CN110471076A - 一种光量子测距望远镜及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光量子测距望远镜，其特征在于，包括单光子激光发射单元、单光子回波探测单元、脉冲计时单元、信号处理单元；还提供了光量子测距望远镜测距方法。本发明的有益效果为：采用单光子光束进行目标距离测量，其相干性及方向性等物理参数较普通光更具优势，在发射单光子激光、反射回波的过程中，减少了大气环境对光束的漫反射和折射，测量精度更高，测量速度更快，弥补了普通测距望远镜误差较大的缺陷。

Description

一种光量子测距望远镜及测距方法

技术领域

本发明涉及单光子测距领域，具体涉及一种光量子测距望远镜及测距方法。

背景技术

激光被广泛运用于各类激光望远镜，在军工、工业和民用都有广泛的应用市场，但现有的激光望远镜一般通过发射激光脉冲信号，测量激光单光子回波信号的时间差来间接测定目标距离，需要足够大的回波能量来确保测量精度；由于其相干性、方向性受自身光学性质及大气环境影响，到达目标后反射的单光子回波信号会发生漫反射和折射，极大地影响了测量精度和测量速度，特别是雨雪雾等极端天气环境下，测量误差更大，与真实距离有较大的偏差。

光量子测距望远镜利用单光子光速恒定的原理，通过内部微处理器计时单元计量单光子激光发射、单光子反射回波的时间值，来计算出光量子测距望远镜至目标距离，完成测距的功能，本发明提出光量子测距望远镜及测距方法，采用单光子光束进行目标距离测量，主要是利用单光子具有的独特物理性质，其相干性及方向性等物理参数较普通光更具优势，在发射单光子激光、反射回波的过程中，减少了大气环境对光束的漫反射和折射，测量精度更高，测量速度更快，弥补了普通测距望远镜误差较大的缺陷，是一种新型的光学测量工具及测距方法。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种光量子测距望远镜及测距方法。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

本发明提供了一种光量子测距望远镜，包括单光子激光发射单元、单光子回波探测单元、脉冲计时单元、信号处理单元；

所述单光子激光发射单元用于向目标发射单光子激光脉冲；

所述单光子回波探测单元用于探测被目标反射的单光子激光脉冲，即单光子回波；

所述脉冲计时单元用于对单光子激光脉冲发射与探测过程进行计时，得出单光子激光测距过程中的单光子往返时间；

所述信号处理单元用于对探测到的单光子回波进行信号处理，并通过预设算法得出测距结果。

本发明还提供了光量子测距望远镜测距方法，包括：

S1使用所述光量子测距望远镜测量目标距离时，所述单光子激光发射单元向目标发射单光子激光，同时发射脉冲发射信号至所述脉冲计时单元，单光子激光至目标处发生作用，反射单光子回波；

S2所述单光子回波探测单元探测单光子回波，同时发射回波探测信号至所述脉冲计时单元；

S3所述脉冲计时单元根据接收到的脉冲发射信号与回波探测信号进行计时转换，得出计时结果，即为单光子激光测距过程中的单光子往返时间；

S4所述信号处理单元将探测到的单光子回波进行噪声过滤，滤除目标环境中的噪声，并利用预设数据处理算法，对探测到的单光子回波进行数据处理，得出测距结果，并显示在OLED显示屏上。

本发明的有益效果是：通过一种光量子测距望远镜及测距方法采用单光子光束进行目标距离测量，其相干性及方向性等物理参数较普通光更具优势，在发射单光子激光、反射回波的过程中，减少了大气环境对光束的漫反射和折射，测量精度更高，测量速度更快，弥补了普通测距望远镜误差较大的缺陷。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的装置结构示意图；图2是本发明的方法示意图；

附图标记：

光量子测距望远镜1、单光子激光发射单元101、单光子回波探测单元102、脉冲计时单元103、信号处理单元104；S1、S2、S3、S4。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例的一种光量子测距望远镜1，包括单光子激光发射单元101、单光子回波探测单元102、脉冲计时单元103、信号处理单元104；

所述单光子激光发射单元101用于向目标发射单光子激光脉冲；

所述单光子回波探测单元102用于探测被目标反射的单光子激光脉冲，即单光子回波；

所述脉冲计时单元103用于对单光子激光脉冲发射与探测过程进行计时，得出单光子激光测距过程中的单光子往返时间；

所述信号处理单元104用于对探测到的单光子回波进行信号处理，并通过预设算法得出测距结果。

参见图2，本实施例还提供了光量子测距望远镜测距方法，包括：

S1使用所述光量子测距望远镜1测量目标距离时，所述单光子激光发射单元101向目标发射单光子激光，同时发射脉冲发射信号至所述脉冲计时单元103，单光子激光至目标处发生作用，反射单光子回波；

S2所述单光子回波探测单元102探测单光子回波，同时发射回波探测信号至所述脉冲计时单元103；

S3所述脉冲计时单元103根据接收到的脉冲发射信号与回波探测信号进行计时转换，得出计时结果，即为单光子激光测距过程中的单光子往返时间；

S4所述信号处理单元104将探测到的单光子回波进行噪声过滤，滤除目标环境中的噪声，并利用预设数据处理算法，对探测到的单光子回波进行数据处理，得出测距结果，并显示在OLED显示屏上。

本实施例通过一种光量子测距望远镜及测距方法采用单光子光束进行目标距离测量，其相干性及方向性等物理参数较普通光更具优势，在发射单光子激光、反射回波的过程中，减少了大气环境对光束的漫反射和折射，测量精度更高，测量速度更快，弥补了普通测距望远镜误差较大的缺陷。

优选的，所述单光子激光发射单元101包括高效单光子激光发射器、信号发射器；

所述高效单光子激光发射器用于按一定频率μ发射单光子激光脉冲；

所述信号发射器用于按相同频率μ发射脉冲发射信号至所述脉冲计时单元。

本优选实施例中所述光量子测距望远镜1测距过程中使用的单光子具有特殊的物理性质，其相干性及方向性等物理参数较普通光更具优势，所述高效单光子激光发射器发射单光子激光，能够减少发射过程中的误差，受外界环境的温度天气等的影响较小，能够保证较远的测量范围。

优选的，所述单光子回波探测单元102包括远距离回波探测器、超远距离回波探测器、信号发射器；

所述远距离回波探测器及所述超远距离回波探测器用于探测被目标反射的单光子激光脉冲，即单光子回波；

所述远距离回波探测器及所述超远距离回波探测器的探测灵敏度不同，所述远距离回波探测器的探测范围小于所述超远距离回波探测器的探测范围；

所述信号发射器用于当所述远距离回波探测器及超远距离回波探测器探测到单光子回波时发射回波探测信号至所述脉冲计时单元103。

本优选实施例中所述单光子回波探测单元102用于探测被目标反射的单光子激光脉冲，即单光子回波，分为探测灵敏度不同的所述远距离回波探测器及所述超远距离回波探测器，目标反射的单光子回波根据目标距离的不同分为不同的回波强度，所述远距离回波探测器及所述超远距离回波探测器能够在保证探测精确度的同时减少一定程度上的资源空置，避免追求高精度而造成的资源浪费。

优选的，所述脉冲计时单元103包括信号接收器、计时转换器；

所述信号接收器用于接收所述脉冲发射信号及所述回波探测信号；

所述计时转换器用于将信号接收器接收到的信号进行计时转换，得出计时结果，即为单光子激光测距过程中的单光子往返时间。

本优选实施例中所述脉冲计时单元103通过接收所述脉冲发射信号及所述回波探测信号进行计时转换，将接收到的信号在计时转换器中进行信号类型转换，控制计时开始及结束，得到计时结果，即单光子激光测距过程中的单光子往返时间，以便后续所述信号处理单元104中对单光子回波进行信号处理计算得出目标距离，所述脉冲计时单元103能够使计时结果不受其他单元影响，保证测量速度与精度。

优选的，所述信号处理单元104包括回波过滤器、回波处理器、结果显示器；

所述回波过滤器用于将探测到的单光子回波进行噪声过滤，滤除目标环境中的噪声；

所述回波处理器内预设数据处理算法，用于对探测到的单光子回波进行信号分析后得到相关数据，并进行数据处理，得出测距结果；

所述结果显示器为OLED显示屏，用于显示测距结果。

本优选实施例中所述信号处理单元104用于对探测到的单光子回波进行信号处理，单光子独特的物理特性相较于普通光，受到的外界环境温度天气等的影响较小，但仍需进行一定的噪声滤波，去除部分较明显的噪声，保证结果的高精度，并且对于较远距离下的精确测距，所述光量子测距望远镜能够稳定识别测距，操作简单，速度快，误差小。

优选的，所述回波处理器内预设数据处理算法包括：

探测到的单光子回波信号中反射的光子数M(t)与单光子往返时间t建立函数关系：

其中W_V是修正系数，W_A为单光子回波信号平均光子数；σ_s是单光子回波信号的均方根脉冲宽度，σ_x是单光子回波信号的修正均方根脉冲宽度，在一个固定范围内选择，t_x是单光子激光脉冲反射单程飞行时间；

单光子回波信号的均方根脉冲宽度σ_s是单光子回波信号的重要特征参数，可以表示为：

(2)式中r表示目标表面光吸收系数，p表示相对于水平线目标的仰角或俯角，c表示光速(常数)，z_t表示单光子方向角，u表示单光子散射微扰角，λ表示所述光量子测距望远镜1与目标之间的距离；

一般情况下，可以将目标近似为理想反射体，由光学方程可知所述单光子回波探测单元102接收到的单脉冲平均信号光子数W_A为：

(3)式中s是修正系数，q是目标反射率，γc是接收光学系统光轴与目标法线夹角，Γ是大气透光率，α是单光子回波探测单元接收量子敏感度，β是所述光量子测距望远镜1光学传输效率，χ是单光子能量传输修正系数，ξ是接收物镜直径，是发射物镜直径，Φ是单光子能量，Π是光学材料常数，λ是所述光量子测距望远镜1到目标距离。

本优选实施例中在考虑大气衰减的情况下，接收信号可以抽象成为发射的单光子经过2次夫琅禾费衍射和1次全反射而得到的过程，利用相关函数和抽象近似，将探测到的单光子回波信号中反射的光子数M(t)与单光子往返时间t建立函数关系，然后再根据上述三个等式联立求解，即可得出所述光量子测距望远镜1与目标的距离。

一种光量子测距望远镜测距方法，其特征在于，包括：

S1使用所述光量子测距望远镜1测量目标距离时，所述单光子激光发射单元101向目标发射单光子激光，同时发射脉冲发射信号至所述脉冲计时单元103，单光子激光至目标处发生作用，反射单光子回波；

S2所述单光子回波探测单元102探测单光子回波，同时发射回波探测信号至所述脉冲计时单元103；

S3所述脉冲计时单元103根据接收到的脉冲发射信号与回波探测信号进行计时转换，得出计时结果，即为单光子激光测距过程中的单光子往返时间；

S4所述信号处理单元104将探测到的单光子回波进行噪声过滤，滤除目标环境中的噪声，并利用预设数据处理算法，对探测到的单光子回波进行数据处理，得出测距结果，并显示在OLED显示屏上。

本优选实施例中所述光量子测距望远镜1采用单光子光束进行目标距离测量，主要是利用单光子具有的独特物理性质，其相干性及方向性等物理参数较普通光更具优势，在发射单光子激光、反射回波的过程中，减少了大气环境对光束的漫反射和折射，测量精度更高，测量速度更快，弥补了普通光测距望远镜误差较大的缺陷，操作简单，反应速度快，节约时间，精度高，受外界环境温度天气等的影响小，作用距离远，对烟雾尘埃等穿透性好，适用于远距离精确测距，较远距离情况下能够稳定识别测距。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种光量子测距望远镜，其特征在于，包括单光子激光发射单元、单光子回波探测单元、脉冲计时单元、信号处理单元；

所述单光子激光发射单元用于向目标发射单光子激光脉冲；

所述单光子回波探测单元用于探测被目标反射的单光子激光脉冲，即单光子回波；

所述脉冲计时单元用于对单光子激光脉冲发射与探测过程进行计时，得出单光子激光测距过程中的单光子往返时间；

所述信号处理单元用于对探测到的单光子回波进行信号处理，并通过预设算法得出测距结果。

2.根据权利要求1所述的一种光量子测距望远镜，其特征在于，所述单光子激光发射单元包括高效单光子激光发射器、信号发射器；

所述高效单光子激光发射器用于按一定频率μ发射单光子激光脉冲；

所述信号发射器用于按相同频率μ发射脉冲发射信号至所述脉冲计时单元。

3.根据权利要求1所述的一种光量子测距望远镜，其特征在于，所述单光子回波探测单元包括远距离回波探测器、超远距离回波探测器、信号发射器；

所述远距离回波探测器及所述超远距离回波探测器用于探测被目标反射的单光子激光脉冲，即单光子回波；

所述远距离回波探测器及所述超远距离回波探测器的探测灵敏度不同，所述远距离回波探测器的探测范围小于所述超远距离回波探测器的探测范围；

所述信号发射器用于当所述远距离回波探测器及超远距离回波探测器探测到单光子回波时发射回波探测信号至所述脉冲计时单元。

4.根据权利要求1所述的一种光量子测距望远镜，其特征在于，所述脉冲计时单元包括信号接收器、计时转换器；

所述信号接收器用于接收所述脉冲发射信号及所述回波探测信号；

所述计时转换器用于将信号接收器接收到的信号进行计时转换，得出计时结果，即为单光子激光测距过程中的单光子往返时间。

5.根据权利要求1所述的一种光量子测距望远镜，其特征在于，所述信号处理单元包括回波过滤器、回波处理器、结果显示器；

所述回波过滤器用于将探测到的单光子回波进行噪声过滤，滤除目标环境中的噪声；

所述回波处理器内预设数据处理算法，用于对探测到的单光子回波进行信号分析后得到相关数据，并进行数据处理，得出测距结果；

所述结果显示器为OLED显示屏，用于显示测距结果。

6.根据权利要求1所述的一种光量子测距望远镜，其特征在于所述回波处理器内预设数据处理算法包括：

探测到的单光子回波信号中反射的光子数M(t)与单光子往返时间t建立函数关系：

其中W_V是修正系数，W_A为单光子回波信号平均光子数；σ_s是单光子回波信号的均方根脉冲宽度，σ_x是单光子回波信号的修正均方根脉冲宽度，在一个固定范围内选择，t_x是单光子激光脉冲反射单程飞行时间。

7.一种光量子测距望远镜测距方法，其特征在于，包括：

S1使用所述光量子测距望远镜测量目标距离时，所述单光子激光发射单元向目标发射单光子激光，同时发射脉冲发射信号至所述脉冲计时单元，单光子激光至目标处发生作用，反射单光子回波；

S2所述单光子回波探测单元探测单光子回波，同时发射回波探测信号至所述脉冲计时单元；

S3所述脉冲计时单元根据接收到的脉冲发射信号与回波探测信号进行计时转换，得出计时结果，即为单光子激光测距过程中的单光子往返时间；

S4所述信号处理单元将探测到的单光子回波进行噪声过滤，滤除目标环境中的噪声，并利用预设数据处理算法，对探测到的单光子回波进行数据处理，得出测距结果，并显示在OLED显示屏上。