CN110470387A - 一种基于多探测器的单光子激光雷达装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于多探测器的单光子激光雷达装置，包括窄脉冲激光器、1*2光纤分束器、光纤环形器、光学系统、扫描系统、光电二极管、1*N光纤分束器、单光子探测器组、信号采集模块、信号控制模块、信号处理模块，激光器发出激光输入到1*2光纤分束器中一分为二：一部分进入光电二极管作为单光子探测器基准信号、门控信号和扫描系统同步信号；另一部分经由光纤环形器后通过光学系统、扫描系统出射，回波反向进入1*N光纤分束器后分别进入N个单光子探测器，单光子探测器信号经过信号采集模块、信号处理模块后即得到距离信息，结合扫描系统位置信息即可重建三维信息。使用多个探测器同时进行探测可有效减少单光子激光雷达信号累计时间，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达探测技术领域，特别涉及一种基于多探测器的单光子激光雷达系统。
背景技术
传统的激光雷达探测技术使用线性探测器，即探测器对光强进行线性响应。该体制的系统结构简单可靠，但是探测距离不远，而要增加探测距离需要加大系统口径或提高发射功率，这在某些应用中往往是不现实的。
单光子探测器具有单个光子的响应能力，比传统的线性光电探测器具有更高的探测灵敏度，在同样的激光发射功率下，其探测极限距离远大于线性探测器，可以大大增加系统的作用距离。
因为噪声的存在，单光子探测器的信号需要在多次探测后进行累加才能得到真实的目标信号，这限制了其在高速探测中的应用，比如探测快速移动物体或快速三维成像。
发明内容
本发明是为了解决单光子探测中多次累加造成探测时间偏长的技术问题。本发明能有效降低单光子探测系统的探测时间，同时保留单光子探测灵敏度高、探测距离远的优点。
为了解决该技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于多探测器的单光子激光雷达装置，所述装置包括窄脉冲激光器、光纤环形器、光学系统、扫描系统、1*2光纤分束器、1*N光纤分束器、单光子探测器组、光电二极管、信号处理模块和信号控制模块。所述窄脉冲激光器发出窄脉冲宽度、高重复频率激光输入到所述1*2光纤分束器中一分为二：一部分进入到所述光电二极管进行光电转换，转换后的电信号分别输入到所述信号采集模块和信号控制模块，输入到信号采集模块的电信号作为单光子探测器的起始基准信号，输入到信号控制模块的电信号作为单光子探测器的门控信号和扫描系统的同步信号；另一部分进入所述光纤环形器，经由光纤环形器后通过所述光学系统准直扩束后出射到所述扫描系统，通过扫描系统后照射在目标上，目标散射回波反向经由扫描系统、光学系统和光纤环形器进入所述1*N光纤分束器分为N束光分别进入所述N个单光子探测器，单光子探测器信号输入到信号采集模块，最后由信号采集模块输出到信号处理模块处理后即可得到目标距离信息，再结合扫描系统的位置信息即可重建出三维信息。
进一步的，所述的窄脉冲激光器脉冲宽度小于100ps，重复频率为MHz量级，峰值功率为KW量级，可选的，中心波长为1064nm。
进一步的，所述的光纤环形器、光学系统、扫描系统构成了一个收发同路的光学结构，收发光路共用光学系统、扫描系统等部分。
进一步的，所述1*2光纤分束器分束比为1:99或更大，1*N光纤分束器均分光能量为N份。
进一步的，所述单光子探测器组由N个参数指标相同的盖革APD单光子探测器构成，每个探测器连接到1*N光纤分束器的一端，盖革APD单光子探测器为近红外响应增强Si基型，带门控选通功能，死时间35ns，最大计数率28MHz，暗计数率100Hz。
进一步的，光电二极管的电信号作为信号处理模块记录单光子探测器组信号的起始基准信号、扫描系统的同步信号和信号控制模块对盖革APD单光子探测器组的门控信号。
进一步的，信号采集模块为N通道时间相关单光子计数器，具有16ps时间分辨率。
进一步的，信号控制模块从光电二极管获得门控信号，从该信号到来时刻算起延迟一段时间后激活盖革APD单光子探测器组。
进一步的，信号处理模块从光电二极管起始信号开始后同时N通道记录N个盖革APD单光子探测器信号直到下一个起始信号到来，由此产生的单光子探测器组信号作为一个点的测距信号，将一组N个单光子探测器的信号进行累加，峰值时刻处为τ，测距结果为：
R为目标点距离，c为光速。
根据上述技术方案，本发明的有益效果为：
1.激光器脉宽为百ps量级，信号采集模块中的时间相关单光子计数器分辨率为16ps，两者结合能有效的提高精度降低信号的时间抖动。
2.使用光纤分束器、光纤环形器等光纤器件使系统模块化程度高、集成度高，便于使用和维护。
3.光纤环形器、光学系统和扫描系统组成了收发同路的光学结构，使得收发两路可以共用部分器件，整个系统结构紧凑成本低。
4.使用延时的门控信号选通单光子探测器组，让单光子探测器避开光纤环形器出射口的端面反射，避免单光子探测器接收强光延长探测器使用寿命。
5.使用N个单光子探测器分别响应回波，再将N个探测器的信号进行累加，实现单次探测N次累加的效果，大大减少探测时间。
附图说明
图1为基于多探测器的单光子激光雷达装置框架图。
图2为基于多探测器的单光子激光雷达装置信号处理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明
如图1所示，本发明一种基于多探测器的单光子激光雷达装置，图1中白色箭头为出射光，灰色箭头为回波光，黑色箭头为电信号。基于多探测器的单光子激光雷达系统包括窄脉冲激光器1、1*2光纤分束器2、光纤环形器3、光学系统4、扫描系统5、光电二极管6、1*N光纤分束器7、单光子探测器组8、信号控制模块9、信号采集模块10和信号处理模块11；窄脉冲激光器1发出100ps脉宽、2MHz重复频率、3KW峰值功率、中心1064nm的激光脉冲到1*2光纤分束器2中；1*2光纤分束器2按照1:99分束比将1％的能量传输给光电二极管6响应，其余的99％能量传输给光纤环形器3；光电二极管6响应出单脉冲信号，该信号传输给信号控制模块9和信号采集模块10；信号控制模块9得到信号后：
(1)控制扫描系统5将位置信号传输给信号处理模块11，以及
(2)延迟10ns后选通所有单光子探测器8；
出射激光脉冲通过光纤环形器3、光学系统4和扫描系统5后照射在目标上；目标回波原路返回通过光纤环形器3入射到单光子探测器组8；单光子探测器组8的信号传输给信号采集模块10；信号采集模块10接收光电二极管6的信号作为本次单光子计数的起始信号和上次计数的结束信号；信号处理模块11处理信号采集模块10得到的单光子探测器组信号和扫描系统信号后得到三维信息。
如图2所示，单光子探测器单次探测的波形分别为第1单光子探测器波形、第2单光子探测器波形、……、第N单光子探测器波形，对单光子探测器组的所有波形进行累加得到N个单光子探测器累加波形，该波形的最高点对应的时刻为τ，则目标距离信息为：
三维信息包括距离信息和位置信息。
根据上述具体实施方案可知,本发明是一种基于多探测器的单光子激光雷达系统,相比传统单光子激光雷达系统,探测中需要的累加时间大幅减少，扩大了单光子激光雷达的应用范围。
上述具体实施方式仅用于解释和说明本发明的权利要求,并不能构成对权利要求的限定。本领域技术人员应当清楚,在本发明的技术方案的基础上进行的任何简单的修改、变形或替换,而得到的新的技术方案,均将落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于多探测器的单光子激光雷达装置，其特征在于：所述装置包括窄脉冲激光器、1*2光纤分束器、光纤环形器、光学系统、扫描系统、光电二极管、1*N光纤分束器、单光子探测器组、信号采集模块、信号控制模块和信号处理模块，所述窄脉冲激光器发出窄脉冲宽度、高重复频率激光输入到所述1*2光纤分束器中一分为二：一部分进入到所述光电二极管进行光电转换，转换后的电信号分别输入到所述信号采集模块和信号控制模块作为单光子探测器的起始基准信号、门控信号和扫描系统的同步信号；另一部分进入所述光纤环形器，经由光纤环形器后通过所述光学系统和扫描系统出射在目标上，目标散射回波反向进入所述1*N光纤分束器分为N束光分别进入所述N个单光子探测器，单光子探测器信号输入到信号采集模块，最后由信号采集模块输出到信号处理模块处理后得到目标距离信息，再结合扫描系统的位置信息即可重建出三维信息。
2.如权利要求1所述的基于多探测器的单光子激光雷达装置，其特征在于：所述窄脉冲激光器脉冲宽度小于100ps，重复频率为MHz量级，峰值功率为KW量级，中心波长为1064nm。
3.如权利要求1所述的基于多探测器的单光子激光雷达装置，其特征在于：所述的光纤环形器、光学系统、扫描系统构成了一个收发同路的光学结构。
4.如权利要求1所述的基于多探测器的单光子激光雷达装置，其特征在于：1*2光纤分束器分束比为1:99或更大，1*N光纤分束器均分光能量为N份。
5.如权利要求1所述的基于多探测器的单光子激光雷达装置，其特征在于：所述单光子探测器组由N个参数指标相同的盖革APD单光子探测器构成，盖革APD单光子探测器为近红外响应增强Si基型，带门控选通功能，死时间35ns，最大计数率28MHz，暗计数率1KHz。
6.如权利要求1所述的基于多探测器的单光子激光雷达装置，其特征在于：光电二极管的电信号作为信号处理模块用以记录单光子探测器组信号的起始基准信号、扫描系统的同步信号和信号控制模块对单光子探测器组的门控信号。
7.如权利要求1所述的基于多探测器的单光子激光雷达装置，其特征在于：信号采集模块为N通道时间相关单光子计数器，具有16ps时间分辨率。
8.如权利要求1所述的基于多探测器的单光子激光雷达装置，其特征在于：信号控制模块从光电二极管获得门控信号，从该信号到来时刻算起延迟一段时间后激活盖革APD单光子探测器组。
9.如权利要求1所述的基于多探测器的单光子激光雷达装置，其特征在于：信号处理模块从光电二极管起始信号开始后同时N通道记录N个盖革APD单光子探测器信号直到下一个起始信号到来，由此产生的单光子探测器组信号作为一个点的测距信号，将一组N个单光子探测器的信号进行累加，峰值时刻处为τ，测距结果为：
R为目标点距离，c为光速。
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