测器8的增益为与距离有关的调制函数M＝G(r)，在t3时间段内光学接收天线9将接收到的激光回波脉冲汇聚到MAMA紫外单光子探测器8的光输入端，MAMA紫外单光子探测器8输出第三幅回波光脉冲强度像，经延迟电路5适当时间延迟，在t4时间段内，即没有激光回波脉冲的情况下，MAMA紫外单光子探测器8输出第四幅强度像，以上四幅强度像经计算机7数据处理，即可获得目标的两维轮廓强度像和一维距离像。

本实施方式中所述紫外脉冲调制激光器2可采用如下技术参数：

由于所述紫外脉冲调制激光器2工作在紫外波段，所述MAMA紫外单光子探测器8不响应日照光谱辐射，并且具有紫外敏感特性和极强的抑制背景光的能力，所以所述单光子探测3D紫外脉冲激光成像雷达可以全天候工作，所述单光子探测3D紫外脉冲激光成像雷达的灵敏度高，探测距离大，易于实现弱光单光子探测。

对获得的上述四幅图像的处理过程：

将MAMA紫外单光子探测器8输出第一幅和第二幅强度像的强度分别记为I₁和I₂，两次获得的测量值为：

I₁＝(I_b+ρI_pulse)G₀+I_d1，

I₂＝I_bG₀+I_d1，

上面两式中：I_b为背景光强，ρ为激光脉冲经目标反射后的系数，I_pulse是激光脉冲光强，I_d1是其余光强噪声及在增益G₀条件下的器件暗噪声，I₁减去I₂得到等式一：

I₁-I₂＝ρI_pulseG₀，

将MAMA紫外单光子探测器8输出的第三幅和第四幅强度像的强度分别记为I₃和I₄，其中：

$I_3=I_b{\∫}_0^{R}G\left(r\right)\mathrm{dr}+\mathrm{\ρ}{I}_{\mathrm{pulse}}G\left(r\right)+I_{d2},$

$I_4=I_b{\∫}_0^{R}G\left(r\right)\mathrm{dr}+I_{d2},$

上面两式中：R是测量最大距离，I_d2是该工作条件下的其余光强噪声和器件暗噪声。I₃减去I₄得到等式二：

I₃-I₄＝ρI_pulseG(r)；

由等式一和等式二，可以得到：

$\frac{I_3-I_4}{I_1-I_2}=\frac{G\left(r\right)}{G_0},$

所以得到等式三：

$r=G^{-1}\left(\frac{I_3-I_4}{I_1-I_2}{G}_0\right),$

根据等式三可知，已知MAMA紫外单光子探测器8的固定增益和四次光强测量差商值就能求出该目标点的距离，从而经处理得到距离图像。

具体实施方式二、参见图2说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一所述的单光子探测3D紫外脉冲激光成像雷达中的MAMA紫外单光子探测器8的进一步限定。所述MAMA紫外单光子探测器8由光电阴极8-1、微通道阵列8-2、阳极阵列8-3、电荷放大器一8-4、电荷放大器二8-5、电荷放大器三8-6、电荷放大器四8-7、解码电路一8-8、解码电路二8-9和存储器8-10组成，沿信号输入方向依次放置光电阴极8-1、微通道阵列8-2和阳极阵列8-3，所述光电阴极8-1的中心点、微通道阵列8-2中心点和阳极阵列8-3中心点在同一直线上，并且所述光电阴极8-1、微通道阵列8-2和阳极阵列8-3相互平行，所述阳极阵列8-3的四个信号输出端分别与电荷放大器一8-4的信号输入端、电荷放大器二8-5的信号输入端、电荷放大器三8-6的信号输入端和电荷放大器四8-7的信号输入端相连，所述电荷放大器一8-4的信号输出端和电荷放大器二8-5的信号输出端分别与解码电路一8-8的两个信号输入端相连，电荷放大器三8-6的信号输出端和电荷放大器四8-7的信号输出端分别与解码电路二8-9的两个信号输入端相连，所述解码电路一8-8的信号输出端和解码电路二8-9的信号输出端分别与存储器8-10的两个信号输入端相连，所述存储器8-10的信号输出端是MAMA紫外单光子探测器8的信号输出端，此信号输出端与计算机7的串口通信输入端相连。

本实施方式中所述光电阴极8-1接收光学接收天线9输出的激光回波脉冲信号，吸收光子并转换为光电子，光电子进入微通道阵列8-2放大后，再输出给阳极阵列8-3，微通道阵列8-2的前表面(光电子输入面)和后表面(光电子输出面)分别接有电极，此电极是实施方式一中所述MAMA紫外单光子探测器8的两个增益信号输入端。

本实施方式中所述的阳极阵列8-3为二维阵列。

本实施方式中所述MAMA紫外单光子探测器8可采用如下技术参数：

Claims (3)

1.一种单光子探测紫外脉冲激光3D成像雷达，其特征在于所述单光子探测紫外脉冲激光3D成像雷达由光学发射天线(1)、紫外脉冲调制激光器(2)、同步脉冲控制电路(3)、时钟信号源(4)、延迟电路(5)、增益函数发生器(6)、计算机(7)、MAMA紫外单光子探测器(8)和光学接收天线(9)组成，时钟信号源(4)的时钟信号输出端与同步脉冲控制电路(3)的时钟信号输入端相连，所述同步脉冲控制电路(3)的驱动脉冲信号输出端与紫外脉冲调制激光器(2)的驱动脉冲信号输入端相连，所述同步脉冲控制电路(3)的延迟控制信号输出端和延迟电路(5)的控制信号输入端相连，紫外脉冲调制激光器(2)发射的激光脉冲光信号由紫外脉冲调制激光器(2)的光输出端输入到光学发射天线(1)的光输入端，光学接收天线(9)接收到的激光回波脉冲信号由光学接收天线(9)的光输出端到MAMA紫外单光子探测器(8)的光输入端，延迟电路(5)的延迟信号输出端与增益函数发生器(6)的延迟信号输入端相连，所述增益函数发生器(6)的两个增益信号输出端分别与MAMA紫外单光子探测器(8)的两个增益信号输入端相连；所述MAMA紫外单光子探测器(8)的信号输出端与计算机(7)的串口通信输入端相连；紫外脉冲调制激光器(2)在同步脉冲控制电路(3)输出的驱动脉冲作用下发射出的激光脉冲经光学发射天线(1)整形后发射出去，在紫外脉冲调制激光器(2)的第一个激光脉冲周期T内，通过增益函数发生器(6)发出的增益信号控制MAMA紫外单光子探测器(8)的增益为固定增益G₀，在t1时间段内光学接收天线(9)将接收到的激光回波脉冲汇聚到MAMA紫外单光子探测器(8)的光输入端，MAMA紫外单光子探测器(8)输出第一幅回波光脉冲的强度像，经延迟电路(5)适当时间延迟后，在t2时间段内，即没有激光回波脉冲的情况下，MAMA紫外单光子探测器(8)输出第二幅强度像；在紫外脉冲调制激光器(2)的下一个激光脉冲发射周期T内，通过增益函数发生器(6)发出的增益信号控制MAMA紫外单光子探测器(8)的增益为与距离有关的调制函数M＝G(r)，在t3时间段内光学接收天线(9)将接收到的激光回波脉冲汇聚到MAMA紫外单光子探测器(8)的光输入端，MAMA紫外单光子探测器(8)输出第三幅回波光脉冲强度像，经延迟电路(5)适当时间延迟，在t4时间段内，即没有激光回波脉冲的情况下，MAMA紫外单光子探测器(8)输出第四幅强度像，所述计算机(7)对MAMA紫外单光子探测器(8)输出的四幅强度像进行处理：

MAMA紫外单光子探测器(8)输出第一幅强度像和第二幅强度像的强度分别为I₁＝(I_b+ρI_pulse)G₀+I_d1和I₂＝I_bG₀+I_d1，其中，I_b为背景光强，ρ为激光脉冲经目标反射后的系数，I_pulse是激光脉冲光强，I_d1是其余光强噪声及在增益G₀条件下的器件暗噪声，I₁减去I₂得到等式一：I₁-I₂＝ρI_pulseG₀，

MAMA紫外单光子探测器(8)输出的第三幅强度像和第四幅强度像的强度分别为

和其中，R是测量最大距离，I_d2是该工作条件下的其余光强噪声和器件暗噪声，I₃减去I₄得到等式二：I₃-I₄＝ρI_pulseG(r)；

由等式一和等式二：

得到等式三：

根据等式三得知，已知MAMA紫外单光子探测器(8)的固定增益和四次光强测量差商值就能求出该目标点的距离，获得目标的两维轮廓强度像和一维距离像。

2.根据权利要求1所述单光子探测紫外脉冲激光3D成像雷达，其特征在于所述MAMA紫外单光子探测器(8)由光电阴极(8-1)、微通道阵列(8-2)、阳极阵列(8-3)、电荷放大器一(8-4)、电荷放大器二(8-5)、电荷放大器三(8-6)、电荷放大器四(8-7)、解码电路一(8-8)、解码电路二(8-9)和存储器(8-10)组成，沿激光回波脉冲信号输入方向依次放置光电阴极(8-1)、微通道阵列(8-2)和阳极阵列(8-3)，所述光电阴极(8-1)的中心点、微通道阵列(8-2)中心点和阳极阵列(8-3)中心点在同一直线上，并且所述光电阴极(8-1)、微通道阵列(8-2)和阳极阵列(8-3)相互平行，所述微通道阵列(8-2)前表面的电极和后表面的电极是MAMA紫外单光子探测器(8)的两个增益信号输入端，阳极阵列(8-3)的四个信号输出端分别与电荷放大器一(8-4)的信号输入端、电荷放大器二(8-5)的信号输入端、电荷放大器三(8-6)的信号输入端和电荷放大器四(8-7)的信号输入端相连，所述电荷放大器一(8-4)的信号输出端和电荷放大器二(8-5)的信号输出端分别与解码电路一(8-8)的两个信号输入端相连，电荷放大器三(8-6)的信号输出端和电荷放大器四(8-7)的信号输出端分别与解码电路二(8-9)的两个信号输入端相连，所述解码电路一(8-8)的信号输出端和解码电路二(8-9)的信号输出端分别与存储器(8-10)的两个信号输入端相连，所述存储器(8-10)的信号输出端是MAMA紫外单光子探测器(8)的信号输出端。

3.根据权利要求2所述单光子探测紫外脉冲激光3D成像雷达，其特征在于所述阳极阵列(8-3)是二维阵列。

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