CN115343696A - 一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统及方法 - Google Patents

一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，包括聚光透镜、光子计数探测器、信号比较电路、计数电路、激光雷达信号处理器、步进电机控制器、步进电机、导轨以及时序电路；激光雷达信号处理器根据光子计数次数与周期性激光脉冲总数产生步进电机的控制信号，步进电机在导轨的一端用以驱动光子计数探测器的移动。本发明通过光敏面离焦控制实施接收光通量调节，相比于插入式衰减片调节原理，具有无插入损耗、可实施衰减量连续调节以及便于实施自动闭环调节等突出优势。

Description

一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统及 方法
技术领域
本发明属于激光雷达接收系统，具体为一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统及方法。
背景技术
随着激光雷达技术的发展，激光雷达在无人驾驶、灵敏弹药等军用、民用领域中有了较为广泛的应用。而随着光探测器技术的进步，具有单光子灵敏度的探测器因其具有显著的高灵敏度、高集成度、低功耗等优势，日益成为了激光雷达研究的前沿领域。在单光子探测器中，雪崩光电二极管探测器(简称SPAD)由于具有光子响应时间精度高、易集成等优势，获得了大部分研究者的关注。但由于SPAD自身存在死区时间的缺陷，会造成光子计数事件的丢失，导致“事件相关光子计数直方图”相对真实回波信号产生畸变，为此，TCSPC制造商提出了经典的低通量的“5％准则”，即如果系统的光子计数次数小于周期性激光脉冲总数的5％，则认为未发生计数丢失与信号畸变。
现有光子计数激光雷达没有自适应调节过程，为满足低通量的“5％准则”只能以最大的背景光为基准来设置接收系统的光通量，使得其在背景光较弱的情况下无法发挥探测器的最大性能。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本发明提出了一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统。
实现本发明目的的技术方案为：一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，包括聚光透镜、光子计数探测器、信号比较电路、计数电路、激光雷达信号处理器、步进电机控制器、步进电机、导轨以及时序电路；其中,聚光透镜用于收集光线入射到光子计数探测器上；所述光子计数探测器固定在导轨上，且光子计数探测器的中心位于聚光透镜的光轴上，导轨与聚光透镜的光轴平行；光子计数探测器的输出与信号比较电路的输入相连，信号比较电路的输出和计数电路的输入相连，计数电路的输出与激光雷达信号处理器的输入相连，激光雷达信号处理器的输出与步进电机控制器的输入端相连，步进电机控制器的输出端与步进电机相连，步进电机在导轨的一端用以驱动光子计数探测器的移动，时序电路分别与计数电路和激光雷达信号处理器相连，激光雷达信号处理器用于根据光子计数次数与周期性激光脉冲总数产生步进电机的控制信号。
优选地，激光雷达信号处理器根据光子计数次数与周期性激光脉冲总数产生步进电机的控制信号的具体方法为：
将光子计数次数与周期性激光脉冲总数的比值作为光通量衰减率；
将光通量衰减率与阈值进行比较，若光子计数探测器光敏面处的衰减率>所设阈值，步进电机带动光子计数探测器向远离焦点方向移动；
若光子计数探测器光敏面处的衰减率<所设阈值，步进电机带动光子计数探测器向靠近焦点方向移动；
若光子计数探测器光敏面处的衰减率＝所设阈值，步进电机停止工作。
优选地，阈值R0具体为：
Figure BDA0003824496730000021
式中，x0为当光子计数探测器符合5％准则时的离焦量；d为探测器光敏面面的直径；F为透镜的F数。
本发明还提出了一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收方法，具体步骤如下：
步骤1、聚光透镜收集光线入射到光子计数探测器上，引起光子计数探测器的输出；
步骤2、光子计数探测器的输出信号输入至信号比较电路；
步骤3、信号比较电路对接收到的光子计数探测器的输出信号进行回波有无的鉴别，再将回波信号有无对应的二进制脉冲信号输出至计数电路中；
步骤4、计数电路受到时序电路控制，统计周期内接收到的二进制脉冲信号的脉冲数，即光子计数次数，将统计结果输出至同样受时序电路控制的激光雷达信号处理器中；
步骤5：激光雷达信号处理器将系统的光子计数次数与周期性激光脉冲总数的比值作为光子计数探测器光敏面的光通量衰减率，并设置阈值作为基准产生控制步进电机的信号，将信号输出至步进电机控制器。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明创新提出探测器光敏面高精度离焦控制接收光通量，实施虚警控制方法，是一种全新的激光雷达自动增益控制方法； (2)本发明通过光敏面离焦控制实施接收光通量调节，相比于插入式衰减片调节原理，具有无插入损耗、可实施衰减量连续调节以及便于实施自动闭环调节等突出优势；(3) 本发明具有原理明确、装置简单、光通量控制灵敏度高、环境适应能力好等突出优势，在光子计数激光雷达领域具有重要应用前景。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统的装置结构框图。
图2为本发明的光通量控制电路模块工作流程示意图。
图3为实例所述的步进电机控制器控制步进电机移动的控制曲线。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本发明。下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的创新构思。
如图1所示，一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，包含聚光透镜1，光子计数探测器2，信号比较电路3，计数电路4，激光雷达信号处理器5，步进电机控制器6，步进电机7，高精度微位移导轨8，时序电路9；其中聚光透镜1用于收集光线入射到光子计数探测器上；光子计数探测器2固定在高精度微位移导轨8上，且光子计数探测器2的中心位于聚光透镜1的光轴上，导轨8与聚光透镜1的光轴严格平行；光子计数探测器2的输出与信号比较电路3的输入相连，信号比较电路3的输出和计数电路4的输入相连，计数电路4的输出与激光雷达信号处理器5的输入相连，激光雷达信号处理器5的输出与步进电机控制器6的输入端相连，步进电机控制器6的输出端与步进电机7相连，步进电机7在高精度微位移导轨8的一端，时序电路9分别与计数电路4和激光雷达信号处理器5相连，激光雷达信号处理器5用于根据光子计数次数与周期性激光脉冲总数产生步进电机7的控制信号。
下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收方法，具体步骤如下：
步骤1、聚光透镜收集光线入射到光子计数探测器上，引起光子计数探测器的输出；
步骤2、光子计数探测器的输出信号输入至信号比较电路；
步骤3、信号比较电路对接收到的光子计数探测器的输出信号进行回波有无的鉴别，再将回波信号有无对应的二进制脉冲信号输出至计数电路中；
步骤4、计数电路受到时序电路控制，统计周期内接收到的二进制脉冲信号的脉冲数，即光子计数次数，将统计结果输出至同样受时序电路控制的激光雷达信号处理器中；
步骤5：激光雷达信号处理器将系统的光子计数次数与周期性激光脉冲总数的比值作为光子计数探测器光敏面的光通量衰减率，并设置阈值R0作为基准产生控制步进电机的信号，将信号输出至步进电机控制器；
其中，阈值
Figure BDA0003824496730000041
式中，x0为当光子计数探测器符合5％准则时的离焦量；d为探测器光敏面面的直径；F为透镜的F数，为透镜相对孔径的倒数，透镜的相对孔径为
Figure BDA0003824496730000042
其中D为透镜的直径，f为透镜的焦距；R0为探测器在x0处光敏面的光通量衰减率。
具体控制方式为：
若光子计数探测器光敏面处的衰减率R>所设阈值R0，步进电机带动光子计数探测器向远离焦点方向移动；
若光子计数探测器光敏面处的衰减率R<所设阈值R0，步进电机带动光子计数探测器向靠近焦点方向移动；
若光子计数探测器光敏面处的衰减率R＝所设阈值R0，步进电机停止工作。
光子计数探测器的离焦量遵循图3所示的控制曲线。
步进电机控制算法的流程图如图2所示。
本实施例使用的聚光透镜的焦距为10毫米、直径为10毫米；信号比较电路采用MAX962；计数电路使用CD4060BM；激光雷达信号处理器采用STM32F103；步进电机控制器采用Y2SA2控制器；步进电机采用Y09-59D3-5001-H步进电机(该步进电机为控制器Y2SA2的配套产品)；高精度微位移导轨长度为20毫米；时序电路使用 EP4CE15F23C8N FPGA可编程门阵列芯片。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
应当理解，为了精简本发明并帮助本领域的技术人员理解本发明的各个方面，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本发明解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。
应当理解，可以对本发明的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。

Claims (9)

1.一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，其特征在于，包括聚光透镜(1)、光子计数探测器(2)、信号比较电路(3)、计数电路(4)、激光雷达信号处理器(5)、步进电机控制器(6)、步进电机(7)、导轨(8)以及时序电路(9)；其中,聚光透镜(1)用于收集光线入射到光子计数探测器(2)上；所述光子计数探测器(2)固定在导轨(8)上，且光子计数探测器(2)的中心位于聚光透镜(1)的光轴上，导轨(8)与聚光透镜(1)的光轴平行；光子计数探测器(2)的输出与信号比较电路(3)的输入相连，信号比较电路(3)的输出和计数电路(4)的输入相连，计数电路(4)的输出与激光雷达信号处理器(5)的输入相连，激光雷达信号处理器(5)的输出与步进电机控制器(6)的输入端相连，步进电机控制器(6)的输出端与步进电机(7)相连，步进电机(7)在导轨(8)的一端用以驱动光子计数探测器(2)的移动，时序电路(9)分别与计数电路(4)和激光雷达信号处理器(5)相连，激光雷达信号处理器(5)用于根据光子计数次数与周期性激光脉冲总数产生步进电机(7)的控制信号。
2.根据权利要求1所述的背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，其特征在于，激光雷达信号处理器(5)根据光子计数次数与周期性激光脉冲总数产生步进电机(7)的控制信号的具体方法为：
将光子计数次数与周期性激光脉冲总数的比值作为光通量衰减率；
将光通量衰减率与阈值进行比较，若光子计数探测器光敏面处的衰减率>所设阈值，步进电机带动光子计数探测器向远离焦点方向移动；
若光子计数探测器光敏面处的衰减率<所设阈值，步进电机带动光子计数探测器向靠近焦点方向移动；
若光子计数探测器光敏面处的衰减率＝所设阈值，步进电机停止工作。
3.根据权利要求1所述的背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，其特征在于，阈值R0具体为：
Figure FDA0003824496720000011
式中，x0为当光子计数探测器符合5％准则时的离焦量；d为探测器光敏面面的直径；F为透镜的F数。
4.根据权利要求1所述的背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，其特征在于，所述信号比较电路采用MAX962。
5.根据权利要求1所述的背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，其特征在于，所述计数电路采用CD4060BM。
6.根据权利要求1所述的背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，其特征在于，所述激光雷达信号处理器采用STM32F103。
7.一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、聚光透镜收集光线入射到光子计数探测器上，引起光子计数探测器的输出；
步骤2、光子计数探测器的输出信号输入至信号比较电路；
步骤3、信号比较电路对接收到的光子计数探测器的输出信号进行回波有无的鉴别，再将回波信号有无对应的二进制脉冲信号输出至计数电路中；
步骤4、计数电路受到时序电路控制，统计周期内接收到的二进制脉冲信号的脉冲数，即光子计数次数，将统计结果输出至同样受时序电路控制的激光雷达信号处理器中；
步骤5：激光雷达信号处理器将系统的光子计数次数与周期性激光脉冲总数的比值作为光子计数探测器光敏面的光通量衰减率，并设置阈值作为基准产生控制步进电机的信号，将信号输出至步进电机控制器。
8.根据权利要求7所述的背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收方法，其特征在于，控制步进电机的信号具体为：
若光子计数探测器光敏面处的衰减率>所设阈值，步进电机带动光子计数探测器向远离焦点方向移动；
若光子计数探测器光敏面处的衰减率<所设阈值，步进电机带动光子计数探测器向靠近焦点方向移动；
若光子计数探测器光敏面处的衰减率＝所设阈值，步进电机停止工作。
9.根据权利要求7所述的背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收方法，其特征在于，阈值R0具体为：
Figure FDA0003824496720000021
式中，x0为当光子计数探测器符合5％准则时的离焦量；d为探测器光敏面面的直径；F为透镜的F数。
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