CN108089194A - 一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达，包括信号发生器、光强调制器、激光器、分光棱镜、环形器、光学系统、扫描器、GM‑APD单光子探测器、光电二极管、光子计数模块、信号处理模块。采用收发同路的光学系精简系统整体结构，并用扫描器扫描发射激光脉冲串，扩大激光雷达视场角。由光学系统发射的激光信号经分光棱镜之后，一部分直接照射在光电二极管作为光触发信号，另一部分经扫描器扫描后照射至目标，经目标反射后的回波信号入射至扫描器，经光学系统返回到环形器第二端口，经环形器第三端口入射至GM‑APD单光子探测器，GM‑APD单光子探测器记录回波序列并产生停止信号，光子计数模块记录的探测结果传输至信号处理模块做后续处理，得到脉冲串的飞行时间。

Description

一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达。
背景技术
伪随机编码的光子计数激光雷达采用GM-APD作为探测器，具有单光子探测能力，能够测量远距离弱信号目标，同时发射的脉冲采用伪随机编码的脉冲串，这种脉冲串一方面能提高雷达信号的信噪比，另一方面一次探测就能获得目标距离，无需多次累加，极大的减小了成像时间，能够对高动态目标进行探测，因此受到科研人员的关注，成为激光雷达领域研究的热点。但是，GM-APD有一个不可避免的缺点，即它存在纳秒甚至微妙量级的死时间，这个死时间的存在，大大降低了传统伪随机码作为发射脉冲的探测效率。
发明内容
本发明是为了解决传统伪随机编码光子计数激光雷达受GM-APD单光子探测器死时间影响，探测效率低的问题，本发明提供了一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达。
本发明采用的技术方案为：一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达，它包括信号发生器、光强调制器、激光器、分光棱镜、环形器、光学系统、扫描器、GM-APD单光子探测器、光电二极管、光子计数模块、信号处理模块。
所述产生复合伪随机编码的脉冲信号的信号发生器输出端同时与光强调制器的编码输入端和信号处理模块的一个信号输入端连接，光强调制器的编码输出端与激光器的输入端连接，激光器的脉冲信号输出端与分光棱镜的输入端连接，分光棱镜的一个输出端与光电二极管的输入端连接，在光子计数模块的一个输入端产生开始信号，分光棱镜的另一个输出端与环形器的第一端口①连接，环形器的第二端口②与光学系统的输入端连接，光学系统的输出端连接至扫描器的输入端，激光脉冲从扫描器的输出端照射至目标，由目标反射后的回波信号再次从扫描器的输出端进入输入端，经光学系统会聚之后进入环形器的第二端口②，再从环形器的第三端口③进入GM-APD单光子探测器的输入端，GM-APD单光子探测器的输出端连接至光子计数模块的另一个端口产生停止信号，光子计数模的输出端产生回波伪随机序列并连接至信号处理模块的一个输入端口，信号处理模块对接收的回波伪随机序列与信号发生器产生的复合伪随机序列做互相关处理，从而得到目标的距离信息。
所述的信号发生器模块根据GM-APD的死时间对传统的伪随机序列进行复合调制的具体过程为：首先，根据伪随机编码原理产生传统的伪随机系列，所述的传统伪随机序列包含‘0’和‘1’两个类型的码，且这两种类型的码具有相同的码元宽度，所述的‘0’码代表不发射信号，所述的‘1’码代表发射信号；其次，对传统伪随机序列中的‘1’码进行调制，所述的调制方法为将传统伪随机序列中所有的‘1’码改为由一个实际的‘1’码与死时间长度对应的若干个‘0’码组成，对传统伪随机序列中的‘0’码不做调制；最终，将伪随机序列中的所有‘1’码替换为‘1’码与若干‘0’码的组合，作为最终的伪随机序列传输给光强调制器,以此来调制发射激光。
所述的分光棱镜、环形器、光学系统、扫描器、GM-APD单光子探测器、光电二极管组成一个带有光信号同步触发的收发同路的光学测量系统，所述的分光棱镜分一部分光照射到光电二极管得到一个光信号的同步触发，另一部分光通过环形、光学系统、扫描器发射照射到目标后，经目标反射的回波信号原路返回至环形器的第二端口②，由环形器的第二端口②传输至第三端口③的光敏面，触发GM-APD单光子探测器产生脉冲冲击响应，记录回波信号。
所述的GM-APD单光子探测器和光电二极管产生脉冲冲击响应由光子计数模块记录，得到伪随机序列，信号处理模块将信号发生器产生的伪随机序列和光子计数模块记录的回波伪随机序列做互相关运算，所述互相关运算的峰值所对应的时间延迟即为雷达测距所对应的延迟时间t，通过下述公式：
R＝ct/2
获得目标的实际距离R，其中c为光速。
本发明的优点在于：
1.复合调制伪随机编码光子计数激光雷达，使用GM-APD单光子探测器，具有响应单光子的能力，能够对远距离弱信号目标进行探测。
2.复合调制伪随机编码光子计数激光雷达，发射一次伪随机脉冲串就可以获得一个目标距离值，无需多次累加，极大的减少了成像时间，可以用于高动态目标探测。
3.复合调制伪随机编码光子计数激光雷达，根据GM-APD单光子探测器的死时间对伪随机序列进行复合编码，减少了因为死时间的影响使得回波序列与发射序列相关性差的问题，提高了伪随机编码光子计数激光雷达的抗噪能力和测距性能。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达的结构示意图；
图2为本发明的复合伪随机编码原理示意图(图中d为死时间对应的码元的个数)。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达，它包括信号发生器1、光强调制器2、激光器3、分光棱镜4、环形器5、光学系统6、扫描器7、GM-APD单光子探测器8、光电二极管9、光子计数模块10、信号处理模块11；
所述的信号发生器1产生复合伪随机编码的脉冲信号输出端同时与光强调制器2的信号输入端和信号处理模块11的信号输入端连接，光强调制器2的复合编码输出端与激光器3的输入端连接，激光器3的脉冲信号输出端与分光棱镜4的输入端连接，分光棱镜4的一个输出端与光电二极管9的输入端连接，在光子计数模块10的一个输入端产生开始信号，分光棱镜4的另一个输出端与环形器5的第一端口①连接，环形器5的第二端口②与光学系统6的输入端连接，光学系统6的输出端连接至扫描器7的输入端，激光脉冲从扫描器7的输出端照射至目标，由目标反射后的回波信号再次从扫描器7的输出端进入输入端，经光学系统6会聚之后进入环形器5的第二端口②，再从环形器5的第三端口③进入GM-APD单光子探测器8的输入端，GM-APD单光子探测器8的输出端连接至光子计数模块10的另一个端口产生停止信号，光子计数模块10的输出端产生回波伪随机序列并连接至信号处理模块11，信号处理模块11对接收的伪随机序列与信号发生器1产生的复合伪随机序列做互相关处理，从而得到目标的距离信息。
具体实施方式二：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达的区别在于，所述的信号发生器模块的具体过程为：
首先，根据伪随机编码原理产生传统的伪随机系列，所述的传统伪随机序列包含‘0’和‘1’两个类型的码，且这两种类型的码具有相同的码元宽度，所述的‘0’码代表不发射激光脉冲，所述的‘1’代表发射激光脉冲；
其次，对传统伪随机序列中的‘1’码进行调制，所述的调制方法为将传统伪随机序列中所有的‘1’码改为由一个实际的‘1’码与死时间长度对应的若干个‘0’码组成，对传统伪随机序列中的‘0’码不做调制；
最终，将伪随机序列中的所有‘1’码替换为‘1’码与若干‘0’码的组合，并作为最终的伪随机序列传输给光强调制器,以此来调制发射激光。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二所述的一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达的区别在于，具体实施方式二所述的调制激光脉冲通过雷达系统实现具体测距的过程为：
由具体实施方式二产生的复合伪随机调制激光序列经所述的分光棱镜、环形器、光学系统、扫描器、GM-APD单光子探测器、光电二极管组成一个带有光信号同步触发的收发同路的光学测量系统，分光棱镜分一部分光照射到光电二极管光敏面得到一个光信号的同步触发，另一部分光通过环形、光学系统、扫描器发射照射至目标后，经目标反射并原路返回至环形器第二端口②，到达环形器第二端口②的回波信号由环形器第三端口③照射至GM-APD单光子探测器光敏面，触发GM-APD单光子探测器，GM-APD受回波光子激发产生冲击响应的电信号，并传输至单光子计数模块。
所述的信号处理模块将信号发生器产生的伪随机序列和光子计数模块记录的回波伪随机序列做互相关运算，互相关运算峰值所对应的时间延迟即为雷达测距所对应的延迟时间t，通过下述公式：
R＝ct/2
获得目标的实际距离R，其中c为光速。

Claims (4)

1.一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达，其特征在于：它包括信号发生器(1)、光强调制器(2)、激光器(3)、分光棱镜(4)、环形器(5)、光学系统(6)、扫描器(7)、GM-APD单光子探测器(8)、光电二极管(9)、光子计数模块(10)、信号处理模块(11)；其中：
所述的信号发生器(1)产生复合伪随机编码的脉冲信号输出端同时与光强调制器(2)的编码输入端和信号处理模块(11)的编码输入端连接，光强调制器(2)的编码输出端与激光器(3)的输入端连接，激光器(3)的脉冲信号输出端与分光棱镜(4)的输入端连接，分光棱镜(4)的一个输出端与光电二极管(9)的输入端连接，在光子计数模块(10)的一个输入端产生开始信号，分光棱镜(4)的另一个输出端与环形器(5)的第一端口(①)连接，环形器(5)的第二端口(②)与光学系统(6)的输入端连接，光学系统(6)的输出端连接至扫描器(7)的输入端，激光脉冲从扫描器(7)的输出端照射至目标，由目标反射后的回波信号再次从扫描器(7)的输出端进入扫描器(7)的输入端，经光学系统(6)会聚之后进入环形器(5)的第二端口(②)，再从环形器(5)的第三端口(③)进入GM-APD单光子探测器(8)的输入端，GM-APD单光子探测器(8)的输出端连接至光子计数模块(10)的另一个端口产生停止信号，光子计数模块(10)的输出端产生回波伪随机序列并连接至信号处理模块(11)，信号处理模块(11)对接收的伪随机序列与信号发生器产生的复合伪随机序列做互相关处理，从而得到目标的距离信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达，其特征在于：信号发生器模块(1)根据GM-APD单光子探测器的死时间对传统的伪随机序列进行复合调制，具体过程为：首先，根据伪随机编码原理产生传统的伪随机系列，所述的传统伪随机序列包含‘0’和‘1’两种类型的伪随机码，且这两种类型的码元宽度相同，所述的‘0’码代表不发射脉冲信号，所述的‘1’代表发射脉冲信号；其次，对传统伪随机序列中的‘1’码进行调制，所述的调制方法为将传统伪随机序列中所有的‘1’码改为由一个‘1’码和死时间长度对应的若干个‘0’码组成，对传统伪随机序列中的‘0’码不做调制；最终，将伪随机序列中的所有‘1’码替换为传统伪随机序列中的‘1’码与若干‘0’码的组合，作为调制后的伪随机序列传输给光强调制器(2)，以此来调制发射激光脉冲。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达，其特征在于，分光棱镜(4)、环形器(5)、光学系统(6)、扫描器(7)、GM-APD单光子探测器(8)、光电二极管(9)组成一个带有光信号同步触发的收发同路的光学测量系统，所述的分光棱镜(4)一部分光照射到光电二极管(9)得到一个光信号的同步触发，另一部分光通过环形器(5)、光学系统(6)、扫描器(7)发射照射到目标后，经目标反射的光束进入扫描器(7)并原路返回至环形器(5)的第二端口(②)，进入环形器(5)的第二端口(②)的回波脉冲由环形器(5)的第三端口(③)照射至GM-APD单光子探测器(8)的光敏面，并触发GM-APD单光子探测器(8)产生电信号的冲击响应。
4.根据权利要求3所述的一种基于复合伪随机编码的光子计数激光雷达，其特征在于，GM-APD单光子探测器(8)和光电二极管(9)产生电信号的冲击响应由光子计数模块(10)记录，信号处理模块(11)将信号发生器(1)产生的伪随机序列和光子计数模块(10)记录的回波伪随机序列做互相关运算，所述互相关运算的峰值所对应的时间延迟即为雷达测距所对应的延迟时间t，通过下述公式：
R＝ct/2
获得目标的实际距离R，其中c为光速。
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