CN111308493A - 一种基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置 - Google Patents

一种基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，包括窄脉冲激光器、光学发射系统、1：99分束棱镜、中心带小孔反射镜、扫描振镜、光电二极管、光学接收系统、10:90光纤分束器、单光子探测器一、单光子探测器二、信号控制模块、信号采集模块、信号处理模块，该装置能实现远距离水下三维成像功能，并能解决近距离强后向散射使单光子探测器致盲导致探测盲区的问题。10：90光纤分束器将回波分为10％和90％两部分分别耦合进单光子探测器一和单光子探测器二，淹没在近距离强后向散射中的目标可以通过单光子探测器一探测到，远距离目标可以通过单光子探测器二探测得到，该装置能兼顾水下远近目标的探测，特别适用于强后向散射的水下应用环境。

Description

一种基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置
技术领域
本发明涉及水下激光雷达探测技术领域，特别涉及一种基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置。
背景技术
水对光具有强烈的散射和吸收，造成光在水下衰减很快，远远大于光在大气中的衰减。实现有效的水下激光探测往往需要高功率的激光光源和极其灵敏的光电探测器配合工作。
单光子探测器具有单个光子的响应能力，探测灵敏度极高，使用单光子探测器可以大大扩大水下激光系统的作用距离，实现微弱回波信号的探测，但该类探测器对光强的响应不是线性的，强光会使其饱和导致无法响应后续一段时间的光子，该现象被称为致盲。
水下激光成像系统出射的激光会被水和水中的杂质强烈地散射，其中一部分向后的散射称为后向散射。后向散射在近距离时尤为强烈且与出射激光光强成正比。该后向散射能使单光子探测器致盲而无法响应近距离目标回波，造成数米到数十米的盲区。
发明内容
本发明是为了解决水下三维成像单光子激光雷达系统中存在的单光子探测器被近距离强后向散射致盲的问题。本发明所述系统能在不影响远距离目标探测的同时兼顾近距离目标的探测，扩大水下单光子激光雷达的适用范围。
为了解决该技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，包括窄脉冲激光器、光学发射系统、1：99分束棱镜、中心带小孔反射镜、扫描振镜、光电二极管、光学接收系统、10:90光纤分束器、单光子探测器一、单光子探测器二、信号控制模块、信号采集模块、信号处理模块。所述窄脉冲激光器发出窄脉冲宽度、高重复频率激光通过所述光学发射系统输入到所述1：99分束棱镜中一分为二：1％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、门控信号和扫描振镜的同步信号；99％进入所述中心带小孔反射镜，经由中心带小孔反射镜的中心小孔后通过所述扫描振镜出射在目标上，目标散射回波反向进入所述扫描振镜后被所述中心带小孔反射镜反射后入射到所述光学接收系统，光学接收系统通过所述10:90光纤分束器把光分为两部分耦合给所述单光子探测器一和所述单光子探测器二，单光子信号经过所述信号采集模块、信号处理模块后即得距离信息，结合扫描振镜位置信息可重建三维信息。
进一步地，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532nm。
进一步地，所述的中心带小孔反射镜与光轴成45°放置。
进一步地，所述的中心带小孔反射镜单面镀532nm介质反射膜，且镀膜面朝向激光出射方向。
进一步地，所述的中心带小孔反射镜起着收发转换器的作用，出射激光通过中心小孔出射，回波通过45°反射进入光学接收系统。
进一步地，所述单光子探测器组由2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Si基型，带门控选通功能，最大计数率28MHz，暗计数率200Hz。
进一步地，光电二极管的电信号作为单光子探测器的Start基准信号、门控信号和扫描系统的同步信号。
进一步地，信号采集模块为双通道时间相关单光子计数器，具有16ps时间分辨率。
进一步地，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预设时间后激活盖革APD单光子探测器一和单光子探测器二。
进一步地，同时拥有提取远近距离目标回波的能力，近距离时使用单光子探测器一的信号提取目标回波，远距离时使用单光子探测器二的信号提取目标回波。
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，两者结合能降低信号的时间抖动，有效的提高精度。
2.使用532nm波长激光光源，该波段处于水的光学窗口，最小化水对激光的衰减。
3.中间带小孔的反射镜起到收发光路转换的作用，系统采用收发合置，结构紧凑。
4.使用延时的门控信号选通单光子探测器，让单光子探测器避开系统内部散射光。
5.单光子探测器一耦合10％光纤分束器端口，单光子探测器二耦合90％光纤分束器端口，对于近距离目标单光子探测器一可以响应到，对于远距离目标单光子探测器二可以响应到，实现兼顾远近距离的探测。
6.结合振镜扫描位置信息可以重建出水下三维图像。
附图说明
图1为基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置框架图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本发明是基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，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。基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置包括窄脉冲激光器①、光学发射系统②、1：99分束棱镜③、中心带小孔反射镜④、扫描振镜⑤、光电二极管⑥、光学接收系统⑦、10:90光纤分束器⑧、单光子探测器一⑨、单光子探测器二⑩、信号控制模块
Figure BDA0002299272740000034
信号采集模块
Figure BDA0002299272740000035
信号处理模块
Figure BDA0002299272740000036
窄脉冲激光器①发出100ps脉宽、1MHz重复频率、1KW峰值功率、中心532nm的激光脉冲通过光学发射系统输入到1：99分束棱镜中一分为二：1％进入到光电二极管进行光电转换，转换后的电信号分别输入到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、门控信号和扫描振镜的同步信号；99％进入中心带小孔反射镜，经由中心带小孔反射镜的2mm中心小孔后通过扫描振镜出射在目标上，目标散射回波反向进入扫描振镜后被中心带小孔反射镜反射后入射到光学接收系统，光学接收系统通过10:90光纤分束器把光分为两部分耦合给所述单光子探测器一和所述单光子探测器二，单光子信号经过信号采集模块、信号处理模块后即得距离信息，结合扫描振镜位置信息可重建三维信息。
光学发射系统由单个或多个透镜组成，起到对激光的准直扩束作用，使出射激光具有适当的光斑大小和发散角。
扫描振镜由旋转轴线垂直的两块反射镜组成，反射镜镀532nm介质反射膜或金属银(铝)膜。
光学接收系统由单片或多片透镜组成，起到将回波耦合进光纤分束器的作用，其焦距需要计算从而使接收视场略大于出射激光发散角。
10：90光纤分束器工作在532nm波段，该分束器对532nm光具有低损耗。
信号控制模块接收光电二极管信号后延迟一预设时间输出门控信号激活单光子探测器一和单光子探测器二从而使探测器避开系统内部杂散光。
信号处理模块将得到的单光子探测器一和单光子探测器二的信号按照预设的累加次数分别进行直方图累加统计，从该直方图推导出距离数据。
近距离强散射环境下的目标采用单光子探测器一得到的数据进行重建，远距离目标采用单光子探测器二得到的数据进行重建。
信号处理模块结合扫描振镜输出角度位置信息重建出三维图像。
根据上述具体实施方案可知，本发明是一种基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，相比传统水下单光子激光雷达系统，解决了近距离强散射光对单光子探测器的致盲问题，采用收发合置光路使系统结构紧凑，加入扫描振镜使系统具有三维成像功能，扩大了水下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 (10)

1.一种基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，其特征在于：所述装置包括窄脉冲激光器(①)、光学发射系统(②)、1：99分束棱镜(③)、中心带小孔反射镜(④)、扫描振镜(⑤)、光电二极管(⑥)、光学接收系统(⑦)、10:90光纤分束器(⑧)、单光子探测器一(⑨)、单光子探测器二(⑩)、信号控制模块
Figure FDA0002299272730000011
信号采集模块
Figure FDA0002299272730000012
信号处理模块
Figure FDA0002299272730000013
所述窄脉冲激光器发出窄脉冲宽度、高重复频率激光通过所述光学发射系统输入到所述1：99分束棱镜中一分为二：1％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、门控信号和扫描振镜的同步信号；99％进入所述中心带小孔反射镜，经由中心带小孔反射镜的中心小孔后通过所述扫描振镜出射到目标上，目标散射回波反向进入所述扫描振镜后被所述中心带小孔反射镜反射后入射到所述光学接收系统，光学接收系统通过所述10:90光纤分束器把光分为两部分耦合给所述单光子探测器一和所述单光子探测器二，单光子信号经过所述信号采集模块、信号处理模块后即得距离信息，结合扫描振镜位置信息可重建三维信息。
2.如权利要求1所述的基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，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532nm。
3.如权利要求1所述的基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，其特征在于：所述的中心带小孔反射镜与光轴成45°放置。
4.如权利要求1所述的基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，其特征在于：所述的中心带小孔反射镜单面镀532nm介质反射膜，且镀膜面朝向激光出射方向。
5.如权利要求1所述的基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，其特征在于：所述的中心带小孔反射镜起着收发转换器的作用，出射激光通过中心小孔出射，回波通过45°反射进入光学接收系统。
6.如权利要求1所述的基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，其特征在于：所述单光子探测器组由2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Si基型，带门控选通功能，最大计数率28MHz，暗计数率200Hz。
7.如权利要求1所述的基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，其特征在于：光电二极管的电信号作为单光子探测器的Start基准信号、门控信号和扫描系统的同步信号。
8.如权利要求1所述的基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，其特征在于：信号采集模块为双通道时间相关单光子计数器，具有16ps时间分辨率。
9.如权利要求1所述的基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，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预设时间后激活盖革APD单光子探测器一和单光子探测器二。
10.如权利要求1所述的基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置，其特征在于：同时拥有提取远近距离目标回波的能力，近距离时使用单光子探测器一的信号提取目标回波，远距离时使用单光子探测器二的信号提取目标回波。
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