CN107390230B - 基于半对齐时间门的双Gm-APD光子计数激光雷达 - Google Patents

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Abstract

基于半对齐时间门的双Gm‑APD光子计数激光雷达，涉及激光雷达技术领域，为了解决现有双Gm‑APD探测器光子计数激光雷达的探测概率低的问题。本发明的一号Gm‑APD单光子探测器的时间门和二号Gm‑APD单光子探测器的时间门为非对齐、半错位状态。本发明有效的降低了当回波信号处在两个时间门交界时引起的漏警概率，提高了探测概率，与现有的双Gm‑APD探测器光子计数激光雷达相比测距精度提高了一倍。

Description

基于半对齐时间门的双Gm-APD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，特别是涉及一种高精度高探测概率的微弱信号探测技术。
背景技术
光子计数激光雷达使用Gm-APD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单光子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，因此如何有效的滤除背景噪声，研制低虚警的Gm-APD探测器光子计数激光雷达成为了研究的热点。
前期我们提出了低虚警的双Gm-APD探测器光子计数激光雷达的方案，具体见【Ahigh detection probability method for Gm-APD photon counting laser radar,SPIE,2013:89121C-89121C-6.】，该研究将信号回波平均分为两路并且同时探测，由于信号具有时间相关性而噪声随机分布的特点，将两路的探测结果进行比较，通过一个与判断门对信号和噪声进行分辨。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’记录下信号；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’滤除掉噪声。
经过后期的大量研究，发现该方法虽然可以有效滤除随机分布的噪声，但回波信号也有很大的概率位于两个与门判断的时间段交界处，回波信号的能量会被分在两个“与”门判断的时间段。如图1所示，例如一号Gm-APD左侧的时间段触发，记为1；右侧的时间段未触发，记为0。而二号Gm-APD左侧的时间段未触发，记为0；右侧的时间段触发，记为1。这样由于时间门是对齐设置的，与门判断处理后就会得到都是0的结果，从而错过目标回波信号，极大的影响了探测概率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有双Gm-APD探测器光子计数激光雷达的探测概率低的问题，从而提供基于半对齐时间门的双Gm-APD光子计数激光雷达。
本发明所述的基于半对齐时间门的双Gm-APD光子计数激光雷达，包括计时模块1、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；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的输出端连接与判断门9的二号输入端，与判断门9的输出端连接计时模块1的输入端；
一号Gm-APD单光子探测器7的时间门和二号Gm-APD单光子探测器8的时间门为非对齐、半错位状态。
优选的是，分光镜6为50％：50％的分光镜。
本发明的一号Gm-APD单光子探测器7的时间门和二号Gm-APD单光子探测器8的时间门是半对齐设置的，通过本发明的半对齐与判断门噪声滤除方法，可以在保证同等背景噪声滤除能力的基础上，有效的降低了当回波信号处在两个时间门交界时引起的漏警概率，提高了探测概率，与现有的双Gm-APD探测器光子计数激光雷达相比测距精度提高了一倍。
附图说明
图1是现有技术时间门对齐的低虚警双Gm-APD探测器光子计数激光雷达的与判断处理示意图；
图2具体实施方式一所述的基于半对齐时间门的双Gm-APD光子计数激光雷达的结构示意图；
图3是具体实施方式一中的半对齐时间门的与判断处理示意图；
图4是具体实施方式一中的半对齐时间门的高精度测距处理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图2至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于半对齐时间门的双Gm-APD光子计数激光雷达，包括计时模块1、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；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的输出端连接与判断门9的二号输入端，与判断门9的输出端连接计时模块1的输入端；
一号Gm-APD单光子探测器7的时间门和二号Gm-APD单光子探测器8的时间门为非对齐、半错位状态。本实施方式中分光镜6为50％：50％的分光镜。
(1)基于半对齐时间门的高探测概率
采用非对齐的、半错位的与判断门的时间段。接收光学系统4接收回波脉冲，如图3所示，当回波脉冲正好在一号Gm-APD单光子探测器的两个与判断门的时间段交界处时，由于脉冲信号的宽度控制在小于与判断门的时间段长度，它会完全落在二号Gm-APD单光子探测器的对应与判断门的时间段上。这样无论一号Gm-APD单光子探测器相邻的两个与判断门的时间段的计数结果是0，1还是1，0。对应的二号Gm-APD单光子探测器的与判断门的时间段由于拥有整个回波脉冲都会产生1的计数信号，这样与门的处理结果都为1。从而极大的提高了这种激光雷达的探测概率。
(2)基于半对齐时间门的高精度测距
采用非对齐的、半错位的与判断门可以提高一倍的测距精度。例如，对齐的与判断门的时间段，当回波信号计时出现在某一个时间门内，设时间门宽度为τ，它无法分辨回波信号的具体位置，因此它的测距精度为时间门的宽度对应的距离τc/2，C为光速。而采用非对齐的、半错位的与判断门的时间段，相当于可以通过两个探测器的时间段对比，得到计时脉冲在对应的前半个门还是后半个门。如图4所示，一号Gm-APD单光子探测器在某一个时间门出现了信号，虽然它不知道信号在该时间门内的具体位置，但由于一号Gm-APD单光子探测器和二号Gm-APD单光子探测器是半对齐设置的，二号Gm-APD单光子探测器相邻的两个时间门分别对应着一号Gm-APD单光子探测器的这个时间门的前半部分和后半部分，根据二号Gm-APD单光子探测器的信号位置就可以判断该信号是处于一号Gm-APD单光子探测器这个时间门的前半部分和后半部分，这样测距精度对应的就是半个时间门的宽度τ/2，对应的测距精度为τc/4，较现有的对齐的时间门的双Gm-APD探测器光子计数激光雷达相比提高了一倍的测距精度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (2)

1.基于半对齐时间门的双Gm-APD光子计数激光雷达，包括计时模块(1)、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)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；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)的输出端连接与判断门(9)的二号输入端，与判断门(9)的输出端连接计时模块(1)的输入端；
其特征在于，一号Gm-APD单光子探测器(7)的时间门和二号Gm-APD单光子探测器(8)的时间门为非对齐、半错位状态，脉冲信号的宽度控制在小于与判断门的时间段长度。
2.根据权利要求1所述的基于半对齐时间门的双Gm-APD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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