CN114994642B

CN114994642B - 一种多路探测的激光雷达

Info

Publication number: CN114994642B
Application number: CN202210903434.7A
Authority: CN
Inventors: 董晶晶; 夏海云; 裘家伟; 舒志峰
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Jiangsu Guangzai Technology Co ltd
Priority date: 2022-07-29
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2042-07-29
Also published as: CN114994642A

Abstract

本发明公开了一种多路探测的激光雷达，涉及激光雷达技术领域，通过设置1×N型时域选通器件和N个探测器组成的探测器阵列，通过控制1×N型时域选通器件分时选通N个探测器，当一个探测器处于“死时间”周期时，自动切换到其他探测器通道工作，直到该探测器可以恢复工作，本发明通过实现多个探测器通道队列的切换工作，巧妙避开探测器“死时间”的漫长等待期，实现在探测器的一个工作周期内的多次高质量探测，有效克服了探测器“死时间”对激光雷达探测性能的限制，提高激光雷达的时间分辨率。

Description

一种多路探测的激光雷达

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种多路探测的激光雷达。

背景技术

随着现在科技的不断发展，目前，铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管探测器是目前950nm～1650nm波段最常用的单光子探测器，其具有成本低、体积小、制冷简单等优势被广泛应用，但是，为了减小使用时减少暗计数、提高信噪比，铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管探测器需要在0K～250K的低温环境下工作，然而，在这样的低温下，材料的后脉冲效应会对回波信号会产生较大的影响。

由于后脉冲效应产生大量的暗计数，因此，探测器在一个探测周期内，只有极短的时间工作在线性区，其余时间工作在非线性区，需要关闭探测器，这段时间也称为死时间，图2为相关技术中探测器的工作时序图，图中，高峰段为探测器探测时间，可见，一个探测周期内，死时间占据了大部分的探测周期，死时间的存在导致探测器有很长的时间不能工作，从而提高激光雷达时间分辨率，降低激光雷达的信噪比。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多路探测的激光雷达，解决了现有技术中在一个探测周期内，死时间占据了大部分的探测周期导致探测器有很长的时间不能工作的技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种多路探测的激光雷达，包括光源模块、光学收发模块、1×N型时域选通器件，探测器阵列、数据采集模块、数据处理模块和控制模块，所述光源模块用于输出脉冲激光信号，并且将输出的脉冲激光信号发送至光学收发模块，所述光学收发模块用于将光源模块输出的脉冲激光信号输出到目标物，并接收目标物返回的回波信号，并将回波信号发送至1×N型时域选通器件；

所述1×N型时域选通器件包括一个输入端和N个输出端，输入端用于接收所述回波信号，每个输出端连接一个探测器；所述探测器阵列包括N个探测器，所述1×N型时域选通器件的N个输出端与N个探测器一一对应连接；1×N型时域选通器件用于分时选通N个输出端，将接收到的信号从N个输出端分时输出到对应的探测器；

所述N个探测器用于将输入的信号转化为电信号；

所述数据采集模块用于采集所述探测器阵列输出的电信号，并将电信号转换为数字信号；

所述数据处理模块用于对数据采集模块输出的数字信号进行分析处理；

所述控制模块包括选通控制单元、探测器时序控制单元和采集时序控制单元；所述选通控制单元用于控制1×N型时域选通器件按照预设的第一时序选通N个输出端；所述探测器时序控制单元用于控制N个探测器按照预设的第二时序工作；所述采集时序控制单元用于控制N个探测器按照预设的第三时序工作。

优选地，所述第一时序包括N个输出端按照预设的第一时间间隔轮流选通。

优选地，所述第二时序包括每个探测器在对应的1×N型时域选通器件的输出端被选通时开始工作；选通后，每个探测器的工作时间长度为预设的探测器开门时间。

优选地，所述数据采集模块包括N个采集通道；所述第三时序包括每个采集通道在对应的1×N型时域选通器件的输出端被选通时开始工作；选通后，每个采集通道的工作时间长度不小于预设的探测器开门时间。

优选地，所述第一时间间隔满足以下条件：

T₁≥T₂；

其中，T₁为第一时间间隔，T₂为预设的探测器开门时间。

优选地，所述第一时间间隔还满足：

T₁≤T_d/N；

其中，T_d为预设的探测器的工作周期。

优选地，所述N满足以下条件：

1＜N≤T_d/T₂。

优选地，所述1×N型时域选通器件为1×N型光开关或多路光通道选通器。

优选地，所述光学收发模块包括光纤环形器和收发望远镜；所述光纤环形器用于将回波信号输出至收发望远镜，并将收发望远镜接收的回波信号输出至1×N型时域选通器件；所述收发望远镜用于将脉冲激光信号输出到目标物，并接收目标物返回的回波信号。

优选地，所述收发望远镜包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜用于将输入的脉冲激光信号输出至目标物，所述接收望远镜用于接收目标物返回的回波信号，并将接收到的回波信号输出至1×N型时域选通器件。

本发明的有益效果：

本发明在使用过程中，通过设置1×N型时域选通器件和N个探测器组成的探测器阵列，通过控制1×N型时域选通器件分时选通N个探测器，当一个探测器处于“死时间”周期时，自动切换到其他探测器通道工作，直到该探测器可以恢复工作，本发明通过实现多个探测器通道队列的切换工作，巧妙避开探测器“死时间”的漫长等待期，实现在探测器的一个工作周期内的多次高质量探测，有效克服了探测器“死时间”对激光雷达探测性能的限制，提高激光雷达的时间分辨率；由于本发明采用时域选通器件分时选通N个探测器，每一时刻，1×N型时域选通器件只选通一路探测器，因此，每一时刻，只有一个探测器工作，探测器的噪声恒定地体现为一个探测器的噪声，不会因为多探测器分时复用而增加系统噪声；与现有的激光雷达相比，在相同的探测周期内，本发明有N个探测器的累加信号，而噪声水平保持不变，从而实现激光雷达信噪比倍增效应，将激光雷达的信噪比一次性提高数十倍；本发明通过采用全光纤光学器件，减小激光雷达的体积，并有效提高激光雷达的灵活性、便携性和集成度；本发明通过采用多通道的数据采集卡，能够实现单个数据采集卡对多个通道的探测器同时探测，从而显著减小数据采集卡的数量，结构紧凑，节约整个系统的成本的同时，还能有效地减小系统的体积和重量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的激光雷达的结构示意图；

图2为现有技术中探测器的工作时序图；

图3为本发明实施例提供的激光雷达的工作时序图；

图4为本发明实施例提供的激光雷达的又一结构示意图；

图5为本发明实施例提供的激光雷达的另一结构示意图；

图6为本发明实施例提供的激光雷达的再一结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，本发明提供了一种多路探测的激光雷达，能够克服探测器死时间对激光雷达性能的限制，在不增加探测噪声的前提下实现探测计数率倍增，与现有的激光雷达相比，实现相同探测时间内的信噪比倍增，并提高激光雷达的时间分辨率。

图1是本发明的结构示意图。如图1所示，激光雷达包括：光源模块10、光学收发模块20、1×N型时域选通器件30，探测器阵列40、数据采集模块51、数据处理模块52和控制模块60；其中，N为大于1的整数，所述探测器阵列40包括N个探测器41。

光源模块10用于输出脉冲激光信号。

光学收发模块20用于将光源模块10输出的脉冲激光信号输出到目标物，并接收目标物返回的回波信号。

当激光雷达进行大气探测时，目标物为大气。

所述探测器阵列40包括N个探测器41；所述1×N型时域选通器件30包括一个输入端和N个输出端，输入端用于接收所述回波信号，每个输出端连接一个探测器41，每个探测器连接一个输出端；1×N型时域选通器件30的N个输出端与N个探测器41一一对应连接；1×N型时域选通器件30用于分时选通N个输出端，将接收到的信号从N个输出端分时输出到对应的探测器。

也就是说，每一时刻，1×N型时域选通器件30只选通一路探测器41，因此，每一时刻，只有一个探测器工作，探测器41的噪声仅体现为一个探测器的噪声，并不会因为多探测器复用而增加噪声。

未来便于后续数据处理，以及保证激光雷达探测的稳定性和均一性，N个探测器41优选为N个性能相同的探测器。探测器41优选为单光子探测器。探测器41包括光电倍增管单光子探测器、单光子雪崩光电二极管、上转换单光子探测器、超导线纳米探测器等。

在一个实施例中，所述1×N型时域选通器件30可以是1×N型光开关。

所述N个探测器41用于将输入的信号转化为电信号。

每个探测器41的输入端与1×N型时域选通器件30的一个输出端连接，用于探测相应通道的回波信号，并将光信号转换为电信号。

所述数据采集模块51用于采集所述探测器阵列40输出的电信号，并请其转换为数字信号。数据采集模块51可以是多个数据采集卡，每个采集卡分别连接一个探测器41；数据采集模块51也可以是一个多通道的数据采集卡，包括N个采集通道。

当数据采集模块51为多通道的数据采集卡时，能够实现单个数据采集卡对多个通道的探测器41同时探测，从而显著减小数据采集卡的数量，减小激光雷达的体积，降低激光雷达的成本。

所述数据处理模块52用于根据预定的算法对数据采集模块51输出的信号进行分析处理。

所述控制模块60包括选通控制单元61、探测器时序控制单元62和采集时序控制单元63；所述选通控制单元61用于控制1×N型时域选通器件30按照预设的第一时序选通N个输出端；所述探测器时序控制单元62用于控制N个探测器41按照预设的第二时序工作；所述采集时序控制单元63用于控制N个探测器41按照预设的第三时序工作。

图3为本发明实施例提供的激光雷达的工作时序图。下面以图3为例，对本发明的控制时序进行阐述。

首先对几个时间参数进行说明：

预设的探测器41的工作周期T_d由探测器41的性能决定。探测器41的工作周期包括工作时间和死时间。探测器41的死时间也称为非线性响应时间。

造成单光子探测器非线性响应的因素有很多，具体分析如下：对于工作在光子计数模式下的 PMT（光电倍增管），当有光子打到阴极后，从阴极发射出光电子，在经倍增极放大的过程中，由于不同的电子具有不同的初速度和飞跃路径，它们到达阳极的时间有所差别，因此阳极输出的将是被展宽的脉冲电流，脉冲宽度一般为10~20ns。当入射光子计数率较大时，PMT阳极输出的就有可能是由两个或多个单光子脉冲电流叠加所形成的幅度较高、宽度更宽的脉冲，这种现象通常被称为脉冲堆积。脉冲堆积导致探测器的实际输出比真实值小，产生了非线性效应。对于APD（雪崩二极管），当有光子到达探测器时，APD发生雪崩并产生一个电流脉冲信号。为了探测下一个光子，APD必须迅速停止雪崩，恢复到接收光子之前的状态。这段恢复时间称为死时间，死时间内 APD将不会对进入的光子产生响应。因而死时间内进入探测器的光子将会被漏计，漏计同样使得探测器的实际输出比真实值小，产生了非线性效应。

探测器的工作时间也称为线性响应时间、探测器开门时间；死时间为关门时间。单光子探测器的死时间由其性能决定，一般为几百纳秒。

1×N型时域选通器件30的响应时间Tos为由器件性能决定，一般为几个纳秒。

预设的探测器开门时间T₂为探测器41的工作时间，即探测器41的探测器开门时间。探测器开门时间由探测器41和数据采集单元的性能确定，数据采集单元的采集效率越高，需要的脉冲累计时间越短，相应的，探测器41的探测器开门时间T₂可以越短。

在一个实施例中，所述第一时序包括N个输出端按照第一时间间隔轮流选通。即N个输出端依次轮流选通，周而复始。当然，也可以按照顺序+逆序的方式选通，只要保证N个探测器41轮流工作，都适用于本发明。1×N型时域选通器件30对N个探测器41的选通顺序由控制模块60中选通控制单元61发送的驱动信号确定。驱动信号也可以以随机抽样的方式选通N个探测器41。

所述第二时序包括每个探测器41在对应的1×N型时域选通器件30的输出端被选通时开始工作；选通后，每个探测器41的工作时间长度为预设的探测器开门时间。

N个探测器41的工作时序由控制模块60中探测器时序控制单元62发送的驱动信号确定。探测器时序控制单元62在1×N型时域选通器件30的输出端被选通时控制对应的探测器开始工作，工作探测器开门时间后关闭。

为了提高探测器的工作效率，充分利用N个探测器41，在保证每个探测器正常工作的前提下，探测器之间的时间间隔应该越小越好，但最小应该保证每个探测器41都可以工作。即：所述第一时间间隔满足下述条件：

T₁≥T₂；

其中，T₂为预设的探测器开门时间。需要说明的是，考虑到时域选通器件30在选通时存在的响应时间，探测器的开门时间中包含1×N型时域选通器件30的响应时间。

为了充分利用探测器的死时间，探测器的一个工作周期内，每个探测器41至少工作一次，因此，所述第一时间间隔还需满足下述条件：

T₁≤T_d/N；

其中，T₁为第一时间间隔，T_d为预设的探测器41的工作周期，

所述1×N型时域选通器件30为1×N型光开关。

可替换的，所述1×N型时域选通器件30为多路光通道选通器。

以时域选通器件30为光开关为例，若设探测器41的死时间为500ns，探测器41的探测器开门时间为20纳秒，光开关的响应时间为5纳秒，则为T₁≥Tos+ T₂= 5+20=25ns。则在死时间内，至少可以容纳500ns/25ns，即 20个探测周期。Tos为预设的1×N型时域选通器件30的响应时间。

如果充分利用这20个探测周期，则可将激光雷达的信噪比提高20倍之高，同时将激光雷达的时间分辨率提高20倍。

N满足下述条件：

1＜N≤T_d/ T₂；

其中，T₂为预设的探测器开门时间。

仍以前述参数为例，1＜N≤500/(5+ 20)=20，N的数量最大优选为20个。

当数量N的最大值确定下来后，由于T₁≤T_d/N；所以第一时间间隔的最大值也随之确定。

下面对照图3，以时域选通器件30是光开关为例，对本发明的控制时序进行阐述。

首先，第一行是光开关的控制时序，C1、C2、C3一直到Cn分别代表光开关的第一输出端、第二输出端、第三输出端一直到第n输出端的工作时序。可见，每个输出端轮流选通，选通时间为T₁。每个输出端对应一个探测器41和采集通道。

D1、D2、D3一直到Dn分别代表第一个探测器41、第二个探测器41、第三个探测器41一直到第N个探测器41的工作时序。

当C1被选通时，第一个探测器D1被选通。实际工作时，由于光开关有延时，第一个探测器D1不是立即工作，而是在延时之后，开始工作，工作时间T₂后，为避免暗计数，D1关闭，直到累积到一个工作周期T_d后，D1再度开始工作。

其他探测器的工作时序以此类推。

所述数据采集模块51包括N个采集通道。

所述第三时序包括每个采集通道在对应的1×N型时域选通器件30的输出端被选通时开始工作；选通后，每个采集通道的工作时间长度不小于预设的探测器开门时间。

图4为本发明实施例提供的激光雷达的又一结构示意图；在一个实施例中，所述光源模块10包括连续激光器、脉冲光发生器和激光放大器；其中，连续激光器经脉冲发生器斩成脉冲光后，再由激光放大器进行放大。所述连续激光器、脉冲光发生器和激光放大器均为光纤器件，所述连续激光器、脉冲光发生器和激光放大器通过光纤连接。

光源模块10还包括隔离器，用于防止后向散射信号损坏激光器。具体的，由激光放大器进行放大的光信号经过所述隔离器后输出到1×N型时域选通器件30。

光源模块10输出的激光信号的波长为1μm～2μm，优选为1.5μm。

激光光源选择在光纤中损耗小的1μm～2μm波段的激光，优选为1.5μm波段。此波段对人眼安全，同时传输损耗小。

图5为本发明实施例提供的激光雷达的又一结构示意图；需要进行说明的是，在一个实施例中，所述光学收发模块20包括光纤环形器21和收发望远镜22；所述光纤环形器21用于将输入的信号输出至收发望远镜22，并将收发望远镜22接收的回波信号输出至1×N型时域选通器件30；所述收发望远镜22用于将光信号输出到目标物，并接收目标物返回的回波信号。

光纤环形器21包括三个端口，分别为1端口、2端口和3端口；1端口为输入端，2端口为收发同置端，3端口为输出端。

图6为本发明实施例提供的激光雷达的又一结构示意图；在一个实施例中，所述光学收发模块20包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射将输入的信号输出至目标物，所述接收望远镜用于接收目标物返回的回波信号，并将接收到的回波信号输出至1×N型时域选通器件30。

需要说明的是，当传输的信号为光信号时，本发明所涉及的连接为通过光纤连接，如图1、图4-图6中的粗连接线；当传输的信号为电信号时，本发明所涉及的连接为电性连接，如图1、图4-图6中的细连接线。电性连接分为有线连接和无线连接，只要能够实现信号的传输，均在本发明的保护范围内。

数据处理单元可以是计算机，还可以是单片机、FPGA等具有数据处理功能的装置。数据处理单元用于根据预设的算法，反演和显示目标大气参数，得到环境信息。大气参数包括但不限于大气风速、温度、大气气溶胶密度、大气分子密度、各种大气气体成分含量、PM2.5、PM10。

还可以包括光信号处理单元，光信号处理单元用于对接收到的回波信号进行处理，光信号处理单元包括背景噪声滤除子单元和处理子单元，所述背景噪声滤除子单元用于滤除太阳背景辐射和天空背景辐射噪声；所述处理子单元用于对输入的光信号进行处理，以获取目标大气参数。

所述噪声滤除子单元可以是滤光片。

在一个应用场景中，所述处理子单元可以是鉴频器，所述鉴频器用于获取大气风速信息，可以用来探测大气风场。

在另一个应用场景中，所述处理子单元可以是偏振分束器，所述偏振分束器用于获取大气退偏比信息。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内容。

Claims

1.一种多路探测的激光雷达，其特征在于，包括光源模块、光学收发模块、1×N型时域选通器件，探测器阵列、数据采集模块、数据处理模块和控制模块，所述光源模块用于输出脉冲激光信号，并且将输出的脉冲激光信号发送至光学收发模块，所述光学收发模块用于将光源模块输出的脉冲激光信号输出到目标物，并接收目标物返回的回波信号，并将回波信号发送至1×N型时域选通器件；

所述N个探测器用于将输入的信号转化为电信号；

所述控制模块包括选通控制单元、探测器时序控制单元和采集时序控制单元；所述选通控制单元用于控制1×N型时域选通器件按照预设的第一时序选通N个输出端；所述探测器时序控制单元用于控制N个探测器按照预设的第二时序工作；所述采集时序控制单元用于控制N个探测器按照预设的第三时序工作；

所述第一时序包括N个输出端按照预设的第一时间间隔轮流选通；

所述第二时序包括每个探测器在对应的1×N型时域选通器件的输出端被选通时开始工作；选通后，每个探测器的工作时间长度为预设的探测器开门时间；

所述第一时间间隔满足以下条件：

T₁≥T₂；

其中，T₁为第一时间间隔，T₂为预设的探测器开门时间；探测器的工作周期包括工作时间和死时间，探测器的死时间也称为非线性响应时间，探测器的工作时间也称为线性响应时间，预设的探测器开门时间T₂为探测器的工作时间；

所述第一时间间隔还满足：

T₁≤T_d/N；

其中，T_d为预设的探测器的工作周期；

所述N满足以下条件：

1＜N≤T_d/T₂。

2.根据权利要求1所述的一种多路探测的激光雷达，其特征在于，所述数据采集模块包括N个采集通道；所述第三时序包括每个采集通道在对应的1×N型时域选通器件的输出端被选通时开始工作；选通后，每个采集通道的工作时间长度不小于预设的探测器开门时间。

3.根据权利要求1所述的一种多路探测的激光雷达，其特征在于，所述1×N型时域选通器件为1×N型光开关或多路光通道选通器。

4.根据权利要求1所述的一种多路探测的激光雷达，其特征在于，所述光学收发模块包括光纤环形器和收发望远镜；所述光纤环形器用于将回波信号输出至收发望远镜，并将收发望远镜接收的回波信号输出至1×N型时域选通器件；所述收发望远镜用于将脉冲激光信号输出到目标物，并接收目标物返回的回波信号。

5.根据权利要求4所述的一种多路探测的激光雷达，其特征在于，所述收发望远镜包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜用于将输入的脉冲激光信号输出至目标物，所述接收望远镜用于接收目标物返回的回波信号，并将接收到的回波信号输出至1×N型时域选通器件。