CN114859378A - 一种多元并扫光子计数激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多元并扫光子计数激光雷达，包括脉冲激光器、光学发射系统、DOE元件、光学接收系统、M×N光纤耦合器、窄带光纤滤波器、PIN探测器、单光子探测器、TDC精密时间测量模块和数字信号处理器。该激光雷达的发射端能够在远场排列形成M×N光斑的阵列光束，接收端与发射光路匹配，采用M×N阵列单光子探测模式，对回波信号进行探测，然后由信号处理部分进行高精度脉冲飞行时间测距。采用阵列式推帚扫描与单光子探测技术相结合的方式，既能同时获得场景中多个目标点的信息，又能增大成像范围，提高系统的最大作用距离。该系统特别适用于对远距离目标的探测，可以有效降低信息采集时间，实现目标的快速成像探测。

Description

一种多元并扫光子计数激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达快速成像技术领域，特别涉及一种多元并扫光子计数激光雷达。
背景技术
激光雷达是集激光技术、计算机技术、信号处理技术等结合的产物，在对所探测的目标进行信息提取时，具有高精度、高分辨率等优点，在水下探测、环境监测以及自动驾驶等精密测量领域应用广泛。当待测目标距离探测系统较远时，激光回波在传输中由于大气衰减和散射等因素的影响，到达接收端的信号极其微弱，不易于激发探测器的响应，对远距离目标微弱回波信号的探测和信息提取是当前研究的重点内容。现有的大部分星载和机载激光雷达载荷中，多采用单波束扫描的方式，通常需要较长的扫描时间才可以获取目标的三维信息。此外，针对远距离探测回波信号功率较弱的问题，传统线性探测体制可以采取增大激光发射功率和接收口径的方式，但是为了满足轻量化需求，减少损耗，两者往往不是可以无限增大的，因此提高探测灵敏度和成像速度的同时，提升系统的整体性能是至关重要的。
发明内容
本发明的目的是为了提高激光雷达对远距离目标成像探测的速度，提供了一种多元并扫光子计数激光雷达。本发明所述激光雷达系统采用DOE元件激光多元分束、多模光纤阵列耦合接收、窄带光纤滤波器滤波和单光子探测器并行探测等方式，能够有效降低信息采集时间，提高系统整体探测性能。
本发明的技术方案如下：一种多元并扫光子计数激光雷达，包括脉冲激光器、光学发射系统、DOE元件、光学接收系统、M×N光纤耦合器、窄带光纤滤波器、PIN探测器、单光子探测器、TDC精密时间测量模块、数据处理模块。所述脉冲激光器发出的激光脉冲通过所述光学发射系统扩束后，输入到所述DOE元件进行激光分束，其中少部分光发射激光进入到所述PIN探测器，完成光电转换过程，传输至所述TDC精密时间测量模块，作为发射激光脉冲的同步信号；大部分光经过所述DOE元件分束在远场形成M×N光斑主动照射到待观测目标表面，目标反射光经过所述接收光学系统，通过所述M×N光纤耦合器和窄带光纤滤波器，滤除大部分杂光后到达所述单光子探测器敏感元阵列上，对回波信号产生响应，所述TDC精密时间测量模块测量激光脉冲往返时间差值，最后由所述数据处理模块进行数据采集处理，获取目标的待测信息，从而完成对目标的快速成像探测。
进一步地，所述的DOE元件能够完成对发射激光脉冲的多元分束，可以避免使用多台激光器的成本，降低系统体积和重量，且发射脉冲子光束具有较高均匀性。
进一步地，所述M×N光纤耦合器采用去掉塑料保护层M×N多模光纤阵列耦合接收回波光信号，这些光纤通过两组一维V形槽方式固定在波导中，具有较高的精度。
进一步地，各个子回波光束通过多模光纤阵列传输至单光子探测器的不同光敏单元上，可以有效降低信号间的串扰。
进一步地，可以根据需求选择不同类型的单光子探测器，包括单点型和阵列型。
进一步地，使用窄带光纤滤波器进行滤波，可以有效降低杂光干扰。
进一步地，采用推帚扫描机制，能够覆盖较大的幅宽。
进一步地，将单光子探测和多波束探测相结合，多元并行收发，可以有效提高系统探测灵敏度，增大作用距离，加快成像速度。
进一步地，发射系统通过DOE元件对激光脉冲进行M×N元分束发射，远场光斑较均匀。
进一步地，采用M×N多模光纤阵列耦合接收，可将光纤出射的各子回波光束高效率地耦合到单光子探测器的光敏面，降低串扰。
进一步地，工作方式为：所述的脉冲激光器发射激光脉冲，经由光学发射系统和DOE元件扩束整形、分束处理，子脉冲光束到达目标表面后，反射的回波光被光学接收系统接收，通过M×N光纤耦合器和光纤窄带滤波器后汇聚到单光子探测器光敏面上，回波信号经过光电转换，再经阈值判别、脉冲整形、处理，TDC精密时间测量模块测量激光往返时间间隔，经测距数字处理解算即可得到对应于目标某一点的距离信息，记录M×N单元的距离信息，对各点距离信息作时空映射变换，即可得到反映目标空间信息的三维图像。
本发明的原理如下：
一种多元并扫激光雷达系统，采用一台激光器作为光源，发射激光脉冲经过扩束后，由DOE元件实现对激光发射脉冲的分束，在待测目标区域形成M×N激光光斑点阵，反射子回波光束被望远系统接收后，到达多模光纤阵列的接收端面，通过窄带光纤滤波器滤除杂散光后传送到单光子探测器件的光敏面上，探测器接收到光信号产生响应，完成光电转换，最后经由信号采集和处理模块，完成目标信息的提取。
本发明的优点：
1.使用DOE元件实现激光的M×N元分束，降低了系统的体积重量和成本。
2.多模光纤通过两组一维V形槽方式固定在波导中，有助于信号的高精度探测。
3.相较于回波子光束直接在空间中传输，通过多模光纤阵列进行一一对应的耦合接收，传输至探测器的光敏单元上，可以避免不同通道之间的信号串扰，提高回波光收集效率。
4.多元并扫光子计数激雷达通过窄带光纤滤波器能够有效滤除大部分杂光，提高回波信号的信噪比。
5.激光发射子光束在远场形成激光点阵，结合推帚扫描机制，能够在达到高分辨成像的同时，实现低扫描时间、大视场快速成像。
6.该发明具有原理清晰，操作方便，有效降低激光雷达回波信号采集时间，提高探测速度，增大成像视场的特点。
附图说明
图1为一种多元并扫光子计数激光雷达原理图，其中，1为脉冲激光器，2为光学发射系统，3为DOE元件，4为PIN探测器，5为光学接收系统，6为M×N光纤耦合器，7为窄带光纤滤波器，8为单光子探测器，9为TDC精密时间测量模块，10为数据处理模块。
图2为一种多元并扫光子计数激光雷达实施例示意图。
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、完整的描述，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的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本申请的保护范围。
如图1所示，本发明是一种多元并扫光子计数激光雷达，包括脉冲激光器1、光学发射系统2、DOE(衍射光学元件，Diffractive Optical Elements)元件3、PIN(本征光电二极管，Positive-Intrinsic-Negative Photodiode)探测器4、光学接收系统5、M×N光纤耦合器6、窄带光纤滤波器7、单光子探测器8、TDC(时间数字转换器，Time-to-DigitalConverter)精密时间测量模块9、数据处理模块10。激光器1发射激光脉冲，通过光学发射系统2和DOE元件3，其中少部分光传输至PIN探测器4作为同步信号，大部分光经过扩束、分束后到达目标，由目标反射后到达光学接收系统5，接收的回波光经过M×N光纤耦合器6和窄带光纤滤波器7进行滤波处理后到达单光子探测器8的光敏元，实现光信号转换为电信号，之后由TDC精密时间测量模块9测量往返脉冲之间的时间间隔，最后由数据处理模块10进行数据采集处理，解算获取目标的距离信息，并行记录各单元的距离信息，对各点距离信息作时空映射变换，提取目标的三维图像。
工作方式为：所述的脉冲激光器发射激光脉冲，经由发射光学系统和DOE元件扩束整形、分束处理，子脉冲光束到达目标表面后，反射的回波光被接收光学系统接收，通过M×N光纤耦合器和光纤窄带滤波器后汇聚到单光子探测器光敏面上，回波信号经过光电转换，再经阈值判别、脉冲整形、处理，TDC精密时间测量模块测量激光往返时间间隔，经测距数字处理解算即可得到对应于目标某一点的距离信息，记录M×N单元的距离信息，对各点距离信息作时空映射变换，即可得到反映目标空间信息的三维图像。
实施例：如图2所示，本实施例的多元并扫光子计数激光雷达包括脉冲激光器1、光学发射系统2、DOE(衍射光学元件，Diffractive Optical Elements)元件3、PIN(本征光电二极管，Positive-Intrinsic-Negative Photodiode)探测器4、光学接收系统5、5×5光纤耦合器6、窄带光纤滤波器7、25个单点盖革雪崩光电二极管8、TDC(时间数字转换器，Time-to-Digital Converter)精密时间测量模块9、数据处理模块10。激光器1发射激光脉冲，通过光学发射系统2和DOE元件3后，少部分光传输至PIN探测器4作为同步信号，大部分光在目标区域形成5×5光斑的阵列光束，由目标反射后到达光学接收系统5，接收的回波光经过5×5光纤耦合器6和窄带光纤滤波器7进行滤波处理后到达25个单点盖革雪崩光电二极管8的光敏面，完成光电转换，由TDC精密时间测量模块9测量25个通道往返脉冲之间的时间间隔，最后通过数据处理模块10解算并记录25单元的距离值，从而获取目标三维信息。
根据上述具体实施方案可知，本发明是一种多元并扫光子计数激光雷达，有助于解决传统探测方式单位能量探测能力较弱，信息采集时间较长，功耗较大等问题，所述系统可以增大探测幅宽，扩大成像视场，是在发射激光能量与探测速度上的折中，提供一种高精度、高灵敏度的目标快速成像方案。
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)

1.一种多元并扫光子计数激光雷达，其特征在于：包括脉冲激光器(1)、光学发射系统(2)、DOE元件(3)、PIN探测器(4)、光学接收系统(5)、M×N光纤耦合器(6)、窄带光纤滤波器(7)、单光子探测器(8)、TDC精密时间测量模块(9)和数据处理模块(10)，所述脉冲激光器(1)发出的激光脉冲通过所述光学发射系统(2)扩束后，输入到所述DOE元件(3)进行激光分束，其中少部分光发射激光进入到所述PIN探测器(4)，完成光电转换过程，传输至所述TDC精密时间测量模块(9)，作为发射激光脉冲的同步信号；大部分光经过所述DOE元件(3)分束在远场形成M×N光斑主动照射到待观测目标表面，目标反射光经过所述接收光学系统(5)，通过所述M×N光纤耦合器(6)和窄带光纤滤波器(7)，滤除大部分杂光后到达所述单光子探测器(8)敏感元阵列上，对回波信号产生响应，所述TDC精密时间测量模块(9)测量激光脉冲往返时间差值，最后由所述数据处理模块(10)进行数据采集处理，获取目标的待测信息，从而完成对目标的快速成像探测。
2.根据权利要求1所述的一种多元并扫光子计数激光雷达，其特征在于，所述的DOE元件(3)能够完成对发射激光脉冲的多元分束，可以避免使用多台激光器的成本，降低系统体积和重量，且发射脉冲子光束具有较高均匀性。
3.根据权利要求1所述的一种多元并扫光子计数激光雷达，其特征在于，所述M×N光纤耦合器(6)采用去掉塑料保护层M×N多模光纤阵列耦合接收回波光信号，这些光纤通过两组一维V形槽方式固定在波导中，具有较高的精度。
4.根据权利要求3所述的一种多元并扫光子计数激光雷达，其特征在于，各个子回波光束通过多模光纤阵列传输至单光子探测器(8)的不同光敏单元上，可以有效降低信号间的串扰。
5.根据权利要求1所述的一种多元并扫光子计数激光雷达，其特征在于，可以根据需求选择不同类型的单光子探测器(8)，包括单点型和阵列型。
6.根据权利要求1所述的一种多元并扫光子计数激光雷达，其特征在于，使用窄带光纤滤波器(7)进行滤波，可以有效降低杂光干扰。
7.根据权利要求1所述的一种多元并扫光子计数激光雷达，其特征在于，采用推帚扫描机制，能够覆盖较大的幅宽。
8.根据权利要求1所述的一种多元并扫光子计数激光雷达，其特征在于，将单光子探测和多波束探测相结合，多元并行收发，可以有效提高系统探测灵敏度，增大作用距离，加快成像速度。
9.根据权利要求1所述的一种多元并扫光子计数激光雷达，其特征在于，发射系统通过DOE元件(3)对激光脉冲进行M×N元分束发射，远场光斑较均匀；采用M×N多模光纤阵列耦合接收，可将光纤出射的各子回波光束高效率地耦合到单光子探测器(8)的光敏面，降低串扰。
10.根据权利要求1所述的一种多元并扫光子计数激光雷达，其特征在于，工作方式为：所述的脉冲激光器(1)发射激光脉冲，经由光学发射系统(2)和DOE元件(3)扩束整形、分束处理，子脉冲光束到达目标表面后，反射的回波光被光学接收系统(5)接收，通过M×N光纤耦合器(6)和窄带光纤滤波器(7)后汇聚到单光子探测器(8)光敏面上，回波信号经过光电转换，再经阈值判别、脉冲整形、处理，TDC精密时间测量模块(9)测量激光往返时间间隔，经测距数字处理解算即可得到对应于目标某一点的距离信息，记录M×N单元的距离信息，对各点距离信息作时空映射变换，即可得到反映目标空间信息的三维图像。
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