CN110346779B

CN110346779B - 一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法

Info

Publication number: CN110346779B
Application number: CN201910520810.2A
Authority: CN
Inventors: 潘海峰; 吴光; 陈修亮; 李召辉; 杨雷; 郑天祥; 申光跃
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2019-06-17
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2039-06-17
Also published as: CN110346779A

Abstract

本发明涉及一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法，其包括以下步骤：光源的各激光发射器按照预定时序发出激光束；激光束经被测目标反射后传输至激光信号接收装置内对应的激光接收点；激光接收点将接收到的激光信号耦合到至少两个单光子探测器件；激光信号接收装置根据单光子探测器件检测各激光束的发射时间与接收时间的时间差；单光子探测器件与至少两个激光接收点耦合。本发明的优点是：通过光源按照预定时序发射激光束，使得各单光子探测器件可以在时间通道上被复用，在保证单光子探测灵敏度的同时，极大的提高对强光信号有效探测的能力，使得激光雷达具有更大的动态范围。

Description

一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，尤其是一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法。

背景技术

随着激光雷达和激光测绘技术的不断发展，单光子探测技术作为现有的具有最高灵敏度的光学测量手段，已经越来越多的广泛的应用于集成化的激光测绘的系统中。由于单光子探测技术具有极高的探测灵敏度（能够实现单个光子水平的极限探测），能够极大的提高测绘系统的测量距离范围，也能够有效的降低测绘系统对激光光源的能量要求，这两点都是制约激光测绘系统应用的重要瓶颈问题。

然而，单光子探测技术在提供高探测灵敏度的同时，也带来了一些问题。用于实现单光子探测的最典型器件是雪崩光电二极管单光子探测器（SPAD）和光电倍增管（PMT）。以SPAD为例，它利用雪崩光电二极管在盖革工作模式下的雪崩增益实现对单光子信号的有效探测。雪崩增益虽然极大的提高了探测灵敏度，但是也一定程度限制了可探测入射光信号的强度动态范围，也就是说在测量微弱光信号时具有非常好的优势，但是随着入射光信号强度增加雪崩增益很容易达到饱和，提前进入探测器死时间区域，如下图1所示。此时对于测量结果来说，探测输出的信号脉冲与实际入射的光脉冲之间存在明显的时间差异（在入射光信号强度较强时，由t0变为了T0），严重影响了测量的精度。

对大动态范围的光信号强度响应对于测绘系统非常重要，因为观测目标通常是非合作的，可能是土壤、森林、水面等，对于光信号的反射率大不相同，导致返回待测量的光脉冲强度会分布在一个较大的动态范围内。目前行之有效的一种提高探测器强度响应动态范围的方法是将单点SPAD器件做成阵列SPAD器件，将入射光脉冲空间分布照射在SPAD阵列的多个像素上，从而能够适应强度更高的入射光信号。然而这种解决方法有非常大的限制，主要是SPAD阵列的器件工艺不够成熟，造价非常高昂，更重要的是阵列器件的驱动和读出电路尺寸和功耗较大，制约了探测器小型化和可靠性。

现有技术中，部分激光雷达在光源端使用多个激光束同时工作，这种多波束同时工作是现有的多波束激光雷达测绘系统的主要特点之一，该方案具有明显的先进性，但是同样受限于单点SPAD件无法实现大动态范围光信号探测的问题。如图2所示多波束激光雷达的工作原理，光源部分由1#至4#四台激光器组成，以一个1X4的激光点阵的形式输出，返回的待测光信号由测绘系统的成像装置收集并在像平面成像为1X4的激光点阵，编号为1#至4#。随后待测4路光信号分别经由光纤导引送入单点SPAD分别编号A-D。当返回的待测信号强度过高时，单点SPAD探测时就会遇到图1所述的情况，导致探测精度降低。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法，通过采用时间通道复用以及多个单光子探测器件复用使得激光雷达具备更大的动态范围。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法，其包括以下步骤：光源的各激光发射器按照预定时序发出激光束；所述激光束经被测目标反射后传输至激光信号接收装置内对应的激光接收点；每个所述激光接收点将接收到的激光信号耦合到至少两个单光子探测器件；所述激光信号接收装置根据所述单光子探测器件检测各所述激光束的发射时间与接收时间的时间差；每个所述单光子探测器件与至少两个所述激光接收点耦合，对于与同一个所述单光子探测器件相耦合的所述激光接收点，各所述激光接收点所对应的激光束的发射时间之间的间隔大于所述单光子探测器件的死时间间隔。

所述激光信号接收装置中包括若干个接收组，每个所述接收组包括多个激光接收点以及所述单光子探测器件；每个所述接收组与所述光源发出的若干个激光束对应。

在所述接收组中，每个所述激光接收点将其接收到的激光信号耦合至各所述单光子探测器件，各所述激光接收点所对应的激光束的发射时间之间的间隔大于所述单光子探测器件的死时间间隔。

所述光源将所述激光发射器发出的激光转换为多束激光束，各所述激光束与不同的所述接收组相对应。

所述光源通过衍射光学器件将激光转换为多束激光束并调整各所述激光束的空间分布。

所述光源中的各所述激光发射器每隔预定周期向外发射激光以形成激光束；各所述激光发射器的预定周期以及预定周期之间的相位差使得所述光源中任意两个所述激光发射器的发射时间间隔大于所述单光子探测器件的死时间间隔。

每个所述激光接收点将接收到的激光信号耦合至单光子探测器件具体包括以下步骤：每个所述激光接收点通过光纤将激光信号耦合至光纤分束器；所述光纤分束器将激光信号分散至若干个光纤中，并通过各所述光纤将分散后的激光信号耦合至所述单光子探测器件。

每个所述单光子探测器件与多个所述激光接收点进行耦合具体包括以下步骤：将与各所述激光接收点耦合的光纤通过光纤合束器耦合至一根光纤，并将耦合后的所述光纤耦合至所述单光子探测器件；或者，将与各所述激光接收点耦合的光纤组成光纤阵列，并将光纤阵列直接耦合在所述单光子探测器件的探测区域内。

本发明的优点是：通过光源按照预定时序发射激光束，使得各单光子探测器件可以在时间通道上被复用，在保证单光子探测灵敏度的同时，极大的提高对强光信号有效探测的能力，使得激光雷达具有更大的动态范围。

附图说明

图1为现有技术中SPAD器件的输入-输出特性示意图；

图2为一种现有技术中的激光雷达的原理图；

图3为本发明实施例一中激光雷达的原理图；

图4为本发明中单光子探测器件的输入-输出特性示意图；

图5为本发明实施例二中激光雷达的原理图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5所示，图中标记1-9分别表示为：光源1、激光信号接收装置2、激光发射器3、激光接收点4、单光子探测器件5、光纤分束器6、光纤7、接收组8、光学衍射器件9。

实施例一：如图3、4所示，本实施例的多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法采用图3所示的激光雷达进行实现。该激光雷达包括光源1以及激光信号接收装置2。光源1包括多个激光发射器3，光源1用于发射激光以形成激光束。各激光发射器3呈阵列状排列，光源1产生的各激光束按照一定的空间规律进行分布，使得各激光束经被测目标反射后照射至激光信号接收装置2。

激光信号接收装置2包括成像系统，成像系统通常包括大口径反射式望远镜或大口径透镜。激光信号接收装置2的像平面上设置有多个激光接收点4。被测目标所反射的每个激光束在像平面上具有一个相对应的激光接收点4。光源1发出的激光束所对应的激光接收点4的位置仅取决于激光束的空间分布，主要由光源1发射的多光束性质决定，被测目标的外形、反射性质、距离远近以及传输介质（通常为室外空气）基本只影响像平面接收的激光的亮度强弱。因此光源1发出的激光束与激光信号接收装置2的激光接收点4之间存在一一对应的关系。

激光信号接收装置2中包括多个激光接收点4以及多个单光子探测器件5，各激光接收点4位于激光信号接收装置2的像平面。激光接收点4通过光纤与多个单光子探测器件5进行耦合。激光接收点4将其接收到的激光信号耦合至各单光子探测器件5。具体的，各个激光接收点4分别连接有一根光纤，激光接收点4通过该光纤与光纤分束器6耦合，光纤分束器6将激光接收点4接收到的激光信号分散成多份，分别发送至多根用于输出的光纤7，各用于输出的光纤7分别与一个单光子探测器件5进行耦合，以便单光子探测器件5检测分散后的激光信号。各光纤分束器6输出端连接的光纤可通过光纤合束器与来自各激光接收点的光纤进行耦合；或者，与光纤分束器6输出端连接的光纤组成光纤阵列，直接耦合在对应的单光子探测器件5的探测区域。

激光信号分散后，其强度大大降低，可有效地避免单光子探测器件因信号强度过大过早地进入死时间区域。此外，由于单光子不可再分，即使仅有单个光子入射，也能被某个单光子探测器件5进行捕捉，使得整个系统的灵敏度不受影响。通过将激光信号分散，并耦合至多个单光子探测器件5，可在保证系统灵敏度的同时，增加系统的动态范围，使得激光雷达的测量结果更加精确。通过增加与单个激光接收点4耦合的单光子探测器件5的数目，可增进一步增加激光雷达的动态范围。

单光子探测器件5与激光接收点4之间存在多种耦合方式。例如，每个单光子探测器件5可仅和一个激光接收点4进行耦合，这样各个激光接收点4可同时接收激光信号；每个单光子探测器件5也可与至少两个单光子探测器件5进行耦合，采用这种耦合方式需要光源1按照预定的时序发出激光束，以使得与同一个单光子探测器件5相耦合的激光接收点4，各激光接收点4所对应的激光束的发射时间之间的间隔大于单光子探测器件5的死时间间隔，以便各单光子探测器件5可以从前一次探测的雪崩增益后的死时间中恢复正常。

本实施例中选取的单光子探测器件5与激光接收点4之间的耦合方式为：每个激光接收点4与每个单光子探测器件5进行耦合，这使得每个激光接收点4接收到的激光信号会分散式所有的单光子探测器件5中。

具体的，本实施例中，光源1具有四个激光发射器3，分别用于发射四束激光束；激光信号接收装置2中具有与激光束一一对应的四个激光接收点4；每个激光信号接收装置2具有四个单光子探测器件5。每个激光信号接收装置2通过光纤与所有的单光子探测器件5进行耦合。四个激光发射器3按照相同的频率发射激光束，各激光发射器3发射的激光束的发射时间之间的时间差大于单光子探测器件5的死时间间隔，以使得每个单光子探测器件5可以有足够的时间从上一次的雪崩增益后的死时间中恢复正常。

本实施例中，各激光发射器3按照1kHz的频率（是发射激光束的数量，而不是激光的光波频率）发射激光束，两个依次发光的激光发射器3发射的激光束的发射时间之间的时间差取为10μs。本实施例中，对单光子探测器件5进行时间复用，可以在激光发射器3的发射频率有限的情况下充分利用单光子探测器件5，减少了单光子探测器件5的使用数目。

如图4所示，图4为本实施例中的一个单光子探测器件5的输入-输出特性与现有技术中的激光雷达的对比示意图。从图中可知，各激光接收点4将接收到的激光信号分散至各单光子探测器件5，使得各单光子探测器件5接收到的光信号的强度变为四分之一，位于单光子探测器件5的动态范围以内，进而使得单光子探测器件5的检测结果可以反映出激光信号的真实状态。在后续处理中可以非常方便的对检测及结果进行补偿，从而还原成原始的直观测量数据。

单光子探测器件5的种类包括单点SPAD（雪崩光电二极管单光子探测器）、PMT器件（光电倍增管）以及SPAD阵列器件。本实施例采用的单光子探测器件5为SPAD。

如图3、4所示，本实施例的多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法具体包括以下步骤：

（1）光源1的各激光发射器3按照预定时序发出激光束。

光源1中的各激光发射器3每隔预定周期向外发射激光以形成激光束；各激光发射器3的预定周期以及预定周期之间的相位差使得光源1中任意两个激光发射器3的发射时间间隔大于单光子探测器件5的死时间间隔，从而使得各激光束可以分时利用单光子探测器件。本实施例中的预定周期为1000μs（1kHz）,预定周期之间的相位差为10μs。预定周期指的不是激光束的激光频率，而是激光发射器发射两束激光之间的时间间隔。

（2）激光束经被测目标反射后传输至激光信号接收装置2内对应的激光接收点4。

（3）激光接收点4将接收到的激光信号耦合到至少两个单光子探测器件5；激光信号接收装置2根据单光子探测器件5检测各激光束的发射时间与接收时间的时间差；其中激光束的发射时间从光源1获得。激光信号接收装置2可根据各激光束的发射时间与接收时间的时间差进行测距、成像或者生成点云。

本实施例中，激光接收点4将激光信号耦合至四个单光子探测器件5，在耦合过程中，激光接收点4通过光纤将激光信号耦合至光纤分束器；光纤分束器将激光信号分散至若干个光纤7中，并通过各光纤7将分散后的激光信号耦合至单光子探测器件。

对于某个单光子探测器件5，各光纤分束器6均由一个输出端通过光纤与该单光子探测器件5耦合。具体的耦合方式为：连接在光纤分束器的输出端并与各激光接收点4耦合的光纤7耦合至一个光纤合束器，光纤合束器将激光信号通过光纤传导至一个单光子探测器件5，每个光纤合束器与一个单光子探测器件5对应。或者，与某个单光子探测器件5耦合的光纤7组成光纤阵列，直接耦合照射在其所对应的单光子探测器件5的探测区域内。

实施例二：如图5所示，本实施例与实施例一的主要区别在于本实施例采用的激光雷达中的光源1可同时发射多束激光束；激光信号接收装置2中具有多个接收组8，每个接收组8包括多个激光接收点4以及单光子探测器件5。各接收组8用于分别接收同时发射的多束激光束中的一束。

具体的，每个接收组8中包括四个激光接收点4以及四个单光子探测器件5，每个接收组8中，单光子探测器件5与激光接收点4之间的耦合方式与实施例一种的耦合方式相同。实施例一相当于仅有一个接收组8。

本实施例中，光源1可同时发射多束激光束的原因在于，光源1包括衍射光学器件9（DOE）。衍射光学器件9可以将一束激光变为多束激光。本实施例中，衍射光学器件9可以对光束进行处理，将一束激光束变为三束激光束，因此激光信号接收装置2具有与之对应的三个接收组8。从衍射光学器件9中射出的激光束分别与一个接收组8相对应。采用衍射光学器件9可以增加波束的数量，同时调整波束的空间分布，进而增加了激光雷达的探测效率。

本实施例中用于激光雷达的时间通道复用的测量方法包括以下步骤：

（1）光源1的各激光发射器3按照预定时序发出激光束，衍射光学器件9将每个激光发射器3发出的激光转换为平行的三束激光束，每各激光束分别与激光信号接收装置2中的一个接收组8相对应。每个接收组8也与光源1发出的若干个激光束相对应。各激光束具有不同的空间位置，因此各激光束与各激光接收点4存在一一对应的关系。本实施例中，各激光发射器3发射激光束的时序与实施例一相同，该时序使得在任意一个接收组8，其所对应的激光束中任意两束激光束的发射时间之间的时间差大于单光子探测器件的死时间间隔。

（3）各接收组8分别接收同时发射的多束激光束，每个激光束存在一个与其对应的激光接收点，对于同时发出的各激光束，其所对应的激光接收点4位于不同的接收组8的内部。激光接收点4将接收到的激光信号耦合到至少两个单光子探测器件5；激光信号接收装置2根据单光子探测器件5检测各激光束的发射时间与接收时间的时间差；其中激光束的发射时间从光源1获得。激光信号接收装置2可根据各激光束的发射时间与接收时间的时间差进行测距、成像或者生成点云。本实施例中，在一个接收组8内部，激光接收点4与单光子探测器件5之间的耦合方式及耦合步骤与实施例一相同。

虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims

1.一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：光源的各激光发射器按照预定时序发出激光束；所述激光束经被测目标反射后传输至激光信号接收装置内对应的激光接收点；每个所述激光接收点将接收到的激光信号耦合到至少两个单光子探测器件；所述激光信号接收装置根据所述单光子探测器件检测各所述激光束的发射时间与接收时间的时间差；每个所述单光子探测器件与至少两个所述激光接收点耦合，对于与同一个所述单光子探测器件相耦合的所述激光接收点，各所述激光接收点所对应的激光束的发射时间之间的间隔大于所述单光子探测器件的死时间间隔。

2.根据权利要求1所述的一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法，其特征在于，所述激光信号接收装置中包括若干个接收组，每个所述接收组包括多个激光接收点以及所述单光子探测器件；每个所述接收组与所述光源发出的若干个激光束对应。

3.根据权利要求2所述的一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法，其特征在于，在所述接收组中，每个所述激光接收点将其接收到的激光信号耦合至各所述单光子探测器件，各所述激光接收点所对应的激光束的发射时间之间的间隔大于所述单光子探测器件的死时间间隔。

4.根据权利要求2所述的一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法，其特征在于，所述光源将所述激光发射器发出的激光转换为多束激光束，各所述激光束与不同的所述接收组相对应。

5.根据权利要求4所述的一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法，其特征在于，所述光源通过衍射光学器件将激光转换为多束激光束并调整各所述激光束的空间分布。

6.根据权利要求2至5中任一所述的一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法，其特征在于，所述光源中的各所述激光发射器每隔预定周期向外发射激光以形成激光束；各所述激光发射器的预定周期以及预定周期之间的相位差使得所述光源中任意两个所述激光发射器的发射时间间隔大于所述单光子探测器件的死时间间隔。

7.根据权利要求1所述的一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法，其特征在于，每个所述激光接收点将接收到的激光信号耦合至单光子探测器件具体包括以下步骤：每个所述激光接收点通过光纤将激光信号耦合至光纤分束器；所述光纤分束器将激光信号分散至若干个光纤中，并通过各所述光纤将分散后的激光信号耦合至所述单光子探测器件。

8.根据权利要求7所述的一种用于多波束激光雷达的时间通道复用的测量方法，其特征在于，每个所述单光子探测器件与多个所述激光接收点进行耦合具体包括以下步骤：将与各所述激光接收点耦合的光纤通过光纤合束器耦合至一根光纤，并将耦合后的所述光纤耦合至所述单光子探测器件；或者，将与各所述激光接收点耦合的光纤组成光纤阵列，并将光纤阵列直接耦合在所述单光子探测器件的探测区域内。