CN112130163A - 一种基于单光子检测的激光测距系统及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于单光子检测的激光测距系统及测距方法，该系统包括激光器、发射光学模块、分光模块、接收光学模块、第一探测器、第二探测器、控制与信息处理器；首先，控制与信息处理器控制激光器产生脉冲激光，分光模块将准直后的脉冲激光分为探测光束和参考光束后发射出去；接收光学模块接收激光回波，并将激光回波分别发送给探测器；第一探测器和第二探测器接收所述激光回波后，对其进行光电转换并发送给控制与信息处理器；控制与信息处理器对激光回波光子的电信号进行时间相关光子数计数、数据处理，解算目标距离信息。该系统可有效减小后向散射等噪声的影响，且用于非扫描成像激光雷达无需成倍增加探测器数量。

Description

一种基于单光子检测的激光测距系统及测距方法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，涉及一种基于单光子检测的激光测距系统。

背景技术

基于单光子检测技术的激光雷达，具有探测灵敏度高、作用距离远等优点，但同时因为响应灵敏度的提高，单光子检测激光雷达更容易受噪声影响，噪声主要有大气后向散射、太阳辐射等背景光、探测器暗计数噪声等。

为降低噪声对单光子检测激光雷达的干扰，目前已提出一些方法。专利201910940731.7提出基于多探测器的单光子激光雷达探测系统及方法，将激光回波均匀分束，由多探测器同时接收光子，进而对各探测器输出结果进行与操作，有效去除随机噪声，并可减少信号累积次数。但该方法对于非扫描成像激光雷达，需要阵列探测器进行成像，则随着探测器阵列的扩展，需成倍增加探测器数量用于减小噪声，因此该方式不利于非扫描成像激光雷达。且对于大气能见度较差环境，后向散射往往较严重，采用该方式难以消除近距离虚假目标的影响。

发明内容

针对现有单光子检测激光雷达去噪方法的不足，本发明提供一种基于单光子检测的双光束激光测距系统，可有效减小后向散射等噪声的影响，且用于非扫描成像激光雷达无需成倍增加探测器数量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于单光子检测的激光测距系统，所述测距系统包括激光器、发射光学模块、分光模块、接收光学模块、第一探测器、第二探测器、控制与信息处理器；

所述激光器与所述控制与信息处理器相连，用于产生脉冲激光，并向所述控制与信息处理器发送触发信号；所述发射光学模块，用于对激光器产生的脉冲激光进行准直；所述分光模块，用于将准直后的激光分为探测光束和参考光束后发射出去；所述接收光学单元，用于接收两束激光回波，进行准直、滤光和聚焦，分别入射到第一探测器和第二探测器；所述第一探测器和第二探测器用于接收回波光子，进行光电转换并发送给所述控制与信息处理器，所述控制与信息处理器基于光子数分布差分的方法提取目标信号，并通过飞行时间法解算距离信息。

进一步的，所述分光模块，将准直后的激光以1:1的比例分为探测光束和参考光束后发射出去，所述探测光束射向目标，参考光束与探测光束有一夹角，射向目标附近的空气或比目标远的参考目标；

所述分光模块中包含半反半透镜和反射镜，半反半透镜与所述发射光学模块的出射光束夹角45°。

进一步的，所述接收光学模块包括接收望远镜、窄带滤光片、聚焦透镜，所述接收望远镜、窄带滤光片、聚焦透镜在同一光轴线上，接收望远镜对向目标一侧，窄带滤光片在接收望远镜和聚焦透镜之间；两束回波激光依次经过接收望远镜准直、窄带滤光片滤光和聚焦透镜聚焦，入射到第一探测器和第二探测器。

作为本申请的一种优选实施方式，所述参考光束与探测光束直接的夹角小于5毫弧度。

进一步的，所述第一探测器用于接收探测光回波，所述第二探测器用于接收参考光回波，在每个探测周期内，两探测器在激光器发送触发信号后同时被触发工作，并持续同样时间。

进一步的，所述控制与信息处理器获取第一探测器和第二探测器的时间相关光子计数数据后，计算光子数随时间的分布，将第一探测器和第二探测器光子数分布相减，提取目标距离信息。

本发明还提供上述系统的激光测距方法，所述测距方法包括以下步骤：

步骤一，控制与信息处理器控制激光器产生脉冲激光，所述脉冲激光经发射光学模块进行准直处理；

步骤二，所述分光模块，将准直后的脉冲激光分为探测光束和参考光束后发射出去；

步骤三，接收光学模块接收所述探测光束和参考光束的激光回波，并将所述激光回波分别发送给第一探测器和第二探测器；

步骤四，所述第一探测器和第二探测器接收回到所述激光回波后，对其进行光电转换，并发送给所述控制与信息处理器；

步骤五，所述控制与信息处理器对所述激光回波光子的电信号进行时间相关光子数计数、数据处理，解算目标距离信息。

进一步的，所述步骤二中，探测光束朝向目标发射，所述参考光束射向目标附近的空气或比目标远的参考目标，所述探测光束和参考光束之间有夹角。

进一步的，所述控制与信息处理器获取第一探测器和第二探测器的激光回波光子计数数据后，计算激光回波光子数随时间的分布，将第一探测器和第二探测器光子数分布相减提取目标信号，基于飞行时间法解算距离信息。

更进一步的，目标距离为ct/2，c为光速，t为光发射、经目标反射、再由探测器接收，这个过程对应的时间。

有益效果

本申请技术方案将发射激光均匀分成了探测光束和参考光束，探测光束射向目标，参考光束与探测光束间有一定夹角，射向目标附近的空气或比目标远的参考目标，通过两个单光子探测器分别采集探测光和参考光回波信号，获取探测光和参考光回波光子数分布并相减去除噪声，提取目标距离信息，可有效减小后向散射、背景光等噪声的影响，提升系统对近距离和远距离目标探测的性能，且用于非扫描成像激光雷达，无需随探测器阵列扩展而同时数倍增加单光子探测器以减小噪声。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明实施例基于单光子检测的激光测距系统组成示意图；

图2为本发明实施例分光系统组成示意图；

图3为本发明实施例接收光学系统组成示意图；

图4为本发明实施例工作时序示意图；

图5为本发明实施例时间相关光子数分布相减结果示意图；

图中，1-激光器、2-发射光学模块、3-分光模块、4-接收光学模块、5-第一探测器、6-第二探测器、7-控制与信息处理器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合说明书附图对本发明的实施方式做进一步地详细叙述。

实施例1

如图1所示，本发明基于单光子检测的激光测距系统，包括激光器1、发射光学模块2、分光模块3、接收光学模块4、第一探测器5、第二探测器6、控制与信息处理器7。

本实施例激光器1，与所述控制与信息处理器7相连，用于产生脉冲激光，并向所述控制与信息处理器7发送触发信号；所述发射光学系统2，用于对激光器1激光进行准直；所述分光模块3，用于将准直后的激光分为探测光束和参考光束后发射出去；所述接收光学模块4，包括接收望远镜、窄带滤光片、聚焦透镜，用于接收两束激光回波，进行准直、滤光和聚焦，分别入射到第一探测器5和第二探测器6；所述第一探测器5和第二探测器6为光纤耦合的单光子探测器，用于接收回波光子，进行光电转换；所述控制与信息处理器7，与激光器1、第一探测器5、第二探测器6相连，用于触发激光器1发射激光，控制第一探测器5、第二探测器6工作，接收激光器1发送的触发信号、第一探测器5输出的电信号、第二探测器6输出的电信号，并进行时间相关光子数计数、数据处理，所述控制与信息处理器基于光子数分布差分的方法提取目标信号，并解算距离信息。

本实施例分光系统3，分光比为1:1，分光后探测光束射向目标，参考光束与探测光束有一夹角，射向目标附近的空气或比目标远的参考目标。

如图3所示，所述接收光学模块包括接收望远镜、窄带滤光片、聚焦透镜，接收望远镜、窄带滤光片、聚焦透镜在同一光轴线上，接收望远镜对向目标一侧，窄带滤光片在接收望远镜和聚焦透镜之间；两束回波激光依次经过接收望远镜准直、窄带滤光片滤光和聚焦透镜聚焦，入射到第一探测器和第二探测器。本实施例第一探测器5用于接收探测光回波，所述第二探测器6用于接收参考光回波，参考光束与探测光束直接的夹角为约几个毫弧度，本实施例中该角度小于5毫弧度。探测光束、参考光束之间夹角较小，以保证两光束经过路径差别不大，可根据具体方案不同而调整。

在每个探测周期内，两探测器在激光器1发送触发信号一定延时后同时被触发工作，并持续同样时间。

本实施例控制与信息处理器7，获取第一探测器5和第二探测器6的时间相关光子计数数据后，计算光子数随时间的分布，将第一探测器5和第二探测器6光子数分布相减，提取目标距离信息。

本实施例中，目标距离为ct/2，c为光速，t为光发射、经目标反射、再由探测器接收，这个过程对应的时间。

本实施例中关于夹角设计基于以下原则：参考光束与探测光束分开足够角度，以保证不打中目标，并留足余量，被接收光学系统接收汇聚后分开足够距离，考虑为大于3倍接收视场角。同时，参考光束与探测光束夹角不能过大，为保证参考光束有效，夹角应尽量小，考虑探测目标大小、最近和最远目标距离等。

本申请基于单光子检测的双光束激光测距系统可针对空中小目标探测。一般探测距离大而远的目标，后向散射往往可通过门控信号屏蔽掉，但对距离不太远的小目标，大气后向散射往往较大，同时目标小，则回波信号不高。

为将目标信号从较强后向散射中提取出来，类比电学里的差分信号，设置一参考光束，探测光束和参考光束经过近似相同的路径，通过差分处理以排除共同的干扰。

本申请基于单光子检测的双光束激光测距系统，对扫描成像、非扫描成像，也适用于减小后向散射噪声等。

实施例2

基于上述激光测距系统，本申请还提供其测距方法，所述测距方法包括以下步骤：

步骤一，控制与信息处理器控制激光器产生脉冲激光，所述脉冲激光经发射光学模块进行准直处理；

步骤二，所述分光模块，将准直后的脉冲激光分为探测光束和参考光束后发射出去；

步骤三，接收光学模块接收所述探测光束和参考光束的激光回波，并将所述激光回波分别发送给第一探测器和第二探测器；

步骤四，所述第一探测器和第二探测器接收回到所述激光回波后，对其进行光电转换，并发送给所述控制与信息处理器；

步骤五，所述控制与信息处理器对所述激光回波光子的电信号进行时间相关光子数计数、数据处理，解算目标距离信息。

本实施例激光器1脉冲重复频率为20kHz，激光经发射光学系统2准直后，激光发散角为0.3mrad。

如图2所示，本实施例分光模块3的一种实现方式是，由半反半透镜31和反射镜32组成，半反半透镜31与发射光学系统2的出射光束夹角45°，反射与透射光功率比为1:1，透射光束为探测光束射向目标，反射镜32与半反半透镜31近似平行，但有较小平行角度差，反射光束为参考光束射向目标附近的空气或比目标远的参考目标。本实施例针对探测目标距离约500m～约7km、目标尺寸0.15m，选择半反半透镜31与反射镜32平行角度差，使得探测光束与参考光束角度差为2mrad，参考光束不会照射到目标，但与目标距离不远。

如图3所示，本实施例中的接收光学模块4，一种实现方式是，包含接收望远镜41、窄带滤光片42和聚焦透镜43，回波光依次通过接收望远镜41准直缩束、窄带滤光片42滤除大部分激光以外波段的光、聚焦透镜43聚焦，射向两探测器接收光纤端面。本实施例接收光学模块4，包含物镜411、视场光阑412、目镜413，光轴与分光模块3出射的探测光束光轴平行，接收望远镜41的接收视场大于半反半透镜31与反射镜32平行角度差，具有中间焦面，中间焦面处设置具有两小通孔的视场光阑412，分别只透过0°和2mrad附近入射、宽度为0.6mrad的光。本实施例接收光学模块4的焦平面放置第一探测器5和第二探测器6各自的接收光纤，光纤对应接收视场0.6mrad，两光纤集成一体，光纤中心间距使得探测光回波汇聚到第一探测器5对应光纤端面，参考光回波汇聚到第二探测器6对应光纤端面，回波通过光纤分别耦合入各自探测器。

本实施例第一探测器5和第二探测器6，优选工作于盖革模式的雪崩光电二极管，两探测器主要参数性能一致。

如图4所示，本实施例控制与信息处理器7，在一个激光脉冲发射周期内，接收激光器1发送的触发信号后开始计数，当计数时间到3.3μs后，触发第一探测器5和第二探测器6门控打开，同时继续计数45μs，然后触发第一探测器5和第二探测器6门控关闭；第一探测器5和第二探测器6在门控打开时间内，检测光子，输出电脉冲信号；本实施例控制与信息处理器7接收两探测器输出的电脉冲信号，分别对两探测器进行时间相关光子计数，在多个脉冲周期后，获得两个探测器对应的光子数计数随时间的分布数据并存储。

如图5所示，本实施例控制与信息处理器7，对两探测器光子数计数随时间的分布数据进行平滑处理，然后将两个探测器对应的光子数随时间分布相减，相减后的分布数据，大幅消减了后向散射、背景噪声等的光子数幅度，但保留了目标回波对应时间点的光子数幅度；本实施例控制与信息处理器7对相减后的光子数分布提取目标回波时间，计算目标距离。

本实施例采用如下方式计算目标距离：

目标距离为ct/2，c为光速，t为光发射、经目标反射、再由探测器接收，这个过程对应的时间。

对于采用阵列探测器的激光成像系统，考虑阵列探测器中每一个探测器的噪声，采用专利201910940731.7的方法，需对每一个探测器都增加额外一个探测器，本申请方法对于阵列式探测器探测，仍然可以只采用一束参考光，与阵列探测器中每一个探测器做参考，去除后向散射等噪声，有效提取目标信号，而增加的探测器也只有1个，用于接收一束参考光。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

上述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单光子检测的激光测距系统，其特征在于，所述测距系统包括激光器、发射光学模块、分光模块、接收光学模块、第一探测器、第二探测器、控制与信息处理器；

所述激光器与所述控制与信息处理器相连，用于产生脉冲激光，并向所述控制与信息处理器发送触发信号；所述发射光学模块，用于对激光器产生的脉冲激光进行准直；所述分光模块，用于将准直后的激光分为探测光束和参考光束后发射出去；所述接收光学单元，用于接收两束激光回波，进行准直、滤光和聚焦，分别入射到第一探测器和第二探测器；所述第一探测器和第二探测器用于接收回波光子，进行光电转换并发送给所述控制与信息处理器，所述控制与信息处理器基于光子数分布差分的方法提取目标信号，并通过飞行时间法解算距离信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于单光子检测的激光测距系统，其特征在于，所述分光模块，将准直后的激光以1:1的比例分为探测光束和参考光束后发射出去，所述探测光束射向目标，参考光束与探测光束有一夹角，射向目标附近的空气或比目标远的参考目标；

所述分光模块中包含半反半透镜和反射镜，半反半透镜与所述发射光学模块的出射光束夹角45°。

3.根据权利要求1所述的一种基于单光子检测的激光测距系统，其特征在于，所述接收光学模块包括接收望远镜、窄带滤光片、聚焦透镜，所述接收望远镜、窄带滤光片、聚焦透镜在同一光轴线上，接收望远镜对向目标一侧，窄带滤光片在接收望远镜和聚焦透镜之间；两束回波激光依次经过接收望远镜准直、窄带滤光片滤光和聚焦透镜聚焦，入射到第一探测器和第二探测器。

4.根据权利要求2所述的一种基于单光子检测的激光测距系统，其特征在于，所述参考光束与探测光束直接的夹角小于5毫弧度。

5.根据权利要求2所述的一种基于单光子检测的激光测距系统，其特征在于，所述第一探测器用于接收探测光回波，所述第二探测器用于接收参考光回波，在每个探测周期内，两探测器在激光器发送触发信号后同时被触发工作，并持续同样时间。

6.根据权利要求2所述的一种基于单光子检测的激光测距系统，其特征在于，所述控制与信息处理器获取第一探测器和第二探测器的时间相关光子计数数据后，计算光子数随时间的分布，将第一探测器和第二探测器光子数分布相减，提取目标距离信息。

7.一种基于单光子检测的激光测距方法，其特征在于，所述测距方法包括以下步骤：

步骤一，控制与信息处理器控制激光器产生脉冲激光，所述脉冲激光经发射光学模块进行准直处理；

步骤二，所述分光模块，将准直后的脉冲激光分为探测光束和参考光束后发射出去；

步骤三，接收光学模块接收所述探测光束和参考光束的激光回波，并将所述激光回波分别发送给第一探测器和第二探测器；

步骤四，所述第一探测器和第二探测器接收回到所述激光回波后，对其进行光电转换，并发送给所述控制与信息处理器；

步骤五，所述控制与信息处理器对所述激光回波光子的电信号进行时间相关光子数计数、数据处理，解算目标距离信息。

8.根据权利要求7所述的一种基于单光子检测的激光测距方法，其特征在于，所述步骤二中，探测光束朝向目标发射，所述参考光束射向目标附近的空气或比目标远的参考目标，所述探测光束和参考光束之间有夹角。

9.根据权利要求7所述的一种基于单光子检测的激光测距方法，其特征在于，所述控制与信息处理器获取第一探测器和第二探测器的激光回波光子计数数据后，计算激光回波光子数随时间的分布，将第一探测器和第二探测器光子数分布相减提取目标信号，基于飞行时间法解算距离信息。

10.根据权利要求9所述的一种基于单光子检测的激光测距方法，其特征在于，目标距离为ct/2，c为光速，t为光发射、经目标反射、再由探测器接收，这个过程对应的时间。

Images