CN114355318B - 一种单光子三维探测设备及其目标探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单光子三维探测设备，包括设置在探测光轴上的激光发射模块、光子探测模块和控制和信号处理模块，以及沿探测光轴进行一维或者二维扫描的扫描系统，光子探测模块包括接收光学系统和单光子探测器；还公开了其用于探测单目标和探测大区域多目标的方法；本发明采用的分割探测距离区间的方法来最大限度地抑制噪声干扰，降低设备探测虚警率，提升设备的环境光抗干扰能力，进而可以在同等探测距离下实现更快的探测速率，提升单位时间内的探测范围。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种单光子三维探测设备，以及基于该设备的目标探测方法。
背景技术
单光子探测技术可以提供单光子灵敏度级别的探测能力，因而在许多领域具有非常重要的应用价值，例如卫星遥感、无人驾驶等。然而，无人驾驶等领域的对探测的范围、精度、实时性要求非常高，因此对单光子三维探测设备也提出了非常高的要求。
例如，对于无人驾驶，一般需要探测设备具有在水平和俯仰方向非常大的扫描探测角度，探测距离通常需要达到几百米；此外，还需要探测设备具有非常高的精度和速度，从而在高速行进过程中能够快速精确地提取周围的目标信息，这就需要探测设备的输出数据具有较高的刷新率；进一步，探测设备还至少需要全天时的工作能力，即白天晚上都能正常工作，不收环境光的干扰。
基于以上的分析，开发一种探测范围大、数据刷新率高、受噪声干扰低的单光子探测设备及探测方法是非常有意义的。
发明内容
本发明目的之一是针对现有技术中存在的问题，提出一种探测范围大、数据刷新率高、受噪声干扰低的单光子探测设备，解决现在单光子探测技术受白天背景噪声干扰信噪比低、探测速度慢的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种单光子三维探测设备，包括设置在探测光轴上的激光发射模块、光子探测模块和控制和信号处理模块，以及沿探测光轴进行一维或者二维扫描的扫描系统；激光发射模块用于发射1064～1550nm波长的周期性激光脉冲信号；光子探测模块包括接收光学系统和工作于盖革模式的单光子探测器，用于探测目标反射回来的光子信号；接收到光子信号时单光子探测器输出一个脉冲电信号，否则不输出脉冲电信号；控制和信号处理模块根据回波光子信号相对于发射激光脉冲的时间差来计算目标距离单光子三维探测设备的距离；控制和信号处理模块根据具体的应用场景需求，沿着探测光轴方向建立一系列探测距离子区间，对于每一个探测距离子区间，控制和信号处理模块可以在探测距离子区间的起始位置开启单光子探测器，定义为时间点t 2，在探测距离子区间的结束位置关闭单光子探测器，定义为时间点t 4，即在时间点t 2开启单光子探测器，在时间点t 4关闭单光子探测器，定义发射第一个激光脉冲的时间点为t 1，探测到第一个光子信号的时间点为t 3，时间点的从先到后排序为t 1，t 2，t 3，t 4；控制和信号处理模块根据具体的应用场景需求，沿着垂直探测光轴方向建立一系列探测扇形区域，控制和信号处理模块控制单光子探测器在探测区间Z ij 内工作：即在时间点Z ij- t 2时开启单光子探测器，在时间点Z ij- t 4时关闭单光子探测器，其中i表示第i个探测距离区间，j表示第j个探测扇形区域。
本发明目的之二是提供一种单光子三维探测设备探测单目标的方法，包括如下步骤：
1），控制和信号处理模块控制设备探测光轴对准目标区域；
2），激光发射模块在时间点t 1发射第一个激光脉冲；
3），光子探测模块在时间点t 2开启单光子探测器，时间点t 2的大小可以根据目标距离单光子三维探测设备的距离来评估设定，原则上必须小于激光脉冲信号经由目标反射回来的时间点t 3；
4），光子探测模块在时间点t 3探测到第一个光子信号；
5），光子探测模块在时间点t 4关闭单光子探测器，时间点t 4的大小可以根据目标距离单光子三维探测设备的距离来评估设定，原则上必须大于激光脉冲信号经由目标反射回来的时间点t 3；
6），控制和信号处理模块根据时间点t3和时间点t1之间的时间差来计算目标和单光子三维探测设备之间的距离。
本发明目的之三是提供一种单光子三维探测设备探测大区域多目标的方法，包括如下步骤：
1），控制和信号处理模块根据需要探测的目标区域建立一系列的扇形探测区域1,2,3,…，j，…，M-1，M，并且在每个扇形探测区域内建立一系列的探测距离区间1,2,3,…，i，…，N-1，N，用Z ij 表示第j个探测扇形区域中的第i个探测距离区间；
2），控制和信号处理模块控制设备探测光轴对准第j个探测扇形区域；
3），激光发射模块在时间点Z j -t 1发射第k个激光脉冲，k初始值为1，最大取值设定为K；
4），光子探测模块在时间点Z i,j -t 2开启单光子探测器，时间点Z i,j -t 2的大小可以根据第i个探测距离区间的最近距离来设定；
5），光子探测模块在时间区间[Z i,j -t 2 Z i,j -t 3]内探测第一个光子信号的响应时间，并记录为Z i,j -t 3；
6），光子探测模块在时间点Z i,j -t 4关闭单光子探测器，时间点Z i,j -t 4的大小可以根据第1个探测距离区间的最远距离来设定；
7），重复4）～6）遍历i从1到N，其中Z i,j -t 2大于或等于Z i,j -t 2；
8），判断k的值是否达到上限值K，如果达到则j=j+1，回到第2）步；否则k=k+1，重复3）～7）；
9），遍历j从1到M，探测所有的区域Z i,j ，即可完成目标区域内所有目标的探测；
10），控制和信号处理模块根据测量结果统计各个探测子区域Z i,j 中固定时间点Z i,j -t 3的光子累计响应次数n i,j ，其中光子累计响应次数大于或等于阈值T的时候，则认为该时间点Z i,j -t 3对应的距离有目标；否则则认为探测子区域Z i,j 中没有目标，控制和信号处理模块根据统计结果输出探测区域的目标分布态势图；
11），控制和信号处理模块根据时间点Z i,j -t 3和时间点Z j -t 1之间的时间差来计算Z i,j 中的目标和单光子三维探测设备之间的距离。
本发明的有益效果是：本发明采用的分割探测距离区间的方法来最大限度地抑制噪声干扰，降低设备探测虚警率，提升设备的环境光抗干扰能力，进而可以在同等探测距离下实现更快的探测速率，提升单位时间内的探测范围。
附图说明
图1是本发明探测设备的总体组成框图；
图2 是基于单光子三维探测设备的大区域多目标探测方法；
图3 是本发明的探测时序示意图。
各附图标记为：100—激光发射模块，200—光子探测模块，300—控制和信号处理模块，400—探测光轴。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明提出的一种单光子三维探测设备，主要包括：激光发射模块100、光子探测模块200和控制和信号处理模块300。激光发射模块300可以发射周期性的激光脉冲信号，本领域专业技术人员可以可以根据具体的需求在1064nm到1550nm之间选择合适的激光波长。
光子探测模块200包括接收光学系统201和单光子探测器202，用于探测目标反射回来的光子信号，其中单光子探测器202工作于盖革模式，意味着接收到光子信号时探测器输出一个脉冲电信号，否则不输出脉冲电信号。
控制和信号处理模块300根据回波光子信号相对于发射激光脉冲的时间差来计算目标距离单光子三维探测系统的距离。
控制和信号处理模块300可以根据具体的应用场景需求，沿着探测光轴400方向建立一系列探测距离子区间。对于每一个探测距离子区间，系统控制和信号处理模块300可以在探测距离子区间的起始位置开启单光子探测器，在探测距离子区间的结束位置关闭单光子探测器，即在时间点t 2开启单光子探测器，在时间点t 4关闭单光子探测器，时间点从先到后排序为t 1，t 2，t 3，t 4。
控制和信号处理模块300可以根据具体的应用场景需求，沿着垂直探测光轴400方向建立一系列探测扇形区域。
控制和信号处理模块300可以控制单光子探测器在探测区间Z ij 内工作，即在时间点Z ij- t 2时开启单光子探测器，在时间点Z ij- t 4时关闭单光子探测器202，其中i表示第i个探测距离区间，j表示第j个探测扇形区域。
单光子三维探测设备包含有扫描系统可以实现探测光轴400进行一维或者二维的扫描。
基于上述单光子三维探测设备的探测单目标的方法如下所述：
（1）控制和信号处理模块300控制设备探测光轴400对准目标区域。
（2）激光发射模块100在时间点t 1发射第一个激光脉冲
（3）光子探测模块200在时间点t 2开启单光子探测器，时间点t 2的大小可以根据目标距离单光子三维探测设备的距离来评估设定，原则上必须小于激光脉冲信号经由目标反射回来的时间点t 3。
（4）光子探测模块200在时间点t 3探测到第一个光子信号
（5）光子探测模块200在时间点t 4关闭单光子探测器，时间点t 4的大小可以根据目标距离单光子三维探测设备的距离来评估设定，原则上必须大于激光脉冲信号经由目标反射回来的时间点t 3。
（6）控制和信号处理模块根据时间点t3和时间点t1之间的时间差来计算目标和单光子三维探测设备之间的距离。
如图2和图3所示，基于上述单光子三维探测设备的大区域多目标探测方法如下所述：
（1）在步骤501中，控制和信号处理模块300根据需要探测的目标区域建立一系列的扇形探测区域1,2,3,…，j，…，M-1，M。并且在每个扇形探测区域内建立一系列的探测距离区间1,2,3,…，i，…，N-1，N。用Z ij 表示第j个探测扇形区域中的第i个探测距离区间。
（2）在步骤502中，控制和信号处理模块300控制系统探测光轴400对准第j个探测扇形区域。
（3）在步骤503中，激光发射模块100在时间点Z j -t 1发射第k个激光脉冲，k初始值为1，最大取值设定为K。
（4）在步骤504中，光子探测模块200在时间点Z i,j -t 2开启单光子探测器，时间点Z i,j -t 2的大小可以根据第i个探测距离区间的最近距离来设定。
（5）在步骤505中，光子探测模块200在时间区间[Z i,j -t 2 Z i,j -t 3]内探测第一个光子信号的响应时间，并记录为Z i,j -t 3。
（6）在步骤506中，光子探测模块200在时间点Z i,j -t 4关闭单光子探测器，时间点Z i,j -t 4的大小可以根据第1个探测距离区间的最远距离来设定。
（7）重复（4）到（6）遍历i从1到N，其中Z i,j -t 2大于或等于Z i,j -t 2 。
（8）判断k的值是否达到上限值K，如果达到则j=j+1，回到第（2）步。否则，k=k+1，重复（3）到（7）。
（9）遍历j从1到M，探测所有的区域Z i,j ，即可完成目标区域内所有目标的探测。
（10）在步骤507中，控制和信号处理模块300根据测量结果统计各个探测子区域Z i,j 中固定时间点Z i,j -t 3的光子累计响应次数n i,j ，其中光子累计响应次数大于或等于阈值T的时候，则认为该时间点Z i,j -t 3对应的距离有目标，否则则认为探测子区域Z i,j 中没有目标。控制和信号处理模块300根据统计结果输出探测区域的目标分布态势图。本领域的技术人员可以根据具体应用场景来调整阈值T的设置，使得设备的虚警率低于1%或者目标探测率大于99%。
（11）在步骤508中，控制和信号处理模块300根据时间点Z i,j -t 3和时间点Z j -t 1之间的时间差来计算Z i,j 中的目标和单光子三维探测设备之间的距离。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种单光子三维探测设备，其特征在于：包括设置在探测光轴（400）上的激光发射模块（100）、光子探测模块（200）和控制和信号处理模块（300），以及沿探测光轴（400）进行一维或者二维扫描的扫描系统；
激光发射模块（100）用于发射1064～1550nm波长的周期性激光脉冲信号；
光子探测模块（200）包括接收光学系统和单光子探测器，用于探测目标反射回来的光子信号；接收到光子信号时单光子探测器输出一个脉冲电信号；
控制和信号处理模块（300）根据回波光子信号相对于发射激光脉冲的时间差来计算目标距离；
控制和信号处理模块（300）沿着探测光轴（400）方向建立探测距离子区间，在探测距离子区间的起始位置开启单光子探测器，定义为时间点t 2，在探测距离子区间的结束位置关闭单光子探测器，定义为时间点t 4，定义发射第一个激光脉冲的时间点为t 1，探测到第一个光子信号的时间点为t 3，时间点的先后排序为t 1，t 2，t 3，t 4；
控制和信号处理模块（300）沿着垂直探测光轴（400）方向建立探测扇形区域，控制单光子探测器在探测区间Z ij 内工作：在时间点Z ij- t 2时开启单光子探测器，在时间点Z ij- t 4时关闭单光子探测器，其中i表示第i个探测距离区间，j表示第j个探测扇形区域。
2.一种如权利要求1所述单光子三维探测设备探测单目标的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1），控制和信号处理模块（300）控制探测光轴（400）对准目标区域；
2），激光发射模块（100）在时间点t 1发射第一个激光脉冲；
3），光子探测模块（200）在时间点t 2开启单光子探测器，时间点t 2根据目标距离设定，小于时间点t 3；
4），光子探测模块（200）在时间点t 3探测到第一个光子信号；
5），光子探测模块（200）在时间点t 4关闭单光子探测器，时间点t 4根据目标距离设定，大于时间点t 3；
6），控制和信号处理模块（300）根据时间点t3和时间点t1之间的时间差来计算目标距离。
3.一种如权利要求1所述单光子三维探测设备探测大区域多目标的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1），控制和信号处理模块（300）建立扇形探测区域1,2,3,…，j，…，M-1，M，在每个扇形探测区域内建立探测距离区间1,2,3,…，i，…，N-1，N，用Z ij 表示第j个探测扇形区域中的第i个探测距离区间；
2），控制和信号处理模块（300）控制探测光轴（400）对准第j个探测扇形区域；
3），激光发射模块（100）在时间点Z j -t 1发射第k个激光脉冲，k初始值为1，最大取值设定为K；
4），光子探测模块（200）在时间点Z i,j -t 2开启单光子探测器，时间点Z i,j -t 2的大小根据第i个探测距离区间的最近距离来设定；
5），光子探测模块（200）在时间区间[Z i,j -t 2 Z i,j -t 3]内探测第一个光子信号的响应时间，并记录为Z i,j -t 3；
6），光子探测模块（200）在时间点Z i,j -t 4关闭单光子探测器，时间点Z i,j -t 4的大小可以根据第1个探测距离区间的最远距离来设定；
7），重复4）～6）遍历i从1到N，其中Z i,j -t 2大于或等于Z i,j -t 2；
8），判断k的值是否达到上限值K，如果达到则j=j+1，回到第2）步；否则k=k+1，重复3）～7）；
9），遍历j从1到M，探测所有的区域Z i,j ，完成目标区域内所有目标的探测；
10），控制和信号处理模块（300）根据测量结果统计各个探测子区域Z i,j 中固定时间点Z i,j -t 3的光子累计响应次数n i,j ，光子累计响应次数大于或等于阈值T的时候，则认为该时间点Z i,j -t 3对应的距离有目标；否则则认为探测子区域Z i,j 中没有目标，控制和信号处理模块（300）根据统计结果输出探测区域的目标分布态势图；
11），控制和信号处理模块（300）根据时间点Z i,j -t 3和时间点Z j -t 1之间的时间差来计算Z i,j 中的目标距离。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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