CN105137450A - 低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达 - Google Patents

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Abstract

低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达，涉及激光雷达技术领域。它为了解决现有Gm-APD探测器容易被噪声触发，从而产生虚警，影响正常工作的问题。分光镜将回波激光信号分成两路，每一路都有一个Gm-APD单光子探测器进行探测，‘与’判断门实时比较两个Gm-APD单光子探测器的触发时间，如果两个Gm-APD单光子探测器在同一个时间被触发，‘与’判断门输出‘1’，计时模块(1)停止，噪声不具备时间相关性，不能同时触发两个Gm-APD单光子探测器，从而‘与’判断门输出‘0’，计时模块不动作，从而噪声被抑制，不会产生虚警。本发明适用于激光雷达测距和激光成像。

Description

低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及有效降低光子计数激光雷达虚警概率的技术。
背景技术
光子计数激光雷达使用Gm-APD(盖革模式雪崩光电二极管)单光子探测器，从而极大的增加了系统的响应灵敏度，比传统激光雷达系统的灵敏度高2-3个数量级，因此成为微弱信号探测新的希望。但是也正是由于Gm-APD探测器具有极高的响应灵敏度，它在响应信号的同时也容易被噪声触发，从而产生虚警，这极大的影响了Gm-APD的正常工作，因此Gm-APD探测系统的白天太阳背景噪声下的应用成为了技术难点。
发明内容
本发明是为了解决现有Gm-APD探测器容易被噪声触发，从而产生虚警，影响正常工作的问题，从而提供低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达。
低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达，包括信号处理电路、激光器、发射光学系统、接收光学系统、窄带滤光片、分光镜、一号Gm-APD单光子探测器和二号Gm-APD单光子探测器；
信号处理电路包括计时模块和‘与’判断门；
计时模块的输出端连接激光器的输入端，激光器发射激光脉冲信号，发射光学系统将接收到的激光脉冲信号准直发射出去；接收光学系统接收信号，经接收光学系统接收的信号再经窄带滤光片入射到分光镜，分光镜将入射的信号分成两路，一号Gm-APD单光子探测器接收其中的一路，二号Gm-APD单光子探测器接收另一路，一号Gm-APD单光子探测器的输出端连接‘与’判断门的一号输入端，二号Gm-APD单光子探测器连接‘与’判断门的二号输入端，‘与’判断门的输出端连接计时模块。
上述计时模块采用TDC-GP2时间测量芯片实现。
上述计时模块还包括锁相电路和标定电路。
上述‘与’判断门采用TDC-GP2计时芯片实现。
上述TDC-GP2计时芯片与计算机连接，计算机用于判断接收到的信号是否为回波激光信号。
上述分光镜为50％：50％的分光镜。
本发明所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达，由计时模块提供起始信号，计时模块开始计时，同时输出驱动信号驱动激光器发射脉冲信号，激光脉冲信号经发射光学系统准直发射出去，激光信号脉冲经过往返延迟时间后伴随着往返大气和目标的反射的衰减回到激光雷达接收系统，返回的激光脉冲信号为回波激光信号，信号由接收光学系统汇聚收集后，经过一个窄带滤光片过滤掉工作波长以外的背景噪声光子，信号再经过50％：50％的分光镜平均分成两路，每一路都有一个Gm-APD单光子探测器进行探测，‘与’判断门实时比较两个Gm-APD单光子探测器的触发时间，如果两个Gm-APD单光子探测器在同一个时间被触发，则停止计时模块，否则计时模块不动作。由于两路回波激光信号具有时间相关性，他们会同时触发探测器，而噪声是随机分布的，同时触发两个Gm-APD单光子探测器的概率很小，可以忽略，从而噪声被抑制，不会产生虚警。该发明对不具备时间相关性的随机分布的噪声进行滤除，从而降低虚警概率，为Gm-APD探测器在激光测距和激光成像中全天时的应用奠定基础，而且该发明简单易行，实现了低虚警概率的光子激光雷达的低功耗、低重量和小型化的应用。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达，包括信号处理电路、激光器2、发射光学系统3、接收光学系统4、窄带滤光片5、分光镜6、一号Gm-APD单光子探测器7和二号Gm-APD单光子探测器8；
信号处理电路包括计时模块1和‘与’判断门9；
计时模块1的输出端连接激光器2的输入端，激光器2发射激光脉冲信号，发射光学系统3将接收到的激光脉冲信号准直发射出去；接收光学系统4接收信号，经接收光学系统4接收的信号再经窄带滤光片5入射到分光镜6，分光镜6将入射的信号分成两路，一号Gm-APD单光子探测器7接收其中的一路，二号Gm-APD单光子探测器8接收另一路，一号Gm-APD单光子探测器7的输出端连接‘与’判断门9的一号输入端，二号Gm-APD单光子探测器8连接‘与’判断门9的二号输入端，‘与’判断门9的输出端连接计时模块1。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达作进一步说明，本实施方式中，计时模块1采用TDC-GP2时间测量芯片实现。
TDC-GP2时间测量芯片是一款高精度时间间隔测量芯片，具有精度高，体积小，价格低廉的特性，适合于低成本工业应用领域。TDC-GP2时间测量芯片主要由脉冲产生器、数据处理单元、时间数字转换器、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的SPI接口组成。在实际应用中，由于TDC-GP2时间测量芯片的功耗很低，输入/输出电压(工作电压)为1.8～5.5V，核心电压为1.8～3.6V，所以可以采用电池供电，使用方便，同时单片机由4线的SPI接口相连，可以把TDC-GP2时间测量芯片作为单片机的一个外围设备来操作，通过内部ALU单元计算出时间间隔，并将结果送入结果寄存器保存起来。通过对TDC-GP2内部寄存器的设置，可以多次采样并将结果保存，TDC-GP2时间测量芯片是基于内部的模拟电路测量“传输延时”来进行的，以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高精度时间间隔测量。TDC-GP2时间测量芯片START信号与STOP信号之间的时间间隔由非门的个数决定，而非门的传输时间由集成电路工艺精确度确定。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达作进一步说明，本实施方式中，计时模块1还包括锁相电路和标定电路。
由于TDC-GP2时间测量芯片中门电路的传输时间受温度和电源电压的影响很大，因此该芯片内部设计了锁相电路和标定电路来减小温度和电源电压对门电路的传输时间的影响。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达作进一步说明，本实施方式中，‘与’判断门9采用TDC-GP2计时芯片实现。
在TDC-GP2计时芯片的测量范围内，两个STOP通道共用一个START通道。每个通道的典型分辨率为45ps，每个STOP通道都可以进行4次采样。测量范围为0～2.4μs，每个通道都可以选择上升沿或下降沿触发。ENABLE引脚提供强大的停止信号产生的功能，可测量任意两个信号之间的时间间隔。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达作进一步说明，本实施方式中，上述TDC-GP2计时芯片与计算机连接，计算机用于判断接收到的信号是否为回波激光信号。
回波激光信号具有时间相关性，所以可以同时触发探测器，从而‘与’判断门输出‘1’，计时模块1停止；噪声不具备时间相关性，不能同时触发探测器，从而‘与’判断门输出‘0’，计时模块1不动作，滤除掉噪声，计算机根据‘与’判断门9的输出信号来判断接收光学系统4接收到的信号是回波激光信号还是噪声。
计算机的上述判断功能可采用软件实现，该软件可以将TDC-GP2计时芯片记录下来的触发时间读取出来，并进行计时时间的比对，如果输入‘与’判断门的两路信号计时时间间隔小于初始设定的时间间隔，该计时时间被视为回波激光信号时间，计时间隔大于初始设定的时间间隔，则该计时时间被视为噪声时间。
上述软件可以使用lab-view设计，软件给出了用户可视化窗口，软件中可以外部设定的基本参数包括：串口选择、时间间隔阈值、允许通讯延迟、两路信号相差延迟。
1)串口选择：在运行程序前，需要选择对应的USB串口，以保证能够正常地接收TDC-GP2计时芯片传回的信号。
2)时间间隔阈值：将时间间隔阈值设定为外部可调的一个参数，可以根据外部的背景噪声情况来选取。程序运行前将其填入该软件的可视化窗口即可。
3)允许通讯延迟：该参数是指当计算机给TDC-GP2计时芯片一个起始信号，而TDC-GP2计时芯片没有及时的回馈结果，该软件将控制计算机经过一个通讯延迟时间时后再发送一个起始信号。上述允许通讯延迟一般选取10ns-15ns。
4)两路信号相差延迟：该参数主要是用于平衡两路计时电路固有的时间偏差，根据大量的测量平均结果，两路计时信号具有固定的时间差约为32ns，所以设定了一个补偿的时间延迟。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达作进一步说明，本实施方式中，分光镜6为50％：50％的分光镜。

Claims (6)

1.低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达，其特征在于，包括信号处理电路、激光器(2)、发射光学系统(3)、接收光学系统(4)、窄带滤光片(5)、分光镜(6)、一号Gm-APD单光子探测器(7)和二号Gm-APD单光子探测器(8)；
信号处理电路包括计时模块(1)和‘与’判断门(9)；
计时模块(1)的输出端连接激光器(2)的输入端，激光器(2)发射激光脉冲信号，发射光学系统(3)将接收到的激光脉冲信号准直发射出去；接收光学系统(4)接收信号，经接收光学系统(4)接收的信号再经窄带滤光片(5)入射到分光镜(6)，分光镜(6)将入射的信号分成两路，一号Gm-APD单光子探测器(7)接收其中的一路，二号Gm-APD单光子探测器(8)接收另一路，一号Gm-APD单光子探测器(7)的输出端连接‘与’判断门(9)的一号输入端，二号Gm-APD单光子探测器(8)连接‘与’判断门(9)的二号输入端，‘与’判断门(9)的输出端连接计时模块(1)。
2.根据权利要求1所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达，其特征在于，所述计时模块(1)采用TDC-GP2时间测量芯片实现。
3.根据权利要求2所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达，其特征在于，所述计时模块(1)还包括锁相电路和标定电路。
4.根据权利要求1所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达，其特征在于，所述‘与’判断门(9)采用TDC-GP2计时芯片实现。
5.根据权利要求4所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达，其特征在于，所述TDC-GP2计时芯片与计算机连接，计算机用于判断接收到的信号是否为回波激光信号。
6.根据权利要求1所述的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达，其特征在于，所述分光镜(6)为50％：50％的分光镜。
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