CN110161521A - 一种基于真随机编码的光子计数激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于真随机编码的光子计数激光雷达，属于激光雷达技术领域。真随机编码在保留传统伪随机编码光子计数激光雷达系统发射功率低、成像速度快、克服距离模糊的优势下，极大的降低了系统的体积与成本、克服了探测器死时间对系统测距性能的影响、同时真随机编码光子计数激光雷达系统具有极高的抗串扰能力。该雷达主要包括两个盖革模式雪崩光电二极管、脉冲整形电路、激光器、光学系统、外部时钟、光子计数模块、信号处理模块。以单光子探测器取代传统的信号发生器，极大的提高了系统的实用价值，广泛应用于目标测距、成像领域。

Description

一种基于真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，特别涉及是一种基于真随机编码的光子计数激光雷达。

背景技术

真随机编码的光子计数激光雷达采用盖革模式雪崩光电二极管作为探测器，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随机编码的脉冲序列，这种脉冲序列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，常见的编码方式的光子计数激光雷达系统采用信号发生器产生需要的编码信号，这种方式存在两个缺点。首先，所需的编码信号对应的码元宽度达到纳秒量级甚至更窄，这就需要信号发生器的带块达到GHz以上甚至更高，这种信号发生器一般比较昂贵，限制了广泛实用性；第二传统的编码雷达系统，采用数学的方式进行编码，只能称为伪随机编码，并不是真正的随机信号，伪随机序列在车载激光雷达等需要极高抗串扰能力的领域存在一定劣势，但是真随机编码光子计数激光雷达生成的随机序列具有完全的随机性，因此具有极高的抗串扰能力强。针对这些问题，本发明提出使用盖革模式雪崩光电二极管作为信号源，利用其产生真正的随机信号，解决了传统的采用信号发生器作为信号源的缺陷。同时，这种真随机信号由单光子探测器直接生成，任意两个‘1’码元的间隔大于探测器死时间；因此，可以克服传统伪随机编码光子计数激光雷达受探测器死时间影响严重的问题，极大的提高了系统的测距性能。总的来说，基于真随机编码的光子计数激光雷达极大的提高了编码光子计数激光雷达的实用性。

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昂贵的信号发生器的限制，以及受探测器死时间影响测距性能差，实用性不高，工程应用难的问题，首次提出以盖革模式雪崩光电探测器作为真随机信号发生器，不仅降低了成本、减小了成本，更重要的是盖革模式光电探测器生成的真随机信号任意两个‘1’码元的间隔大于探测器死时间，因此，巧妙地解决了传统伪随机编码光子计数激光雷达受探测器死时间影响，测距性能差地问题。

本发明采用的技术方案为：提供了一种基于真随机编码的光子计数激光雷达，它包括第一盖革模式雪崩光电二极管、脉冲整形电路、激光器、光学系统、第二盖革模式雪崩光电二极管、外部时钟、光子计数模块和信号处理模块；所述的第一盖革模式雪崩光电二极管对热噪声或者背景光噪声响应，其输出端与脉冲整形电路的输入端连接，脉冲整形电路对电脉冲整形，获得窄脉冲随机序列，它的一个输出端与光子计数模块的第一通道连接，获得随机序列的参考模版a(n)，另一个输出端与激光器的输入端连接，激光器接收脉冲整形电路的电脉冲，将随机的电脉冲序列转化成随机的光脉冲序列，激光器输出的随机脉冲序列传输至分光学系统，随机光脉冲序列经光学系统照射至目标，经目标散射的回波再次由光学系统接收，由第二盖革模式雪崩光电二极管对光学系统接收的目标回波进行探测，由光子计数模块的第二通道对第二盖革模式雪崩光电二极管的输出进行记录，得到目标的回波序列b(n)，由信号处理模块对参考序列a(n)和回波序列b(n)进行相关运算，得到目标距离信息。

其中，利用第一盖革模式雪崩光电二极管作为随机信号发生器用于调制激光器产生相应的随机光脉冲序列，具体过程为：在第一盖革模式雪崩光电二极管通电时，第一盖革模式雪崩光电二极管输出的电脉冲序列再次经过脉冲整形电路，以获得更窄脉冲的随机序列，这是因为随机序列的脉冲宽度会影响系统的距离分辨率和测距精度；对第一盖革模式雪崩光电二极管外加一个门控电路，第一盖革模式雪崩光电二极管仅在门控电路为高电平时有电脉冲输出，采用门控电路的目的是获得周期性的真随机序列，方便在进行目标距离测量是提供一个计时起点；同时也对脉冲整形电路输出的电脉冲随机序列进行记录，以得到随机序列参考模版a(n)。

其中，激光器接收来自脉冲整形电路的窄脉冲随机序列，将连续的激光根据输入的随机的电脉冲序列调制为随机的光脉冲序列，输出的光脉冲序列经过光学系统照射至目标，经目标散射得到的回波序列再次由光学系统接收，并由第二盖革模式雪崩光电二极管对回波序列进行探测，并经光子计数模块的第二通道记录，作为回波序列b(n)。

其中，光子计数模块的两个通道分别记录了参考的随机序列a(n)和回波的随机序列b(n)，将两个脉冲序列传输至信号处理模块做互相关运算，所述互相关运算函数g(τ)为：

互相关运算函数g(τ)的峰值所对应的时间延迟τ即为随机脉冲序列的飞行时间，通过下述公式：

R＝cτ/2

获得目标的实际距离，其中c为光速，N为随机序列中‘1’码元的个数。

本发明的优点在于：

1.真随机编码光子计数激光雷达，使用盖革模式雪崩光电二极管，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.真随机编码光子计数激光雷达，发射一次随机脉冲序列就可以获得一个目标距离值，无需多次累加，极大的减少了测量时间，可以用于高动态目标探测。

3.真随机编码光子计数激光雷达，利用盖革模式雪崩光电二极管取代传统的信号发生器作为信号源，降低了系统成本，提高了系统的实用性。并且盖革模式雪崩光电二极管输出的脉冲时间序列是真正意义上的随机信号，提高了信号源的相关性，可以提高系统抗串扰能力，在车载激光雷达能要求极高抗串扰能力的领域具有明显的优势。

4.最重要的，由于系统的信号源和主探测器均选用盖革模式雪崩光电二极管，所生成的真随机序列的脉冲间间隔大于探测器死时间，当探测器对光脉冲响应时不会存在由于回波脉冲因为进入探测器的死区内而不能被响应的问题，极大的提高了系统的测距能力。

附图说明

图1为本发明所述的一种随机编码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真随机编码的光子计数激光雷达，它包括第一盖革模式雪崩光电二极管1、脉冲整形电路2、激光器3、光学系统4、第二盖革模式雪崩光电二极管5、外部时钟6、光子计数模块7和信号处理模块8；所述的第一盖革模式雪崩光电二极管1对热噪声或者背景光噪声进行响应，其输出端与脉冲整形电路的输入端相连接，脉冲整形电路2对电脉冲整形，以获得窄脉冲随机序列，它的一个输出端与光子计数模块7的第一通道连接，获得随机序列的参考模版a(n)，另一个输出端与激光器3的输入端连接，激光器3接收脉冲整形电路2的电脉冲，将随机的电脉冲序列转化成随机的光脉冲序列，激光器3输出的随机脉冲序列传输至分光学系统4，随机光脉冲序列经光学系统4照射至目标，经目标散射的回波再次由光学系统4接收，由第二盖革模式雪崩光电二极管5对光学系统4接收的目标回波进行探测，由光子计数模块7的第二通道对第二盖革模式雪崩光电二极管5的输出进行记录，得到目标的回波序列b(n)，由信号处理模块8对参考序列a(n)和回波序列b(n)进行相关运算，得到目标距离信息。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种随机编码的光子计数激光雷达的区别在于，所述的产生真机编码序列的具体过程为：

在第一盖革模式雪崩光电二极管1通电时，由于探测器本身存在热噪声等，即使在暗室的情况下也会有脉冲产生，称为暗计数，暗计数的数量与第一盖革模式雪崩光电二极管的工作温度相关。同时第一盖革模式雪崩光电二极管1还会对入射的背景光进行响应。通过对暗噪声和背景光噪声的响应，最终周期性的输出脉冲随机序列。脉冲序列周期性输出主要通过对第一盖革模式雪崩光电二极管1外加一个门控电路实现，第一盖革模式雪崩光电二极管1在门控电路为高电平是出于使能状态，可以周期性的输出随机脉冲序列。由第一盖革模式雪崩光电二极管1输出的电脉冲虽然已经经过初步整形，但是直接输出的电脉冲序列的脉冲宽度一般为10-20ns，脉冲序列的宽度会直接应用雷达的测距精度与距离分辨率，因此为了获得更高的测距精度和距离分辨率，所以在第一盖革模式雪崩光电二极管1后再加一个脉冲整形电路2，目的主要获得更窄的脉冲序列，以提高雷达系统的测距精度和距离分辨率。

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真随机编码的光子计数激光雷达的区别在于，具体实施方式三所述的真随机编码的光子计数激光雷达系统实现具体测距的过程为：

激光器3接收来自具体实施方式二产生的电脉冲序列，将连续的激光根据输入的随机的电脉冲序列调制为随机的光脉冲序列，输出的光脉冲序列经光学系统4照射至目标，由目标散射的激光回波信号，一部分会返回至光学系统4，经光学系统4传送至第二盖革模式雪崩光电二极管5，第二盖革模式雪崩光电二极管5对激光回波信号响应输出电脉冲，并由光子计数模块7记录第二盖革模式雪崩光电二极管5的电脉冲信号。光子计数模块7的两个通道分别记录了发射的随机脉冲序列a(n)和接收回波的脉冲序列b(n)，将两个脉冲序列传输至信号处理模块做互相关运算，所述互相关运算的峰值所对应的时间延迟即为激光雷达测距所对应的延迟时间τ，通过下述公式：

R＝cτ/2

获得目标的实际距离，其中c为光速。

Claims (4)

1.一种基于真随机编码的光子计数激光雷达，其特征在于，包括第一盖革模式雪崩光电二极管(1)、脉冲整形电路(2)、激光器(3)、光学系统(4)、第二盖革模式雪崩光电二极管(5)、外部时钟(6)、光子计数模块(7)和信号处理模块(8)；所述的第一盖革模式雪崩光电二极管(1)对热噪声或者背景光噪声响应，其输出端与脉冲整形电路的输入端连接，脉冲整形电路(2)对电脉冲整形，获得窄脉冲随机序列，它的一个输出端与光子计数模块(7)的第一通道连接，获得随机序列的参考模版a(n)，另一个输出端与激光器(3)的输入端连接，激光器(3)接收脉冲整形电路(2)的电脉冲，将随机的电脉冲序列转化成随机的光脉冲序列，激光器(3)输出的随机脉冲序列传输至分光学系统(4)，随机光脉冲序列经光学系统(4)照射至目标，经目标散射的回波再次由光学系统(4)接收，由第二盖革模式雪崩光电二极管(5)对光学系统(4)接收的目标回波进行探测，由光子计数模块(7)的第二通道对第二盖革模式雪崩光电二极管(5)的输出进行记录，得到目标的回波序列b(n)，由信号处理模块(8)对参考序列a(n)和回波序列b(n)进行相关运算，得到目标距离信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于真随机编码的光子计数激光雷达，其特征在于，利用第一盖革模式雪崩光电二极管(1)作为随机信号发生器用于调制激光器(3)产生相应的随机光脉冲序列，具体过程为：在第一盖革模式雪崩光电二极管(1)通电时，第一盖革模式雪崩光电二极管(1)输出的电脉冲序列再次经过脉冲整形电路，以获得更窄脉冲的随机序列，这是因为随机序列的脉冲宽度会影响系统的距离分辨率和测距精度；对第一盖革模式雪崩光电二极管(1)外加一个门控电路，第一盖革模式雪崩光电二极管(1)仅在门控电路为高电平时有电脉冲输出，采用门控电路的目的是获得周期性的真随机序列，方便在进行目标距离测量是提供一个计时起点；同时也对脉冲整形电路输出的电脉冲随机序列进行记录，以得到随机序列参考模版a(n)。

3.根据权利要求2所述的一种基于真随机编码的光子计数激光雷达，其特征在于，激光器(3)接收来自脉冲整形电路(2)的窄脉冲随机序列，将连续的激光根据输入的随机的电脉冲序列调制为随机的光脉冲序列，输出的光脉冲序列经过光学系统照射至目标，经目标散射得到的回波序列再次由光学系统接收，并由第二盖革模式雪崩光电二极管(5)对回波序列进行探测，并经光子计数模块的第二通道记录，作为回波序列b(n)。

4.根据权利要求3所述的一种基于真随机编码的光子计数激光雷达，其特征在于，光子计数模块(7)的两个通道分别记录了参考的随机序列a(n)和回波的随机序列b(n)，将两个脉冲序列传输至信号处理模块做互相关运算，所述互相关运算函数g(τ)为：

互相关运算函数g(τ)的峰值所对应的时间延迟τ即为随机脉冲序列的飞行时间，通过下述公式：

R＝cτ/2

获得目标的实际距离，其中c为光速，N为随机序列中‘1’码元的个数。