CN109991624B - 一种基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达及检测方法 - Google Patents
一种基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达及检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达系统及检测方法，通过将一定频率的脉冲激光通过同轴激光装置发射到大气中，大气会对激光产生散射作用，后向散射激光通过同轴接收镜接收后，将光线聚焦，然后投射到探测器上；探测器可以实现自动增益调节，一旦有光信号输入，会输出脉冲信号；脉冲信号通过射频线缆进入TCSPC数据采集装置中，该装置可以实现32ps的分辨精度，因此可以准确的分辨信号的输入时间；信号采集后，后级算法会对数据进行实时处理，分析当前大气的状态，污染物的距离以及污染物的形态等。该雷达适于云高测试、团雾监测、污染物排放监测、激光测距、大气气溶胶监测、臭氧层测试、温湿度监测等等。
Description
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，尤其涉及一种基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达及检测方法
背景技术
随着工业发展，大气污染越来越受到国家的重视，因此科研院所以及公司单位研发了一些可以监测大气状态的设备，其中一类设备为大气遥感设备，即可以测量监测远距离的大气参数状态，但是市场上该类设备存在着测量盲区大、稳定性差、测量精度不够高等现象。
发明内容
本发明基于上述问题提供了一种基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达，该雷达可以自主运行，具有稳定可靠、自动校准、盲区小、测量精度高、空间分辨率高等有点，为大气的研究分析提供一定的数据支持。
本实用提供的一种基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达，包括：
同轴激光装置、3D振镜调节装置、单光子探测器、TCSPC数据采集装置，其中，
所述同轴激光装置包括接收单元、发送单元、折射镜、偏振脉冲激光器，所述偏振脉冲激光器用于输出频率可控的脉冲激光信号，所述脉冲激光信号经过折射镜以及发送单元发射到大气中，所述接收单元用于接收大气对所述脉冲激光信号产生散射作用后的后向散射激光信号；
所述3D振镜调节装置，用于在接收到所述后向散射激光信号后，进行动态多维度角度调整光信号方向以及强度，自动校正光学偏差，实现光路的修正；
所述单光子探测器，用于在接收到修正后的所述散射激光信号后将光信号转换为电脉冲信号，并且通过动态调整工作电压实现自动增益控制，过滤无用光信号；
所述TCSPC数据采集装置，用于对接收到的经过过滤后的电脉冲信号进行分析处理，实现高端经度的距离测量以及高空间分辨率的大气数据分析。
优选的，所述同轴激光装置还包括加热装置，用于当环境温度低于激光器工作最佳温度时，对所述偏振脉冲激光器进行加热。
优选的，所述激光器最佳温度范围为15℃～35℃。
优选的，所述还包括制冷装置，所述制冷装置采用水冷模式，通过水泵推动液体流动，及时带走所述偏振脉冲激光器以及所述单光子探测器的热量，使得雷达工作在最佳的温度状态。
优选的，所述同轴激光装置的接收单元采用卡塞格林光学结构，所述发送单元与所述接收单元采用共轴设计，通过调节两级折射的发射角度，实现光路发射路径与卡塞林接收视场角处于同一个轴线上。
优选的，所述3D振镜调节装置通过所述TCSPC数据采集装置来控制，当所述单光子探测器输出信号过大时，趋于饱和状态时，微调所述3D振镜调节装置，使得进入所述单光子探测器的光信号减少，当所述单光子探测器输出信号偏弱时，趋于饱和状态时，微调所述3D振镜调节装置，使得进入所述单光子探测器的光信号增强。
优选的，所述单光子探测器采用工作在盖格模式的PMT或者APD来接收光子信号，通过动态调整工作电压来实现自动增益控制，所述单光子探测器的监测范围为10-9W—10- 18W，通过所述单光子探测器中的门控电路过滤掉无用的光信号。
优选的，所述TCSPC数据采集装置的采集参数设置为6通道输入信号，1Gbps采样频率，32ps时间分辨率，4.8mm空间分辨率，其通信接口包括PCIE接口和网口。
根据本发明的一实施例，本发明还提供了一种基于新型激光雷达的大气检测方法，所述方法包括：
步骤一、向大气中发射脉冲激光信号，接收经过大气散射作用后的后向散射激光，并将光线聚焦；
步骤二、对聚焦后的激光信号判断是否出现光路偏移，如果出现偏移，则对光路进行自我修正，然后对光路信号进行检测，判断待检测的光信号容量大小，如果光信号过大，则减少待检测光信号的输入，如果光信号过小，则增强光信号的输入；
步骤三、判断输入的光信号是否属于有用信号，如果是无用信号则过滤，将有用的光信号转换为电脉冲信号后进行动态增益调节，最后对调节后的光信号进行数据分析处理，获取当前大气的状态参数。
本发明专利是为了能够更好的对大气进行实时、高精度监测而设计的，可以解决上述几种问题。本发明具有的特性如下：
(1)采用激光雷达原理，分析大气参数，发射脉冲激光，监测脉冲激光反射状态，进而分析大气的云、雾、雾霾、PM2.5、PM10、固体颗粒等等分布情况以及时空演变；
(2)采用卡塞格林同轴光路设计，可以有效减小探测盲区到20米；
(3)采用自动增益单光子探测技术(PMT、APD等传感器)来采集散射激光信号，灵敏度高，相应速度快；
(4)采用自校准光学系统，可以自动调整光学接收系统接收视场角，时刻保证光路的同轴性；
(6)采用TCSPC时间分辨技术，可以分辨最小32ps时间间隔，4.8mm空间距离；
(7)后期算法处理，可以实时解析大气的数据，并且通过与其她设备联合使用实现对雷达校准的功能；
附图说明
图1为本发明提供的一种新型激光雷达结构示意图
图2为本发明提供的一种新型激光雷达一实施例的卡塞格林光学结构示意图；
图3为本发明提供的一种新型激光雷达一实施例的同轴激光装置结构示意图；
图4为本发明提供的一种新型激光雷达一实施例的单光子探测器结构示意图；
图5为本发明提供的一种新型激光雷达一实施例的门电路示意图；
图6为本发明提供的一种新型激光雷达一实施例的TCSPC数据采集装置结构示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围
如图1所示，本发明提供的一种基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达结构示意图，所述雷达包括了同轴激光装置、3D振镜调节装置、单光子探测器、TCSPC数据采集装置，同时，还包括了加热装置和制冷装置。
在本发明中，如图3所示为同轴激光装置，结合图1和图2，所述同轴激光装置包括了接收单元、发送单元、折射镜、偏振脉冲激光器以及加热装置，在工作中，通过偏振脉冲激光器发射脉冲激光信号，在实际工作中，当环境温度低于激光器工作最佳温度时，通过加热装置对所述偏振脉冲激光器进行加热。脉冲激光器发射的光信号经过发送单元也就是经过扩束镜后通过折射镜发送到大气中，大气会对激光信号产生散射作用，后向散射激光信号通过所述接收单元来接收，在这里的接收单元采用的是卡塞格林光学结构，该结构有效的降低了接收镜筒长度、减轻镜筒重量且具有接收视场小、成像边缘清晰等特点，有效的解决其它光学徐彤笨重、体积大等缺点，通过调节反射镜的位置可以调节焦距，实现最大限度的光信号进入到后级。
在本发明中，发送单元和接收单元采用共轴设计方式，当激光通过发射单元扩束后，通过调节两级折射的反射角度，实现光路发射路径与卡塞林接收视场角始终处于同一个轴线上，该做法大大减小了盲区，将测量盲区减小到了20米。
由于在光路信号传输过程中，可能会发现偏移，因此，在本发明中采用3D振镜调节装置，用以实现镜片的水平、垂直调节，同轴激光装置接收到后向散射激光信号后，向后级传输时，经过3D振镜调节装置，当由于光路出现偏移后，通过调节3D振镜调节装置的电机实现光路的自我修正，使输入到单光子探测器的光能量处于最佳状态，振镜电机通过TCSPC数据采集装置来控制，当探测器装置输出信号过大，趋于饱和状态时，微调振镜电机，使进入探测器的光信号减少，当探测器输出信号偏弱时，通过调节振镜电机，使输入到探测器装置的光信号增强。通过以上闭环调节可以实现光路、探测器、TCSPC数据采集装置处于最佳工作状态。
在本发明中，采用的是单光子探测技术来实现检测，设置了单光子探测器，结合图1以及图4和图5，本发明中的单光子探测器采用工作在盖格(Geiger)模式的PMT或者APD来接收光子信号，通过动态调整工作电压来实现自动增益控制，使其满足强弱光均能正常工作，监测范围10-9—10-18W，可以有效滤掉大气中的强光干扰。通过增加门控电路可以过滤掉无用的光信号，从而避免单光子探测器饱和。在工作中，对接收的后向散射激光信号进行检测，首先，将光信号转换为电脉冲信号，其次，自动的进行动态增益调节，其过程为，当激光散射光弱的时候，增大探测器的增益，当激光散射光强的时候，减小探测器的增益，同时，设置有门电路，其用于控制探测器是否响应外界光信号，当外界光信号为有用信号时，打开门电路，若为无用光信号则关闭门电路，从而选择出有用的光信号来进行检测。
经过单光子探测器处理后的电脉冲信号传输到TCSPC数据采集装置中，TCSPC数据采集装置对电脉冲信号进行分析处理，如图6所示，该装置设置有6通道输入信号，采用频率为1Gpbs，时间分辨率为32ps，空间分辨率为4.8mm，采用的通信接口为PCIE接口和网口，通过TCSPC技术可以实现32ps的输入信号的时间分辨率，空间分辨率可达到4.8mm，采样频率高达1Gbps，通过该技术的使用大大拓宽了激光雷达设备的使用范围，可以实现高精度测距、高精度大气空间状态分布测试等等。
在本发明中，为了使得雷达工作在最佳状态，还设置了加热装置和制冷装置，加热装置主要服务于激光器，当环境温度较低时，通过加热激光器可以实现其工作在一定的温度范围内。制冷装置主要服务于激光器以及探测器，采用了水冷模式，通过水泵推动液体流动，及时带走激光器以及光子探测器的热量，使其工作在最佳的温度状态。最佳温度范围为15℃～35℃。
本发明还提供了一种基于前述新型激光雷达的大气检测方法，所述方法包括如下内容：
步骤一、向大气中发射脉冲激光信号，接收经过大气散射作用后的后向散射激光，并将光线聚焦；
步骤二、对聚焦后的激光信号判断是否出现光路偏移，如果出现偏移，则对光路进行自我修正，然后对光路信号进行检测，判断待检测的光信号容量大小，如果光信号过大，则减少待检测光信号的输入，如果光信号过小，则增强光信号的输入；
步骤三、判断输入的光信号是否属于有用信号，如果是无用信号则过滤，将有用的光信号转换为电脉冲信号后进行动态增益调节，最后对调节后的光信号进行数据分析处理，获取当前大气的状态参数。
本发明专利是为了能够更好的对大气进行实时、高精度监测而设计的，通过将一定频率的脉冲激光通过同轴激光装置发射到大气中，大气会对激光产生散射作用，后向散射激光通过同轴接收镜接收后，将光线聚焦，然后投射到探测器上；探测器可以实现自动增益调节，一旦有光信号输入，会输出脉冲信号；脉冲信号通过射频线缆进入TCSPC数据采集装置中，该装置可以实现32ps的分辨精度，因此可以准确的分辨信号的输入时间；信号采集后，后级算法会对数据进行实时处理，分析当前大气的状态，污染物的距离以及污染物的形态等。该雷达适于云高测试、团雾监测、污染物排放监测、激光测距、大气气溶胶监测、臭氧层测试、温湿度监测等等。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达的大气检测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、向大气中发射脉冲激光信号，接收经过大气散射作用后的后向散射激光，并将光线聚焦；
步骤二、对聚焦后的激光信号判断是否出现光路偏移，如果出现偏移，则对光路进行自我修正，然后对光路信号进行检测，判断待检测的光信号容量大小，如果光信号过大，则减少待检测光信号的输入，如果光信号过小，则增强光信号的输入；
步骤三、判断输入的光信号是否属于有用信号，如果是无用信号则过滤，将有用的光信号转换为电脉冲信号后进行动态增益调节，最后对调节后的光信号进行数据分析处理，获取当前大气的状态参数；
其中，基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达包括：
同轴激光装置、3D振镜调节装置、单光子探测器、TCSPC数据采集装置，其中，
所述同轴激光装置包括接收单元、发送单元、折射镜、偏振脉冲激光器，所述偏振脉冲激光器用于输出频率可控的脉冲激光信号，所述脉冲激光信号经过折射镜以及发送单元发射到大气中，所述接收单元用于接收大气对所述脉冲激光信号产生散射作用后的后向散射激光信号；
所述3D振镜调节装置，用于在接收到所述后向散射激光信号后，进行动态多维度角度调整光信号方向以及强度，自动校正光学偏差，实现光路的修正；
所述单光子探测器，用于在接收到修正后的所述散射激光信号后将光信号转换为电脉冲信号，并且通过动态调整工作电压实现自动增益控制，过滤无用光信号；
所述TCSPC数据采集装置，用于对接收到的经过过滤后的电脉冲信号进行分析处理，实现高端经度的距离测量以及高空间分辨率的大气数据分析。
2.根据权利要求1所述的基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达的大气检测方法，其特征在于，所述同轴激光装置还包括加热装置，用于当环境温度低于激光器工作最佳温度时，对所述偏振脉冲激光器进行加热。
3.根据权利要求2所述的基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达的大气检测方法，其特征在于，所述激光器最佳温度范围为15℃～35℃。
4.根据权利要求1所述的基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达的大气检测方法，其特征在于，所述同轴激光装置还包括制冷装置，所述制冷装置采用水冷模式，通过水泵推动液体流动，及时带走所述偏振脉冲激光器以及所述单光子探测器的热量，使得雷达工作在最佳的温度状态。
5.根据权利要求1所述的基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达的大气检测方法，其特征在于，所述同轴激光装置的接收单元采用卡塞格林光学结构，所述发送单元与所述接收单元采用共轴设计，通过调节两级折射的发射角度，实现光路发射路径与卡塞林接收视场角处于同一个轴线上。
6.根据权利要求1所述的基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达的大气检测方法，其特征在于，所述3D振镜调节装置通过所述TCSPC数据采集装置来控制，当所述单光子探测器输出信号过大时，趋于饱和状态时，微调所述3D振镜调节装置，使得进入所述单光子探测器的光信号减少，当所述单光子探测器输出信号偏弱时，趋于饱和状态时，微调所述3D振镜调节装置，使得进入所述单光子探测器的光信号增强。
7.根据权利要求1所述的基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达的大气检测方法，其特征在于，所述单光子探测器采用工作在盖格模式的PMT或者APD来接收光子信号，通过动态调整工作电压来实现自动增益控制，所述单光子探测器的监测范围为10-9W—10- 18W，通过所述单光子探测器中的门控电路过滤掉无用的光信号。
8.根据权利要求1所述的基于同轴光学及单光子探测技术的新型激光雷达的大气检测方法，其特征在于，所述TCSPC数据采集装置的采集参数设置为6通道输入信号，1Gbps采样频率，32ps时间分辨率，4.8mm空间分辨率，其通信接口包括PCIE接口和网口。
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