CN104375148A - 一种基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法，属于激光测距和微弱红外光探测类。该测距系统基于脉冲激光飞行时间测距法，利用PIN光电二极管与掺铒光纤放大器（EDFA）相结合实现基于外部增益的线性灵敏光子探测，即检测不同强度回波光，从而获取距离信息，同时根据具体返回光子数判断被测目标材料，实现不同距离不同目标物的精确测量。与其他灵敏光子探测相比，该方案通过调节EDFA增益倍数可实现单光子至多光子水平返回光线性探测，即光子数可分辨探测，大大提高了激光测距的工作范围，使其同时满足近、中、远程激光测距的需求，并实现被测目标材料的快速分辨。

Description

一种基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法

技术领域

本发明涉及一种测距技术，特别涉及一种基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法。

背景技术

激光测距继承了激光单色性好、方向性强的特点，在通讯、遥感、航空航天及军事侦察等诸多国防民用领域有着广阔的应用前景。激光测距方法具体可分为三大类：干涉法、飞行时间法、三角测量法，满足不同测量精度及量程的应用需求。其中飞行时间法，根据激光的飞行时间来判断目标物的距离，是空间测距中最直接的方式，具体工作方式如下：激光脉冲通过激光发射系统发射传输至被测目标物，被测目标物漫反射回的光子信号被激光接收系统收集至光子检测器，光子检测器将返回光信号转换成电信号送入时间记录仪，记录光子飞行时间，从而获得被测目标物距离信息。随着被测目标距离增大及目标反射回传光信号的减弱，在相同激光发射及收集的条件下，必须采用灵敏度更高的光电探测器来探测回波光信号，即整套激光测距系统中，光子检测器的灵敏度直接决定了测距量程，因为光子检测器的灵敏度越高，能响应的光子信号越微弱，其能测得最大距离也越远。另一方面，光电探测器探测到回波光信号的时间抖动特性决定了测距的精度和分辨率。因此，采用高性能超灵敏的光电探测器是激光测距系统中影响测程和分辨精度的重要部分。

近年来，高性能光电探测技术的研究愈益深入，单光子探测器，因其能检测到单个光子的超灵敏探测特性，越来越多地应用于测距系统。它可以检测到极其微弱的返回光子，大大提高测距系统的量程。但不可忽略的是，其超灵敏特性也带来了相应的弊端，例如，在深空探测中，单光子探测器极容易因背景光的照射而达到计数饱和，无法进行有效探测；在近距离的测距中，返回光子过多也易导致单光子探测器无法进行有效探测。此外，在激光遥感等应用中，单光子探测器仅能判断是否有返回光子，而不能判断具体的返回光子数目，每次的输出电信号与返回光强度无关。当被测目标物表面为不同材料时，漫反射回的返回光信号强度不同，需累计较长的计数时间才可具体分辨出被测目标物材料，大大降低了遥感系统的工作效率。

发明内容

本发明是针对目前使用的光子检测器不能满足不同测距范围及分辨目标物材质工作效率低的问题，提出了一种基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法，该测距方法中使用的光子检测器基于外部增益，将光子进行放大后再利用线性光电二极管检测，通过调节外部增益，即可调节该光子检测器的灵敏度，使其满足不同测距范围的需求。同时，该方法可具体分辨返回光子数，在获取被测目标距离信息的同时可快速判断被测目标的具体材料。

本发明的技术方案为：一种基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法，激光发射及收集系统中激光器测距中1550nm近红外激光器通过激光发射系统出射到目标物，同时启动时间相关光子计数器开始工作，目标物漫反射回的返回光则通过激光收集系统收集送入光子探测器；光子探测器对接收的光信号经过放大调节和信号过滤，再通过线性光电二极管转换成电信号送入时间相关光子计数器，该电信号的幅度与返回光子数目成正比；时间相关光子计数器记录返回光子时间及数目，通过测距公式s=ct/2计算被测目标物的距离，其中c为该波段激光在空气中的传输速度，t为激光脉冲飞行时间；通过具体返回光子数目判断出被测目标物的表面漫反射率，从而判断目标物的材料。所述光子探测器为基于外部增益的线性光子探测器。

所述线性光子探测器收集到激光收集系统输出的返回光信号，先通过第一掺铒光纤放大器进行一次放大，再依次通过第一带通滤波器及第一组光纤布拉格光栅，去除第一掺铒光纤放大器放大过程中产生的自发辐射；再通过偏正控制器及偏振分束器来除去正交极化的自发辐射噪声；光脉冲再送入第二掺铒光纤放大器进行二级放大，放大后同样经过第二带通滤波及第二组光纤布拉格光栅除去第二次放大过程中产生的自发辐射噪声；放大后的光脉冲通过线性光电二极管进行探测，转换成电信号，通过调节第一、第二掺铒光纤放大器的放大倍数，实现不同强度返回光的检测。

所述时间相关单光子计数器接收通过第一PIN光电二极管来的激光发射系统出射激光同步信号，作为计时“开始”信号；光子探测器输出的返回光生电信号则作为计时“结束”信号；时间相关单光子计数器则记录“开始”“结束”信号之间的时间差，即为激光脉冲飞行的时间；时间相关单光子计数器记录的时间差包含了激光脉冲在激光发射与收集系统、光子探测器中传输的时间，“开始”“结束”信号传输到计数器的时间，且上述时间在该测距系统中是固定的；为了减小测距误差，通过测量一个已知距离的目标物来获得测距系统中的固定时间，在计算被测目标物距离时则除去此部分固定时间，即可获得准确的距离信息。

所述激光发射与收集系统：1550nm近红外激光器产生的脉冲激光经过分光镜一路作为激光器的同步输出信号通过第一PIN光电二极管到时间相关单光子计数器；另一路光信号通过准直扩束器准直扩束后经过一组高反镜发射成与望远镜平行的光输出到目标物，即整套输出系统为异轴模式；望远镜收集目标物返回光通过透镜组聚焦至单模光纤送入光子探测器，透镜组中间插入有滤除1550nm以外其他波段背景光的带通滤波片和用于空间滤波的光阑。所述激光收集系统中望远镜为折射式望远镜。

本发明的有益效果在于：本发明基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法，与传统单光子探测器使用器件的内部增益不同，即将光子进行放大后再利用线性光电二极管检测。通过调节外部增益，即可调节该光子检测器的灵敏度，使其同时满足近、中、远程激光测距的需求。同时，该方法可具体分辨返回光子数，在获取被测目标距离信息的同时可快速判读被测目标的具体的材料。此外，激光测距中采用1550nm近红外波段，具有较大的军事及民用价值。 

附图说明

图1为本发明光子探测器测距工作原理示意图；

图2为本发明方法实施具体结构框图；

图3为本发明实施例中的线性灵敏光子探测器的光子数分辨特性图。

具体实施方式

如图1所示光子探测器测距工作原理示意图，激光脉冲通过激光发射系统出射，目标物漫反射回的返回光则通过激光收集系统收集送入光子探测器；光子探测器将接收的返回光信号转换成电信号送入时间相关光子计数器，该电信号的幅度与返回光子数目成正比；时间相关光子计数器记录返回光子时间及数目。被测目标物的距离信息可通过公式s=ct/2计算获得，其中c为该波段激光在空气中的传输速度，t为激光脉冲飞行时间。同时，通过具体返回光子数目可判断出被测目标物的表面漫反射率，从而判断其具体材料。

如图2所示基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法实施具体结构框图。主要包括激光发射及收集系统、光子探测器、时间相关单光子计数器。

激光发射与收集系统：1550nm近红外激光器产生的脉冲激光首先经过分光镜分出一小部分作为激光器的同步输出信号。大部分的光信号通过准直扩束器准直扩束后经过高反镜1、2发射成与望远镜平行的光输出到目标物，即整套输出系统为异轴模式。此外，出射激光尽量靠近望远镜以保障望远镜收集到尽量多的返回光。收集系统中采用的望远镜为折射式望远镜，望远镜收集的返回光通过透镜1、2、3透镜组聚焦至单模光纤送入光子探测器。透镜组中间插入带通滤波片和光阑，中心波长为1550nm的带通滤波片用来滤除掉收集到的其他波段背景光，光阑则是用来空间滤波。

光子探测器：该激光测距系统中使用的光子探测器为基于外部增益的线性灵敏光子探测器。收集系统收集到的返回光信号通过光纤送入掺铒光纤放大器（EDFA）1进行一次放大，采用带通滤波器1及光纤布拉格光栅1、2来除去由EDFA放大过程中产生的自发辐射（ASE），同时偏正控制器及偏振分束器用来除去正交极化的ASE噪声。随后，光脉冲再送入掺铒光纤放大器2进行二级放大，放大后同样经过带通滤波2及光纤布拉格光栅3除去ASE噪声。此时，光脉冲能量最大可以放大~50dB，直接利用线性光电二极管，即PIN光电二极管2即可探测单个光子信号。系统中使用的EDFA的增益系数可调节，通过改变增益系统即可实现其不同强度的返回光的检测。由于在激光测距系统中，光子检测器的灵敏度直接决定了测距量程，而我们采用灵敏度可调节的光子检测器则可使得测距系统的量程可调节，即可保障该测距系统适用于近、中、远程激光测距。此外，该光子探测器可实现返回光的线性探测，即光子数可分辨探测，其输出光生电信号与光信号强度成正比。如图3所示，光子探测器输出的不同幅度电信号代表不同返回光子数。

时间相关单光子计数器：我们采用时间相关的方法来记录激光脉冲的飞行时间，通过PIN光电二极管1将激光同步信号转成电信号作为“开始”信号送入时间相关单光子计数器，而PIN光电二极管2输出的返回光生电信号则作为“结束”信号。时间相关单光子计数器则记录“开始”“结束”信号之间的时间差，即为激光脉冲飞行的时间，通过公式s=ct/2即可获得距离信息。值得注意的是时间相关单光子计数器记录的时间差包含了激光脉冲在激光发射与收集系统、光子探测器中传输的时间，“开始”“结束”信号传输到计数器也需要一定的时间，且上述时间在该测距系统中是固定的；故为了减小测距误差，我们可以通过测量一个已知距离的目标物来获得这部分固定时间，在计算被测目标物距离时则除去这部分时间，即可获得准确的距离信息。此外，通过设置“结束”信号端不同的比较电平即可获得返回光信号的具体光子数，考虑系统及传输衰减并与出射光相比较即可快速计算出被测目标物的表面漫反射率从而判断出被测目标物的具体材料。

Claims (6)

1.一种基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法，其特征在于，激光发射及收集系统中激光器测距中1550nm近红外激光器通过激光发射系统出射到目标物，同时启动时间相关光子计数器开始工作，目标物漫反射回的返回光则通过激光收集系统收集送入光子探测器；光子探测器对接收的光信号经过放大调节和信号过滤，再通过线性光电二极管转换成电信号送入时间相关光子计数器，该电信号的幅度与返回光子数目成正比；时间相关光子计数器记录返回光子时间及数目，通过测距公式s=ct/2计算被测目标物的距离，其中c为该波段激光在空气中的传输速度，t为激光脉冲飞行时间；通过具体返回光子数目判断出被测目标物的表面漫反射率，从而判断目标物的材料。

2.根据权利要求1所述基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法，其特征在于，所述光子探测器为基于外部增益的线性光子探测器。

3.根据权利要求2所述基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法，其特征在于，所述线性光子探测器收集到激光收集系统输出的返回光信号，先通过第一掺铒光纤放大器进行一次放大，再依次通过第一带通滤波器及第一组光纤布拉格光栅，去除第一掺铒光纤放大器放大过程中产生的自发辐射；再通过偏正控制器及偏振分束器来除去正交极化的自发辐射噪声；光脉冲再送入第二掺铒光纤放大器进行二级放大，放大后同样经过第二带通滤波及第二组光纤布拉格光栅除去第二次放大过程中产生的自发辐射噪声；放大后的光脉冲通过线性光电二极管进行探测，转换成电信号，通过调节第一、第二掺铒光纤放大器的放大倍数，实现不同强度返回光的检测。

4.根据权利要求1至3中任意一种基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法，其特征在于，所述时间相关单光子计数器接收通过第一PIN光电二极管来的激光发射系统出射激光同步信号，作为计时“开始”信号；光子探测器输出的返回光生电信号则作为计时“结束”信号；时间相关单光子计数器则记录“开始”“结束”信号之间的时间差，即为激光脉冲飞行的时间；时间相关单光子计数器记录的时间差包含了激光脉冲在激光发射与收集系统、光子探测器中传输的时间，“开始”“结束”信号传输到计数器的时间，且上述时间在该测距系统中是固定的；为了减小测距误差，通过测量一个已知距离的目标物来获得测距系统中的固定时间，在计算被测目标物距离时则除去此部分固定时间，即可获得准确的距离信息。

5.根据权利要求4所述基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法，其特征在于，所述激光发射与收集系统：1550nm近红外激光器产生的脉冲激光经过分光镜一路作为激光器的同步输出信号通过第一PIN光电二极管到时间相关单光子计数器；另一路光信号通过准直扩束器准直扩束后经过一组高反镜发射成与望远镜平行的光输出到目标物，即整套输出系统为异轴模式；望远镜收集目标物返回光通过透镜组聚焦至单模光纤送入光子探测器，透镜组中间插入有滤除1550nm以外其他波段背景光的带通滤波片和用于空间滤波的光阑。

6.根据权利要求5所述基于线性灵敏光子探测器的近红外激光测距方法，其特征在于，所述激光收集系统中望远镜为折射式望远镜。