CN112904362A - 一种单光子探测成像一体化载荷系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单光子探测成像一体化载荷系统及控制方法，该系统包括激光发射子系统、接收光学子系统、探测器子系统、控制处理子系统和接口子系统，所述探测器子系统包括单光子探测器和CMOS成像探测器，所述激光发射子系统包括激光器、分光片、激光扩束准直器和二维扫描器，所述接收光学子系统包括接收望远镜和窄带通分光片、窄带滤光片和探测器耦合光纤，所述控制处理子系统包括零点探测电路、计时电路、门控电路和信息融合处理模块，所述接口子系统包括机械接口与电气接口，该方法为应用于上述系统的控制方法。本发明具有多功能、功耗小和重量轻的特点。本发明可广泛应用在空间目标探测领域。
Description
技术领域
本发明涉及空间目标探测领域，尤其涉及一种单光子探测成像一体化载荷系统及控制方法。
背景技术
为了适应卫星平台功率与尺寸的条件限制，多类功能载荷一体化设计已成为发展的趋势。目前在一些卫星激光通信系统、卫星激光测距系统以及光学地面站的设计中已经开始了通信测距一体化的应用研究。但目前在轨的主被动光学的复用主要还是针对合作目标的测量，且仅在大型卫星上才能实现；对非合作目标的搜索、探测和三维成像，由于受限于激光器功率、探测器效率以及不同源信息的匹配等因素，一直没能在小卫星平台上得到应用。随着微纳卫星对近场感知信息获取的需求提出，研究小型化、低功耗、多功能的一体化载荷已成为发展的必然。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种单光子探测成像一体化载荷系统及控制方法，具有多功能、功耗小、重量轻等特点。
本发明所采用的第一技术方案是：一种单光子探测成像一体化载荷系统，包括激光发射子系统、接收光学子系统、探测器子系统、控制处理子系统和接口子系统，所述探测器子系统包括单光子探测器和CMOS成像探测器，其中：
所述激光发射子系统用于将调整后的脉冲激光指向目标物，以便反射脉冲激光作为目标回波信号；
所述接收光学子系统，用于接收、聚焦和传输所述目标回波信号；
所述单光子探测器，用于接收汇集后的目标回波信号，得到电信号；
所述CMOS成像探测器，用于目标物的自然光成像，得到图像数据；
所述控制处理子系统，用于采集所述电信号，并将所述电信号转换成测距离信息，借助所述发射子系统的扫描器，完成对所述目标物的扫描，配合所述图像数据，获得目标三维图像；
所述接口子系统，用于传递目标三维图像信息至特定平台。
进一步，所述激光发射子系统包括激光器、分光片、激光扩束准直器和二维扫描器，其中：
所述激光器用于发射约定参数的脉冲激光；
所述分光片，用于将所述脉冲激光分成较弱的第一束光和剩余的第二束光，所述第一束光入射到零点探测器上；
所述激光扩束准直器，用于将所述第二束光的发散角压缩获得约定参数的准直光，发射到所述二维扫描器上；
所述二维扫描器，用于将所述准直光导向目标物，并对所述目标物扫描。
进一步，所述接收光学子系统包括接收望远镜和窄带通分光片、窄带滤光片和探测器耦合光纤，其中：
所述接收望远镜，同时用于成像和测距，将所述目标回波信号聚焦以及所述目标物成像；
所述窄带通分光片，用于将所述目标回波信号与所述目标物反射的自然光分开，分别发射到所述探测器耦合光纤和所述CMOS成像探测器上；
所述探测器耦合光纤，用于将所述目标回波信号导入所述单光子探测器，转化为所述电信号。
进一步，所述控制处理子系统包括零点探测电路、计时电路、门控电路和信息融合处理模块，其中：
所述零点探测电路，用于激光器输出脉冲时间零点的获取，为门控电路提供时延的初值；
所述计时电路，用于为整个载荷提供统一的时间计数，确保时间统一；
所述门控电路，用于激光接收回波光子的开门控制，降低其他时间的噪声输入；
所述信息融合处理模块，用于激光点云与光学图像的融合处理，实现目标三维像的输出。
进一步，所述接口子系统包括机械接口与电气接口，其中：
所述机械接口，用于与卫星直接连接，在底部和侧面设计安装面，通过螺栓与卫星固定；
所述电气接口，用于载荷与卫星之间供电、控制和数据传输等接口约定和设计。
进一步，所述激光器重频为10kHz，单脉冲能量大于5uJ，脉宽不大于300ps。
本发明所采用的第二技术方案是：一种单光子探测成像一体化载荷系统的控制方法，包括以下步骤：
激光器发射激光经微调后入射到分光片；
分光片将激光分成第一光束和第二光束；
第一光束入射到扩束系统的激光扩束准直器压缩发散角后入射到光学调节架将激光束的指向调节至与接收光轴平行；
经过调平后的第一光束入射到二维扫描振镜并通过振镜控制器调节第一光束的指向目标物，生成目标回波光信号；
第二光束经反射入射到快速光电探头转换为电信号并经过比较器将点信号转换为数字信号；
将数字信号一分为二传输到零点探测电路和门控电路，获取激光器脉冲输出时间零点，为门控电路提供时延初值以及为计时电路提供时间零点；
接收望远镜接收目标回波光信号并将目标回波光信号经过窄带通分光片进行目标回波光信号的投射和可见光的反射，经过窄带滤光片滤除剩余的自然光，经过探测器耦合光纤将目标回波光信号耦合到传输光纤内传输到单光子探测器的感光面上转换为电信号；
窄带通分光片反射来自目标物自然光进入CMOS成像探测器，转换为目标物的图像信息；
信息融合处理模块接收来自CMOS成像探测器的图像信息和单光子探测器的测距信息，将激光点云与光学图像的融合处理，实现目标三维像的输出。
本发明方法的有益效果是：作为一种新型探测载荷，具有多功能、功耗小、重量轻等特点，能够实现卫星平台受限条件下激光宽视场搜索、高精度测量以及主被动光学三维成像的难题，提升微纳卫星的信息获取能力，拓展微纳卫星的应用领域。
附图说明
图1是本发明具体实施例的系统集成图；
图2是本发明具体实施例激光器基本原理图；
图3是本发明具体实施例激光头尺寸图；
图4是本发明具体实施例光学设计结果图；
图5是本发明具体实施例激光扩束透镜结构图；
图6是本发明具体实施例光机结构图；
图7是本发明具体实施例光学系统结构图；
图8是本发明具体实施例步骤流程图。
附图标记：1、激光器；2、扩束系统；3、光学调节架；4、二维扫瞄镜；5、接收望远镜；6、CMOS成像探测器；7、振镜控制器；8、快速光电探头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明提供了一种单光子探测成像一体化载荷系统，包括激光发射子系统、接收光学子系统、探测器子系统、控制处理子系统和接口子系统，所述探测器子系统包括单光子探测器和CMOS成像探测器，其中：
所述激光发射子系统用于将调整后的脉冲激光指向目标物，以便反射脉冲激光作为目标回波信号；
所述接收光学子系统，用于接收、聚焦和传输所述目标回波信号；
所述单光子探测器，用于接收汇集后的目标回波信号，得到电信号；
所述CMOS成像探测器，用于目标物的自然光成像，得到图像数据；
所述控制处理子系统，用于采集所述电信号，并将所述电信号转换成测距离信息，借助所述发射子系统的扫描器，完成对所述目标物的扫描，配合所述图像数据，获得目标三维图像；
所述接口子系统，用于传递目标三维图像信息至特定平台。
进一步作为优选实施例，所述激光发射子系统包括激光器、分光片、激光扩束准直器和二维扫描器，其中：
所述激光器用于发射约定参数的脉冲激光；
所述分光片，用于将所述脉冲激光分成较弱的第一束光和剩余的第二束光，所述第一束光入射到零点探测器上；
所述激光扩束准直器，用于将所述第二束光的发散角压缩获得约定参数的准直光，发射到所述二维扫描器上；
所述二维扫描器，用于将所述准直光导向目标物，并对所述目标物扫描。
具体地，所述发射系统二维扫描镜与所述接收系统单光子探测器通过所述系统零点探测电路、计时电路、门控电路协同工作，确保探测效能。
进一步作为优选实施例，所述接收光学子系统包括接收望远镜和窄带通分光片、窄带滤光片和探测器耦合光纤，其中：
所述接收望远镜，同时用于成像和测距，将所述目标回波信号聚焦以及所述目标物成像；
所述窄带通分光片，用于将所述目标回波信号与所述目标物反射的自然光分开，分别发射到所述探测器耦合光纤和所述CMOS成像探测器上；
所述探测器耦合光纤，用于将所述目标回波信号导入所述单光子探测器，转化为所述电信号。
具体地，所述探测器耦合光纤有效提高探测器的视场，使之与所述发射系统的视场相匹配。
进一步作为优选实施例，所述控制处理子系统包括零点探测电路、计时电路、门控电路和信息融合处理模块，其中：
所述零点探测电路，用于激光器输出脉冲时间零点的获取，为门控电路提供时延的初值；
所述计时电路，用于为整个载荷提供统一的时间计数，确保时间统一；
所述门控电路，用于激光接收回波光子的开门控制，降低其他时间的噪声输入；
所述信息融合处理模块，用于激光点云与光学图像的融合处理，实现目标三维像的输出。
进一步作为优选实施例，所述接口子系统包括机械接口与电气接口，其中：
所述机械接口，用于与卫星直接连接，在底部和侧面设计安装面，通过螺栓与卫星固定；
所述电气接口，用于载荷与卫星之间供电、控制和数据传输等接口约定和设计。
进一步作为优选实施例，所述激光器重频为10kHz，单脉冲能量大于5uJ，脉宽不大于300ps。
一种单光子探测成像一体化载荷系统，主要包括的器件有激光器1、分光片、扩束系统2、光学调节架3、二维扫描振镜4、接收望远镜5、窄带通分光片、CMOS成像探测器6、窄带滤光片、探测器耦合光纤、单光子探测器、振镜控制器7、激光器驱动器、快速光电探头8、零点探测电路、TDC计时电路、门控电路、数据融合处理和系统控制模块、缓冲器。
原理如下：激光器电源与激光器1连接，供电并驱动激光器按约定发射激光光束，激光器1发射的激光经微调后入射到分光片上，将激光分成第一和第二光束。第一光束入射到扩束系统压缩发散角，然后入射到光学调节架3，用于调节激光束的指向达到与接收光轴平行的目的。经过调平后的第一光束入射到二维扫描振镜4，通过振镜控制器7调节第一光束的指向目标物。第二光束经反射入射到快速光电探头8，转换为电信号，经过比较器将模拟信号转换为数字信号，同时将信号一分为二传输到零点探测电路和门控电路，获取激光器脉冲输出时间零点，为门控电路提供时延初值以及为计时电路提供时间零点，接收望远镜5用于接收目标回波光信号，回波信号通过窄带通分光片、窄带滤光片、探测器耦合光纤，到达单光子探测器。窄带分光片用于回波信号的透射和可见光的反射，窄带滤光片用于滤除剩余的自然光，探测器耦合光纤的自带透镜将目标回波光信号耦合到传输光纤内传输到单光子探测器的感光面上转换为电信号。窄带通分光片反射来自目标物自然光进入CMOS成像探测器6，转换为目标物的图像信息。计时电路与缓冲器相连，用于为整个载荷提供统一的时间计数，确保时间统一，门控电路与缓冲器相连，激光接收回波光子的开门控制，降低其他时间的噪声输入；信息融合处理模块，接收来自CMOS成像探测器6图像信息和单光子探测器的测距信息，将激光点云与光学图像的融合处理，实现目标三维像的输出。
具体地，采用二极管端面泵浦的被动调Q Cr:YAG-Nd:YAG激光器，波长为532nm。激光器主要由泵浦源、微片晶体和倍频晶体三部分组成，参见图2，整体密闭封装构成激光器主体(激光头，参见图3)，控制电路外置。采用端面泵浦方式可保证激光器较高的光-光转换效率，减小体积和功耗；Nd:YAG和Cr:YAG采用热键合晶体，表面镀激光腔膜，保证激光器的可靠性；晶体参数经专业独立设计，以保证重频(10KHz)和脉宽(<300ps)。
本发明实施例中，532nm激光的发散角<0.1mrad,接收视场角通过。
本发明实施例中，532nm激光束经过伽利略望远镜扩束之后作为激光发射单元，光学子系统的发射部分是将测距脉冲激光进行扩束准直，其中一种设计参见图4，其扩束系统前段选择焦距f＝-5mm双凹面球透镜，准直透镜选择焦距为f＝500mm，光路长约为500mm；激光光束口径及激光发散角设计为，扩束激光光束口径为12mm，发散角小于0.1mrad，设计结果为0.001mrad，但由于埃里斑为0.054mrad，实际的光束发散角要大于0.054mrad；为了控制系统整体长度，选用两块反射镜进行折返，参见图5；
本发明实施例中，通过接收望远镜收集目标物回波信号和实现目标物成像，参见图6，其成像和测距接收镜头为一体，通过532nm窄带滤光片进行分光，其反射光用于成像，透射光用于激光回波探测以保证成像质量；其镜头机械长度约为182mm，镜头到焦面总长约为245mm，成像CMOS相机，整个传感器长度控制在345mm内，宽度为镜筒宽度90mm；光学系统结构图参见图7。
本发明实施例中，单光子探测器用于激光回波探测，用532nm的GM-APD，考虑选型国内外高量子效率的面阵探测器或光敏面大于1mm以上的单面元探测器。
本发明实施例中，光学成像探测器，采用可见光CMOS成像探测器，像机像元数不小于2048×2048，像元尺寸5.5×5.5μm，目前定制尺寸为25mm×35mm×35mm。
本发明实施例中，信息处理系统，主要完成载荷系统的时统、工作模式切换控制、激光探测器和光学相机获取信息的融合处理，实现目标三维像的输出。
本发明实施例中，机械接口与卫星直接连接通过在底部和侧面进行，通过螺栓与卫星固定；底部机械接口设计在150mm×90mm的安装面上，采用螺栓连接，设计4个连接点，确保可靠，侧面根据卫星上的空间进行灵活设计。
本发明实施例中，CMOS光被动成像组件，选择400-700nm可见光用于高清图像获取，以实现近场三维成像功能；选择将主被动光学一体化设计以降低体积功耗，成像和激光探测采用同轴光学系统，共用一个高清成像镜头加一个陷波滤光片分光；为了保证成像质量，利用532nm滤光片进行分光，反射光用于CMOS成像探测，透射的532nm波长光进行能量探测；所述激光发射系统采用负透镜加正透镜的准直结构，对测距脉冲激光进行扩束准直。
参照图8，一种单光子探测成像一体化载荷系统的控制方法，包括以下步骤：
激光器发射激光经微调后入射到分光片；
分光片将激光分成第一光束和第二光束；
第一光束入射到扩束系统的激光扩束准直器压缩发散角后入射到光学调节架将激光束的指向调节至与接收光轴平行；
经过调平后的第一光束入射到二维扫描振镜并通过振镜控制器调节第一光束的指向目标物，生成目标回波光信号；
第二光束经反射入射到快速光电探头转换为电信号并经过比较器将点信号转换为数字信号；
将数字信号一分为二传输到零点探测电路和门控电路，获取激光器脉冲输出时间零点，为门控电路提供时延初值以及为计时电路提供时间零点；
接收望远镜接收目标回波光信号并将目标回波光信号经过窄带通分光片进行目标回波光信号的投射和可见光的反射，经过窄带滤光片滤除剩余的自然光，经过探测器耦合光纤将目标回波光信号耦合到传输光纤内传输到单光子探测器的感光面上转换为电信号；
窄带通分光片反射来自目标物自然光进入CMOS成像探测器，转换为目标物的图像信息；
信息融合处理模块接收来自CMOS成像探测器的图像信息和单光子探测器的测距信息，将激光点云与光学图像的融合处理，实现目标三维像的输出。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种单光子探测成像一体化载荷系统，其特征在于，包括激光发射子系统、接收光学子系统、探测器子系统、控制处理子系统和接口子系统，所述探测器子系统包括单光子探测器和CMOS成像探测器，其中：
所述激光发射子系统用于将调整后的脉冲激光指向目标物，以便反射脉冲激光作为目标回波信号；
所述接收光学子系统，用于接收、聚焦和传输所述目标回波信号；
所述单光子探测器，用于接收汇集后的目标回波信号，得到电信号；
所述CMOS成像探测器，用于目标物的自然光成像，得到图像数据；
所述控制处理子系统，用于采集所述电信号，并将所述电信号转换成测距离信息，借助所述发射子系统的扫描器，完成对所述目标物的扫描，配合所述图像数据，获得目标三维图像；
所述接口子系统，用于传递目标三维图像信息至特定平台。
2.根据权利要求1所述一种单光子探测成像一体化载荷系统，其特征在于，所述激光发射子系统包括激光器、分光片、激光扩束准直器和二维扫描器，其中：
所述激光器用于发射约定参数的脉冲激光；
所述分光片，用于将所述脉冲激光分成较弱的第一束光和剩余的第二束光，所述第一束光入射到零点探测器上；
所述激光扩束准直器，用于将所述第二束光的发散角压缩获得约定参数的准直光，发射到所述二维扫描器上；
所述二维扫描器，用于将所述准直光导向目标物，并对所述目标物扫描。
3.根据权利要求2所述一种单光子探测成像一体化载荷系统，其特征在于，所述接收光学子系统包括接收望远镜和窄带通分光片、窄带滤光片和探测器耦合光纤，其中：
所述接收望远镜，同时用于成像和测距，将所述目标回波信号聚焦以及所述目标物成像；
所述窄带通分光片，用于将所述目标回波信号与所述目标物反射的自然光分开，分别发射到所述探测器耦合光纤和所述CMOS成像探测器上；
所述探测器耦合光纤，用于将所述目标回波信号导入所述单光子探测器，转化为所述电信号。
4.根据权利要求3所述一种单光子探测成像一体化载荷系统，其特征在于，所述控制处理子系统包括零点探测电路、计时电路、门控电路和信息融合处理模块，其中：
所述零点探测电路，用于激光器输出脉冲时间零点的获取，为门控电路提供时延的初值；
所述计时电路，用于为整个载荷提供统一的时间计数，确保时间统一；
所述门控电路，用于激光接收回波光子的开门控制，降低其他时间的噪声输入；
所述信息融合处理模块，用于激光点云与光学图像的融合处理，实现目标三维像的输出。
5.根据权利要求4所述一种单光子探测成像一体化载荷系统，其特征在于，所述接口子系统包括机械接口与电气接口，其中：
所述机械接口，用于与卫星直接连接，在底部和侧面设计安装面，通过螺栓与卫星固定；
所述电气接口，用于载荷与卫星之间供电、控制和数据传输等接口约定和设计。
6.根据权利要求5所述一种单光子探测成像一体化载荷系统，其特征在于，所述激光器重频为10kHz，单脉冲能量大于5uJ，脉宽不大于300ps。
7.一种单光子探测成像一体化载荷系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
激光器发射激光经微调后入射到分光片；
分光片将激光分成第一光束和第二光束；
第一光束入射到扩束系统的激光扩束准直器压缩发散角后入射到光学调节架将激光束的指向调节至与接收光轴平行；
经过调平后的第一光束入射到二维扫描振镜并通过振镜控制器调节第一光束的指向目标物，生成目标回波光信号；
第二光束经反射入射到快速光电探头转换为电信号并经过比较器将点信号转换为数字信号；
将数字信号一分为二传输到零点探测电路和门控电路，获取激光器脉冲输出时间零点，为门控电路提供时延初值以及为计时电路提供时间零点；
接收望远镜接收目标回波光信号并将目标回波光信号经过窄带通分光片进行目标回波光信号的投射和可见光的反射，经过窄带滤光片滤除剩余的自然光，经过探测器耦合光纤将目标回波光信号耦合到传输光纤内传输到单光子探测器的感光面上转换为电信号；
窄带通分光片反射来自目标物自然光进入CMOS成像探测器，转换为目标物的图像信息；
信息融合处理模块接收来自CMOS成像探测器的图像信息和单光子探测器的测距信息，将激光点云与光学图像的融合处理，实现目标三维像的输出。
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