CN108828616A - 可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法。本发明包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、电动可调光学衰减器、恒虚警衰减控制单元、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、高精度计时电路和计数电路。本发明引入基于恒虚警控制的全自动光学衰减控制原理，使盖革模式APD组件能在不同背景光条件下均保持极低的虚警率，从而可实现单激光脉冲测距工作，具有测距响应速度快、实时性好、作用距离远等特点，特别适用于高速动态目标的实时测距与成像。

Description

可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法

技术领域

本发明涉及一种光子计数激光雷达，特别是可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法。

背景技术

激光雷达是以激光作为信号载波的雷达系统，其在军事、天文、工业等诸多领域都有着广泛应用。随着应用范围的拓展，激光雷达对极弱光的探测提出了越来越高的要求，因此具有光子计数灵敏度的盖革模式APD探测技术首当其冲被用到了激光雷达技术中。专利申请号CN 201710592023.X(申请公开号CN107272020A)报道了一种基于盖革模式APD的高灵敏偏振激光雷达系统,通过脉冲激光器、起偏器、1/4波片、窄带滤光片、和偏振分光器,将入射的激光信号分为两路激光信号并由两个单光子探测器接收,用信号处理模块将参考信号分别与两路探测信号进行相关,得到被测物上对应像素点的距离、强度等信息。该专利涉及的光子计数激光雷达工作在多脉冲累积累加统计方式，需要进行10^3～10^5次激光脉冲的发射和探测才能一次测距过程，因此实时性差，难以用于运动目标的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法，提高了激光雷达光子检测灵敏度和实时性。

实现本发明的技术解决方案为：一种可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达，包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、电动可调光学衰减器、恒虚警衰减控制单元、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、高精度计时电路和计数电路，其中测距管理终端与时序控制电路和计时电路相连；时序控制电路与激光器驱动电路、恒虚警衰减控制单元、控制传递器、计时电路和计数电路相连；激光器驱动电路与脉冲半导体激光器相连，脉冲半导体激光器的发光结设置在发射光学系统的焦点上；接收光学系统的焦点处设置盖革模式APD组件，接收光学系统发射光轴与盖革模式APD组件的接收接收光轴平行，盖革模式APD组件与计时电路、计数电路和控制传递器相连；在接收光学系统与盖革模式APD组件之间设置电动可调光学衰减器，电动可调光学衰减器与恒虚警衰减控制单元相连，恒虚警衰减控制单元与计数电路相连；控制传递器通过距离门电路与盖革模式APD组件相连。

上述光子计数激光雷达的恒虚警控制方法，包括如下步骤：

步骤1、工作前预恒虚警调控：在激光雷达工作前，时序控制电路控制传递器触发盖革模式APD组件检测噪声光子，计数电路记录噪声光子数，测距管理终端计算工作前的预虚警率，并与预期虚警率对比，若不一致，则通过恒虚警衰减控制单元驱动电动可调光学衰减器衰减入射光强，使得预虚警率达到预期虚警率，实现工作前预恒虚警调控；

步骤2、单脉冲发射：预虚警率调控完毕后，时序控制电路通过激光器驱动电路驱动半导体脉冲激光器产生激光脉冲，激光脉冲经过发射光学系统扩束、准直后照射向待测目标；与此同时，时序控制电路根据设定的“距离门等待时间”和“距离门延时”控制距离门电路产生光电探测器使能信号，驱动盖革模式APD组件检测光子，计时电路同步计时，光子计数电路同步计数；

步骤3、工作过程中虚警恒调控：当完成设定的探测周期后，测距管理终端根据回波信号峰值剔除信号探测时隙，统计纯噪声光子事件的计数次数之和，计算虚警率，并与预期虚警率对比，若不一致，则通过恒虚警衰减控制单元驱动电动可调光学衰减器衰减入射光强，使得虚警率达到预期虚警率，实现工作过程中虚警恒调控。

本发明与现有技术相比，其显著优势为：1)本发明引入基于恒虚警控制的全自动光学衰减抑制背景光子产生的虚警，可在不同背景光条件下实现单激光脉冲测距工作，具有测距响应速度快、实时性好、作用距离远等特点，特别适用于高速动态目标的实时测距与成像；2)本发明采用发射脉冲宽度大于盖革模式APD组件死区时间设计方案，巧妙实现了单脉冲激光脉冲作用下的多触发工作模式，可显著提高单脉冲测距的作用距离和测距精度；3)本发明采用连续测距前的恒虚警衰减控制和全过程虚警率控制相结合的虚警控制策略，确保了激光雷达工作的稳定性、可靠性和环境适应性

附图说明

图1为本发明可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明方案。

如图1所示，可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达，包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、电动可调光学衰减器、恒虚警衰减控制单元、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、高精度计时电路和计数电路，其中测距管理终端与时序控制电路和计时电路相连；时序控制电路与激光器驱动电路、恒虚警衰减控制单元、控制传递器、计时电路和计数电路相连；激光器驱动电路与脉冲半导体激光器相连，脉冲半导体激光器的发光结设置在发射光学系统的焦点上；接收光学系统的焦点处设置盖革模式APD组件，接收光学系统发射光轴与盖革模式APD组件的接收接收光轴平行，盖革模式APD组件与计时电路、计数电路和控制传递器相连；在接收光学系统与盖革模式APD组件之间设置电动可调光学衰减器，电动可调光学衰减器与恒虚警衰减控制单元相连，恒虚警衰减控制单元与计数电路相连；控制传递器通过距离门电路与盖革模式APD组件相连。

作为一种具体实施方式，所述光子计数激光雷达采用905nm脉冲半导体激光器作为探测光源，使系统具有测距重复频率高、体积小、功耗低和成本低等突出优势。

作为一种具体实施方式，脉冲半导体激光器的发射脉冲宽度大于盖革模式APD组件的死区时间，巧妙实现了单脉冲激光脉冲作用下的多触发工作，可显著提高单脉冲测距的作用距离和测距精度。

本发明的光子计数激光雷达通过恒虚警控制的全自动光学衰减强力抑制背景光子产生的虚警，从而可保证光子计数激光雷达在单脉冲探测条件下能满足虚警率要求，恒虚警控制方法具体包括如下步骤：

步骤1、工作前预恒虚警调控：在激光雷达工作前，时序控制电路控制传递器触发盖革模式APD组件检测噪声光子，计数电路记录噪声光子数，测距管理终端计算工作前的预虚警率，并与预期虚警率对比，若不一致，则通过恒虚警衰减控制单元驱动电动可调光学衰减器衰减入射光强，使得预虚警率达到预期虚警率，实现工作前预恒虚警调控。

作为一种具体实施方式，步骤1计算预虚警率的公式为：

式中，P_f-n为预虚警率，为每个死区时间内的噪声光子探测概率，T_d为死区时间，M_n为背景光噪声事件数。

步骤2、单脉冲发射：预虚警率调控完毕后，时序控制电路通过激光器驱动电路驱动半导体脉冲激光器产生激光脉冲，激光脉冲经过发射光学系统扩束、准直后照射向待测目标；与此同时，时序控制电路根据设定的“距离门等待时间”和“距离门延时”控制距离门电路产生光电探测器使能信号，驱动盖革模式APD组件检测光子，计时电路同步计时，光子计数电路同步计数；

步骤3、工作过程中虚警恒调控：当完成设定的探测周期后，测距管理终端根据回波信号峰值剔除信号探测时隙，统计纯噪声光子事件的计数次数之和，计算虚警率，并与预期虚警率对比，若不一致，则通过恒虚警衰减控制单元驱动电动可调光学衰减器衰减入射光强，使得虚警率达到预期虚警率，实现工作过程中虚警恒调控。

作为一种具体实施方式，步骤3选择设定选择探测周期内回波信号峰值的时间点为基准，向前退一个脉冲宽度，计算该时间点领域内的平均噪声光子探测事件数量，若计数次数大于平均噪声光子探测事件数量，则对应的时隙为信号探测时隙，剔除信号探测时隙后，统计纯噪声光子事件的计数次数之和计算虚警率。

作为一种具体实施方式，若死区时间小于距离门宽度减去两倍脉冲的时间，则步骤3计算虚警率的公式为：

式中，P_f-s表示虚警率，M_s表示探测周期内纯噪声光子事件的计数次数之和，T_W表示脉冲宽度的时间，T_g表示距离门宽度，T_d表示死区时间，m表示探测周期与单脉冲测距周期的比值。

作为一种具体实施方式，若死区时间大于距离门宽度，则步骤3计算虚警率的公式为：

式中，P_f-s表示虚警率，M_s表示探测周期内纯噪声光子事件的计数次数之和，T_W表示脉冲宽度的时间，T_g表示距离门宽度，T_d表示死区时间，m表示探测周期与单脉冲测距周期的比值。

为了验证本发明效果，本实施例采用如下配置搭建光子计数激光雷达。测距管理终端采用的ARM处理器型号为TMS320DSC21，其作为高性能微处理器芯片,使得处理平台的系统具有安装方便、配置灵活的突出优点。时序控制电路采用Spartan-6LXT型号的FPGA实现，是一类低成本高容量的FPGA，采用45nm低功耗敷铜技术，能在功耗、性能、成本之间很好地平衡。激光器驱动电路采用BFS-VRM03LP型号，模拟调制DC-25MHz，脉冲宽度20ns-CW。脉冲半导体激光器采用SPL LL90-3型半导体脉冲激光器，它可产生905nm的脉冲激光，峰值功率可达70W，在电路驱动的作用下可产生脉宽20ns的脉冲激光。发射光学系统的口径为30mm，探测视场角2α＝1mrad。接收光学系统的口径为30mm，探测视场角2α＝3mrad。电动可调光学衰减器采用HPMV-3型MEMS VOA，它具有最大30dB的衰减范围，衰减系数连续电控可调，插入损耗小于0.8dB，响应时间小于1ms。恒虚警衰减控制单元与测距管理终端共用一个型号为TMS320DSC21的ARM处理器芯片。盖革模式APD组件为SPCM50A型GmAPD，它具有单光子灵敏度。它的工作波段300nm-1000nm，光敏面直径50μm，暗计数率150Hz，最大计数率22MHz，死区时间45ns。距离门电路采用Spartan-6LXT型号FPAG产生门控信号。控制传递器采用型号74LS139二四译码器和辅助电路控制盖革模式APD组件的信号传输路径。计时电路采用高精度计时芯片TDC-GPX，它具最高10ps的计时精度，包含8个计时通道，单个计时周期最多可产生32次计时触发。计数电路采用S7-200PLC高速计数器，S7-200PLC高速计数器可达200K的计数速度，工作不受扫描周期限制。

本实施例光子计数雷达的工作过程包括下列步骤：

步骤1、首先进行激光雷达工作前的预恒虚警调控：时序控制电路在激光雷达工作的0-T时刻之前1s的时间内，通过控制传递器触发盖革模式APD用以检测噪声光子数，直接由计数电路记录噪声光子事件数，存储数据并由测距管理终端进行数据处理，得到工作前的预虚警率，将求得的预虚警率P_f-n与预期预虚警率P_F进行对比，调节电动可调光学衰减器使得虚警率达到要求。

基于GmAPD的激光雷达采用脉冲飞行时间测距法获取目标的距离信息。由于GmAPD存在死区时间T_d，那么先前光子探测所造成的死区时间会屏蔽APD对后续光子的响应，并得到错误的目标距离。实践中为了减少背景噪声对目标探测的影响，常采用距离门选通技术，以便在特定的时间内开启探测窗口。

因此在此实施例中，基于上述技术，选择用计数电路得到1秒内探测到的背景光噪声事件数M_n，P_n为每个死区时间T_d内的噪声光子探测概率，完全噪声探测事件概率为1，预虚警率P_f-n满足如下关系式。

此处求得的P_f-n即为激光雷达工作前的预虚警率，为调控恒定预虚警率提供数据参考，从而实现了预恒虚警率的发明特点。

步骤2、接下来通过单脉冲发射，激光雷达开始工作：时序控制电路驱动一个激光驱动电路，再由激光驱动电路驱动一个半导体脉冲激光器，半导体脉冲激光器发射单脉冲照射向待测目标。预虚警率调控完毕后，由时序控制电路在T时刻发出一个激光触发信号到达激光器驱动电路，使其驱动半导体脉冲激光器，得到一个激光脉冲，脉冲经过发射光学系统的扩束和准直后，照射向待测目标；与此同时，时序控制电路给计时电路发出信号，使得计时电路开始同步计时。

在T时刻的第一个激光触发信号产生的同时，时序控制电路根据外部设定的“距离门等待时间”等待一段时间。等待时间结束后，再根据“距离门延时”向探测距离门电路传送“距离门延时”控制信号，从而控制距离门电路的开启时长。距离门电路产生光电探测器使能信号，信号传送给盖革模式APD，使得盖革模式APD处于工作状态。

步骤3、单脉冲光子计数激光雷达工作后，通过数据分析与处理过程得出虚警率调节方案：由距离门电路控制触发盖革模式APD，将入射光子探测事件时间戳等数据信息传送给测距管理终端进行数据处理。由激光雷达工作计时电路计时，光子计数电路计数，测距管理终端进行数据的汇总和分析处理。经过计算分析和数据处理，将虚警率调节方案通过时序控制电路发送给衰减调节部分。

当来自目标的反射光被接受光学系统接受、聚焦，并且经过电动可调节光学衰减器的衰减之后，入射到盖革模式APD探测器光敏面，一旦入射光子使盖革模式APD产生雪崩电流，“停止计时”信号就会输出给计时电路，记录并保存下此次入射光子探测事件的时间戳。盖革模式APD在光子探测雪崩后，进入死区时间，经历淬灭—重置过程后，盖革模式APD重新恢复工作状态，在距离门使能信号的作用下持续工作，直到距离门延时时间结束。

当距离门延时时间结束后，光电探测器使能信号对盖革模式APD无效，从而使盖革模式APD停止工作。一段时间之后，一个小探测周期结束。当时序控制电路在下一个T时刻产生新的第一个激光触发信号时，下一个小探测周期开始。

由于SPL LL90-3型半导体脉冲激光器驱动电路的触发信号的频率为10kHz，电动可调光衰减器HPMV-3型MEMS VOA的最小响应时间为1ms，为了兼顾器件参数和减少二次虚警(激光雷达开始工作过程时的虚警)的统计时间，所以在二次虚警控制中，选择m＝100个单脉冲测距周期进行恒虚警控制。找到回波信号峰值的大致位置后，以这个时间点为基准，向前退一个脉冲宽度的时间T_W，记为t₀。计算t₀时间点的领域内的平均噪声光子探测事件P_s。以P_s的数量大小为基准线，认为大于此此基准的计数次数所对应的时隙为信号探测时隙，将信号探测时隙剔除之后，统计m个周期内纯噪声光子事件的计数次数之和，记为M_s。那么此时的虚警率P_f-s的计算公式如式(3)。

本发明探讨的是死区时间T_d小于距离门宽度减去两倍脉冲(T_g-2P_W)的时间情况。另外，如果在死区时间T_d大于距离门宽度T_g的长死区时间情况下，即在每个探测周期中距离门内仅能产生一次探测事件，那么(7)式写为：

统计m个周期后的测量结果，根据距离门宽度Tg、探测器死区时间长度Td，求出此时的虚警率P_f-s。

步骤4、求得工作过程中的虚警率后，进行工作过程中虚警恒调控：衰减调节功能主要由恒虚警衰减控制单元和电动可调光学衰减器实现。恒虚警衰减控制单元接收到虚警率调节方案后，驱动电动可调光学衰减器，控制虚警率为所需值，从而达到入射光强衰减可调的恒虚警单脉冲探测的光子计数激光雷达技术要求。

由步骤3求出的由m个周期数据得到激光雷达工作过程中的虚警率P_f-s后，将此虚警率值传送给时序控制电路与P_F做二次比对，使时序控制电路产生衰减器控制信号，从而控制恒虚警衰减控制单元，调节电动可调光学衰减器使得虚警率调整为P_F。

在此之后，系统将按照预期的虚警率P_F完成剩余探测，当每完成后续m＝100个探测周期时，重复上述二次虚警控制过程，达到恒虚警探测的目的。在此实施例中，恒虚警探测系统通过二次虚警控制过程，将虚警率稳定在极低的程度上，通过单脉冲测距工作，快速实时地得到了质量更优的测距数据。

Claims (8)

1.一种可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达，其特征在于，包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、电动可调光学衰减器、恒虚警衰减控制单元、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、高精度计时电路和计数电路，其中测距管理终端与时序控制电路和计时电路相连；时序控制电路与激光器驱动电路、恒虚警衰减控制单元、控制传递器、计时电路和计数电路相连；激光器驱动电路与脉冲半导体激光器相连，脉冲半导体激光器的发光结设置在发射光学系统的焦点上；接收光学系统的焦点处设置盖革模式APD组件，接收光学系统发射光轴与盖革模式APD组件的接收接收光轴平行，盖革模式APD组件与计时电路、计数电路和控制传递器相连；在接收光学系统与盖革模式APD组件之间设置电动可调光学衰减器，电动可调光学衰减器与恒虚警衰减控制单元相连，恒虚警衰减控制单元与计数电路相连；控制传递器通过距离门电路与盖革模式APD组件相连。

2.根据权利要求1所述的可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达，其特征在于，采用905nm脉冲半导体激光器作为探测光源。

3.根据权利要求1所述的可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达，其特征在于，脉冲半导体激光器的发射脉冲宽度大于盖革模式APD组件的死区时间。

4.基于权利要求1-3任意一项所述的光子计数激光雷达的恒虚警控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、工作前预恒虚警调控：在激光雷达工作前，时序控制电路控制传递器触发盖革模式APD组件检测噪声光子，计数电路记录噪声光子数，测距管理终端计算工作前的预虚警率，并与预期虚警率对比，若不一致，则通过恒虚警衰减控制单元驱动电动可调光学衰减器衰减入射光强，使得预虚警率达到预期虚警率，实现工作前预恒虚警调控；

步骤2、单脉冲发射：预虚警率调控完毕后，时序控制电路通过激光器驱动电路驱动半导体脉冲激光器产生激光脉冲，激光脉冲经过发射光学系统扩束、准直后照射向待测目标；与此同时，时序控制电路根据设定的“距离门等待时间”和“距离门延时”控制距离门电路产生光电探测器使能信号，驱动盖革模式APD组件检测光子，计时电路同步计时，光子计数电路同步计数；

步骤3、工作过程中虚警恒调控：当完成设定的探测周期后，测距管理终端根据回波信号峰值剔除信号探测时隙，统计纯噪声光子事件的计数次数之和，计算虚警率，并与预期虚警率对比，若不一致，则通过恒虚警衰减控制单元驱动电动可调光学衰减器衰减入射光强，使得虚警率达到预期虚警率，实现工作过程中虚警恒调控。

5.根据权利要求1所述的光子计数激光雷达的恒虚警控制方法，其特征在于，步骤1计算预虚警率的公式为：

式中，P_f-n为预虚警率，为每个死区时间内的噪声光子探测概率，T_d为死区时间，M_n为背景光噪声事件数。

6.根据权利要求1所述的光子计数激光雷达的恒虚警控制方法，其特征在于，步骤3选择设定选择探测周期内回波信号峰值的时间点为基准，向前退一个脉冲宽度，计算该时间点领域内的平均噪声光子探测事件数量，若计数次数大于平均噪声光子探测事件数量，则对应的时隙为信号探测时隙，剔除信号探测时隙后，统计纯噪声光子事件的计数次数之和计算虚警率。

7.根据权利要求1所述的光子计数激光雷达的恒虚警控制方法，其特征在于，若死区时间小于距离门宽度减去两倍脉冲的时间，则步骤3中计算虚警率的公式为：

式中，P_f-s表示虚警率，M_s表示探测周期内纯噪声光子事件的计数次数之和，T_W表示脉冲宽度的时间，T_g表示距离门宽度，T_d表示死区时间，m表示探测周期与单脉冲测距周期的比值。

8.根据权利要求1所述的光子计数激光雷达的恒虚警控制方法，其特征在于，若死区时间大于距离门宽度，则步骤3计算虚警率的公式为：

式中，P_f-s表示虚警率，M_s表示探测周期内纯噪声光子事件的计数次数之和，T_W表示脉冲宽度的时间，T_g表示距离门宽度，T_d表示死区时间，m表示探测周期与单脉冲测距周期的比值。