CN115856933A - 高通量光子计数激光雷达成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种高通量光子计数激光雷达成像装置及方法，该装置包括光束收发模块、扫描模块、控制模块、探测模块和数据处理模块，控制模块控制扫描模块改变脉冲激光输出的方向以实现待测目标的扫描；探测模块包括单光子探测器和时间相关单光子计数采集单元；同步信号采集通道与脉冲激光器连接以采集脉冲激光同步信号。本发明引入了具备光子数分辨能力的单光子探测器，可以实现对多个回波光子的同时探测，实现不同光子数的同时响应。本发明有效解决了传统光子计数激光雷达受到低通量弱光工作条件的限制，有效提高了高通量条件下的回波光子信息的采集效率，极大地减少了脉冲累积时间，可以实现更高动态范围和更快速的目标探测。

Description

高通量光子计数激光雷达成像装置及方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种高通量光子计数激光雷达成像装置及方法。

背景技术

随着单光子探测技术的发展，具有单光子灵敏度的探测器性能越发完善，其相对于传统线性模式的探测器具有显著的高灵敏度、高时间分辨率、低功耗等优势，然而难以满足日益增长对精度和速度的要求。

在单光子三维成像技术中多使用光子计数激光雷达技术，可以实现具有单光子灵敏度和皮秒量级时间分辨率的目标场景三维图像的获取，因此在卫星测绘、海上目标成像、武器制导以及航空航天等领域得到了越来越广泛的应用。然而一般的单光子探测器内在缺陷在于：(1)死区时间较长；(2)不具备光子数分辨能力，上述缺陷会造成光子计数时间的丢失，采集到的信号相对于真实信号会产生畸变。这一弊端随着入射光通量的增大而愈发明显。因此传统的光子计数激光雷达受制于单光子探测器的工作机理，通常限制在符合“5％准则”的低通量弱光工作条件下，即系统的光子计数总次数需小于周期性激光脉冲总数的5％，然而这一条件的限制，需要大量的脉冲累积，严重制约了信息采集效率。为了突破这一限制，诞生了高通量光子计数激光雷达概念，其入射光通量远大于“5％准则”。在高通量条件下，死区时间的作用模型、系统的工作特性、信息感知算法等等诸多问题均与低通量微弱光条件下有很大的区别。

目前新型单光子探测器越来越多，相比于一般的单光子探测器具有光子数分辨能力、低死区时间和高动态范围等独特优势，因此有必要开展在高通量条件下基于新型单光子探测器的光子计数激光雷达系统的深入研究。

发明内容

本发明实施例提供了一种高通量光子计数激光雷达成像装置及方法，该成像装置通过探测模块实现了至少两个不同回波光子的同时探测，提高了回波信号的采集效率，降低了激光雷达成像中背景光子带来的影响，提高了信噪比和探测速度，对运动目标的三维快速探测，更有利于极限场景下的弱目标实时探测。

根据本发明的一方面，提供了一种高通量光子计数激光雷达成像装置，具体包括光束收发模块、扫描模块、控制模块、探测模块和数据处理模块；

光束收发模块包括脉冲激光器和光束调节单元，脉冲激光器输出的脉冲激光经过光束调节单元和扫描模块后传输至待测目标，待测目标返回的回波光束经过光束调节单元和扫描模块后传输至探测模块；

控制模块与扫描模块连接，控制模块用于控制扫描模块改变脉冲激光输出的方向，以实现待测目标的扫描；

探测模块包括单光子探测器和时间相关单光子计数采集单元，单光子探测器具备光子数分辨能力，用于实现至少两个不同回波光子的同时探测，时间相关单光子计数采集单元包括同步信号采集通道和光子数采集通道，同步信号采集通道与脉冲激光器连接，用于采集脉冲激光的同步信号；所述光子数采集通道与单光子探测器连接，用于采集至少两个不同光子数响应的探测信号；

数据处理模块与时间相关单光子计数采集单元连接，用于根据同步信号和探测信号，对待测目标成像。

可选地，光束调节单元包括穿孔反射镜、收发镜组和滤光片；

脉冲激光经过穿孔反射镜的穿孔透射至扫描模块，经过扫描模块调制后传输至收发镜组出射；待测目标返回的回波光束由收发镜组接收，经过扫描模块和穿孔反射镜反射，再经过滤光片后传输至单光子探测器。

可选地，穿孔反射镜的孔心与反射镜中心偏离。

可选地，光束调节单元还包括准直镜组和汇聚镜组；

准直镜组位于脉冲激光器和穿孔反射镜之间，准直镜组包括至少一片准直透镜，脉冲激光经过准直镜组准直后传输至穿孔反射镜的穿孔；

汇聚镜组位于穿孔反射镜与单光子探测器之间，穿孔反射镜反射的回波光束经过汇聚镜组汇聚后传输至单光子探测器。

可选地，收发镜组包括第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜构成望远镜结构；

第一透镜和第二透镜的表面设置有增透膜。

可选地，光束调节单元还包括二向色镜，二向色镜位于穿孔反射镜与单光子探测器之间；

高通量光子计数激光雷达成像装置还包括监测模块，监测模块用于接收二向色镜输出的部分光束。

可选地，单光子探测器包括串联型超导纳米线单光子探测器；

串联型超导纳米线单光子探测器包括多组超导纳米线，每组超导纳米线均并联有电阻，且多组超导纳米线相串联。

可选地，探测模块还包括信号放大器，信号放大器连接与单光子探测器和时间相关单光子计数采集单元之间。

可选地，扫描模块包括双轴正交扫描振镜；

可选地，高通量满足：所述高通量光子计数激光雷达成像装置的光子计数总次数大于周期性激光脉冲总数的5％。

根据本发明的另一方面，提供了一种高通量光子计数激光雷达成像方法，适用于上述任一的高通量光子计数激光雷达成像装置，高通量光子计数激光雷达成像方法包括：

脉冲激光器出射脉冲激光，脉冲激光经过光束调节单元和扫描模块后入射至待测目标，待测目标返回的回波光束经过光束调节单元和扫描模块后传输至探测模块；

单光子探测器接收回波光束，时间相关单光子计数采集单元采集脉冲激光的同步信号以及至少两个不同光子数响应的探测信号；

控制模块控制扫描模块改变脉冲激光输出的方向，以实现待测目标的扫描，时间相关单光子计数采集单元采集扫描过程中所有脉冲激光的同步信号以及至少两个不同光子数响应的探测信号；

数据处理模块根据同步信号和探测信号，对待测目标成像。

本发明实施例提供的高通量光子计数激光雷达成像装置及方法，该装置具体包括光束收发模块、扫描模块、控制模块、探测模块和数据处理模块；光束收发模块包括脉冲激光器和光束调节单元，脉冲激光器输出的脉冲激光经过光束调节单元和扫描模块后传输至待测目标，待测目标返回的回波光束经过光束调节单元和扫描模块后传输至探测模块；控制模块与扫描模块连接，控制模块用于控制扫描模块改变脉冲激光输出的方向，以实现待测目标的扫描；探测模块包括单光子探测器和时间相关单光子计数采集单元，单光子探测器具备光子数分辨能力，用于实现至少两个不同回波光子的同时探测，时间相关单光子计数采集单元包括同步信号采集通道和光子数采集通道，同步信号采集通道与脉冲激光器连接，用于采集脉冲激光的同步信号，光子数采集通道与单光子探测器连接，用于采集至少两个不同光子数响应的探测信号；数据处理模块与时间相关单光子计数采集单元连接，用于根据同步信号和探测信号，对待测目标成像。本发明实施例能够提高回波信号的采集效率，降低了激光雷达成像中背景光子带来的影响，极大地减少脉冲累积时间，提高了信噪比和探测速度，对运动目标的三维快速探测，更有利于极限场景下的弱目标实时探测，有利于构建高动态范围、高灵敏度、高信噪比、实时的三维成像系统。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种高通量光子计数激光雷达成像装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种高通量光子计数激光雷达成像装置的示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种高通量光子计数激光雷达成像装置的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种高通量光子计数激光雷达成像方法的流程图；

图5是本发明实施例提供的另一种高通量光子计数激光雷达成像方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例提供的一种高通量光子计数激光雷达成像装置及方法，用以解决上述问题，提高回波信号的采集效率，极大地减少脉冲累积时间，实现了目标快速探测。

图1是本发明实施例提供的一种高通量光子计数激光雷达成像装置的结构示意图，参考图1，本发明提供了一种高通量光子计数激光雷达成像装置，具体包括光束收发模块10、扫描模块20、控制模块30、探测模块40和数据处理模块50；

光束收发模块10包括脉冲激光器11和光束调节单元12，脉冲激光器11输出的脉冲激光经过光束调节单元12和扫描模块20后传输至待测目标(图1未示出)，待测目标返回的回波光束经过光束调节单元12和扫描模块20后传输至探测模块40；

控制模块30与扫描模块20连接，控制模块30用于控制扫描模块20改变脉冲激光输出的方向，以实现待测目标的扫描；

探测模块40包括单光子探测器41和时间相关单光子计数采集单元42，单光子探测器41具备光子数分辨能力，用于实现至少两个不同回波光子的同时探测，时间相关单光子计数采集单元42包括同步信号采集通道421和光子数采集通道422，同步信号采集通道421与脉冲激光器11连接，用于采集脉冲激光的同步信号，光子数采集通道422与单光子探测器41连接，用于采集至少两个不同光子数响应的探测信号；光子数采集通道422中至少包括两个光子数采集子通道(图1未示出)，分别用于采集不同光子数响应的探测信号。

数据处理模块50与时间相关单光子计数采集单元42连接，用于根据同步信号和探测信号，对待测目标成像。

其中，本实施例提供的成像装置适用于高通量条件下进行成像，光路接收的入射光通量要大于“5％准则”，即高通量满足：高通量光子计数激光雷达成像装置的光子计数总次数需大于周期性激光脉冲总数的5％，突破了传统光子计数激光雷达的低通量弱光工作限制。而且当光路接收的入射光通量过高时，收发光路无需附加额外的衰减，可以极大地减小脉冲累积时间，提高信息采集效率。可以通过控制模块30控制扫描模块20来调节光束的位置以扩大可扫描区域，改变扫描位置；单光子探测器41可以是具有光子数分辨能力的单光子探测器；数据处理模块50包括但不限于分析单光子探测器的入射光通量，来判别探测性能，可以根据同步信号和探测信号，采用硬件和/或软件的方式对待测目标成像并输出。值得注意的是，光子数采集通道422可以一次采集至少两个光子对应信号以供数据处理模块50进行分析并对待测目标成像，以提高回波信号的采集效率，极大地减少脉冲累积时间，实现了目标快速探测。

可以理解的是，脉冲激光器11输出可调的脉冲激光经过光束调节单元12和扫描模块20后传输至待测目标，待测目标返回的回波光束经过光束调节单元12和扫描模块20后传输至探测模块40中，可通过控制模块30调节光束的位置以扩大可扫描区域改变扫描位置；由单光子探测器41接收回波光束，经时间相关单光子计数采集单元42中光子数采集通道422采集至少两个不同光子数响应的探测信号，同时由同步信号采集通道421采集脉冲激光器11中相应的同步信号，所采集的探测信号和同步信号传输至数据处理模块50中进行分析并对待测目标成像。

本发明实施例提供的高通量光子计数激光雷达成像装置，该装置具体包括光束收发模块、扫描模块、控制模块、探测模块和数据处理模块；光束收发模块包括脉冲激光器和光束调节单元，脉冲激光器输出的脉冲激光经过光束调节单元和扫描模块后传输至待测目标，待测目标返回的回波光束经过光束调节单元和扫描模块后传输至探测模块；控制模块与扫描模块连接，通过控制模块控制扫描模块改变脉冲激光输出的方向，以实现待测目标的扫描；探测模块包括单光子探测器和时间相关单光子计数采集单元，通过单光子探测器具备光子数分辨能力，用于实现至少两个不同回波光子的同时探测，时间相关单光子计数采集单元包括同步信号采集通道和光子数采集通道，同步信号采集通道与脉冲激光器连接，用于采集脉冲激光的同步信号，光子数采集通道与单光子探测器连接，用于采集至少两个不同光子数响应的探测信号；数据处理模块与时间相关单光子计数采集单元连接，用于根据同步信号和探测信号，对待测目标成像，通过控制模块调节光束的位置使可扫描区域和扫描位置可调，经时间相关单光子计数采集单元中光子数采集通道采集至少两个不同光子数响应的探测信号，提高回波信号的采集效率，极大地减少脉冲累积时间，实现了目标快速探测。本发明实施例的技术方案，引入了具备光子数分辨能力的单光子探测器，可以实现对多个回波光子的同时探测，实现不同光子数的同时响应。本发明实施例有效解决了传统光子计数激光雷达受到低通量弱光工作条件的限制，有效提高了高通量条件下的回波光子信息的采集效率，极大地减少了脉冲累积时间，可以实现更高动态范围和更快速的目标探测。

图2是本发明实施例提供的一种高通量光子计数激光雷达成像装置的示意图，参考图2，基于上一实施例提供的装置，本发明实施例进一步细化。可选地，光束调节单元包括穿孔反射镜121、收发镜组122和滤光片123；

穿孔反射镜121的穿孔的孔心与反射镜中心偏离，由于接收光束为高斯光束，中心能量最高，本发明实施例的偏离设计可使得回波光信号的能量耦合到探测模块，接收效率高；脉冲激光经过穿孔反射镜121的穿孔透射至扫描模块20，经过扫描模块20调制后传输至收发镜组122出射；待测目标返回的回波光束由收发镜组122接收，经过扫描模块20和穿孔反射镜121反射，再经过滤光片123后传输至单光子探测器41。穿孔反射镜121的穿孔一般设置为圆孔。

其中，脉冲激光器11所发出的脉冲激光由穿孔反射镜121的穿孔穿过至扫描模块20，再由扫描模块20调制后传输至收发镜组122出射；经扫描模块20的回波光束在穿孔反射镜121反射，被单光子探测器41所接收。收发镜组122可以是多个凸透镜的组合，或是凸透镜与相应凹透镜的组合，也可以是其他可以调整光路的光学器件，本发明实施例不作限定，具体实施时可以根据实际情况设计。滤光片123可对被单光子探测器41所接收的光束进行筛选。

可以理解的是，回波光束一般为高斯光束，中心能量占比最高，中心区域的能量需要利用起来，尽可能反射到单光子探测器41上，来提高光路接收效率。而发射光束无需占用整个孔径，因此穿孔反射镜121应在中心一侧进行开孔。脉冲激光器11输出的脉冲激光依次经过穿孔反射镜121的穿孔透射、扫描模块20反射和收发镜组122透射的收发光路可设计为单站式光路(即收发光路共轴，也称为共轴式光路)以优化光传输路径传输至待测目标，待测目标返回的回波光束经过收发镜组122透射、扫描模块20和穿孔反射镜121反射后传输至探测模块40中，可通过控制模块30调节光束的位置以扩大可扫描区域改变扫描位置；上述设计的单站式光路可以优化光传输路径，当然也可以由其他组件设计成双站光路，其中双站光路不需要穿孔反射镜，收发镜组包括发射镜组和接收镜组；由单光子探测器41接收回波光束，经时间相关单光子计数采集单元42中光子数采集通道采集至少两个不同光子数响应的探测信号，同时由同步信号采集通道采集脉冲激光器11中相应的同步信号，后根据对所采集的探测信号和同步信号分析并对待测目标成像。经时间相关单光子计数采集单元中光子数采集通道采集至少两个不同光子数响应的探测信号，提高回波信号的采集效率，极大地减少脉冲累积时间，实现了目标快速探测。值得注意的是，与双站光路模式相比，这种单站式光路的动态窄视场设计模式可以极大地降低背景噪声；此外，单站模式使得系统结构更加紧凑，体积更小，对不同距离处目标更易于瞄准。

图3为本发明实施例提供的另一种高通量光子计数激光雷达成像装置的示意图，参考图3，基于上一实施例提供的装置，本发明实施例进一步细化。可选地，光束调节单元还包括准直镜组124和汇聚镜组125；

准直镜组124位于脉冲激光器11和反射镜121之间，准直镜组124包括至少一片准直透镜，脉冲激光经过准直镜组124准直后传输至穿孔反射镜121的穿孔；

汇聚镜组125位于穿孔反射镜121与单光子探测器41之间，穿孔反射镜121反射的回波光束经过汇聚镜组125汇聚后传输至单光子探测器41。

其中，待测目标回波的光束经过滤波片123与汇聚镜组125的顺序和滤波片123与汇聚镜组125的相对位置在此不作限定。准直镜组124和汇聚镜组125通过加强光束在装置中的汇聚，以增强光路的稳定性。值得说明的是，准直镜组124和汇聚镜组125的数量和类型在此不作限定，分别可以是能够起到准直和汇聚作用的光学器件，如凸透镜及相关镜组。

可以理解的是，增加准直镜组和汇聚镜组的高通量光子计数激光雷达成像装置，通过准直镜组加强脉冲激光器所发射的脉冲激光的准直性和汇聚镜组对穿孔反射镜反射的回波光束经过汇聚镜组汇聚后传输至单光子探测器，避免信号发散。

基于上述实施例，可对装置进行优化，具体如下：

可选地，收发镜组122包括第一透镜1221和第二透镜1222，第一透镜1221和第二透镜1222构成望远镜结构。

其中，收发镜组122可以包括第一透镜1221和第二透镜1222，具体可以是凸透镜以构成望远镜结构，对脉冲激光器11所发出的脉冲信号进行汇聚扩大对待测目标监测距离，并对所接收的探测信号起到汇聚作用，便于收集信号。

可选地，第一透镜1221和第二透镜1222的表面设置有增透膜。

其中，在第一透镜1221和第二透镜1222的表面设置有增透膜，可以增加回波光束的在收发镜组的透过性，减弱探测信号强度的削弱效果，以获取更多的探测信号。

本发明实施例提供的高通量光子计数激光雷达成像装置，在结构上优化装置，具体对光束收发模块进行优化，在光束收发模块的收发镜组中的透镜表面设置增透膜可以增加回波光束的在收发镜组的透过性，减弱探测信号强度的削弱效果，以获取更多的探测信号，设置多个透镜构成望远镜结构对收发的光束分别由汇聚和发散的作用；所设计单站式光路以优化光传输路径，极大地降低背景噪声；此外，单站模式使得系统结构更加紧凑，体积更小，对不同距离处目标更易于瞄准，并避免共用光路部分光学元件的改变光路使得一些激光会沿着接收光路进入单光子探测器，对目标回波的探测造成影响。

继续参考图3，可选地，光束调节单元12还包括高品质二向色镜126，二向色镜126位于反射镜121与单光子探测器41之间；

高通量光子计数激光雷达成像装置还包括监测模块13，监测模块13用于接收二向色镜126输出的部分光束，该光束的波段不同于成像光信号波段。

其中，监测模块13可以通过光学传感器采用硬件和软件的方式对是否采集到探测信号可直观判断，以快速确定探测位置。具体实施时，检测模块13和二向色镜126之间还可以设置汇聚透镜127。

可选地，单光子探测器41包括串联型超导纳米线单光子探测器；

串联型超导纳米线单光子探测器包括多组超导纳米线，每组超导纳米线均并联有电阻，且多组超导纳米线相串联。

其中，超导纳米线可以置于低温环境下以提升超导效果，避免所检测信号在传导过程中的削弱。

可选地，探测模块还包括信号放大器，信号放大器连接与单光子探测器和时间相关单光子计数采集单元之间。

其中，信号放大器置于单光子探测器和时间相关单光子计数采集单元之间，将所采集的探测信号放大后传输至时间相关单光子计数采集单元，经软件基于如去噪消差算法等方法分析和计算。具体实施时，单光子探测器和信号放大器置于低温恒温器中，以提升稳定性，具体温度可以设置为1.5K。

可选地，扫描模块包括双轴正交扫描振镜。

其中，在大多数情况下，双轴正交扫描振镜高速来回沿轴旋转最高偏转角镜是+12.5°(+10°往往是一个较安全范围)入射角不能偏于45°。

可以理解的是，脉冲激光器11输出的脉冲激光依次经过穿孔反射镜121的穿孔、扫描模块20和收发镜组122的收发光路可设计为单站式光路以优化光传输路径传输至待测目标，待测目标返回的回波光束经过扫描模块20和反射镜121后传输至探测模块40中，在双轴正交扫描振镜高速来回沿轴旋转扫描下，通过控制模块调节光束的位置以扩大可扫描区域改变扫描位置；穿孔反射镜121与收发镜组122可设计单站式光路以优化光传输路径，也可以由其他组件设计成双站光路；经过准直镜组和汇聚镜组增强了光路的稳定性后，可由二向色镜126及监测模块13接收二向色镜126输出的部分光束以直接监测回波光束；经滤光片去除大量干扰，由单光子探测器41如串联型超导纳米线单光子探测器在低温条件下接收回波光束，经时间相关单光子计数采集单元42中光子数采集通道422采集至少两个不同光子数响应的探测信号，同时由同步信号采集通道421采集脉冲激光器11中相应的同步信号，根据对所采集的探测信号和同步信号分析并对待测目标成像。在高通量工作条件下，单光子探测器可实现多个回波光子的同时探测，经多通道时间相关单光子计数采集单元采集至少两个不同光子数响应的探测信号，提高回波信号的采集效率，极大地减少脉冲累积时间，实现了目标快速探测。值得注意的是，与双站光路模式相比，这种单站式光路的动态窄视场设计模式可以极大地降低背景噪声；此外，单站模式使得系统结构更加紧凑，体积更小，对不同距离处目标更易于瞄准。

图4为本发明实施例提供的一种高通量光子计数激光雷达成像方法的流程图。参考图4，该成像方法适用于上述任意一种高通量光子计数激光雷达成像装置，该成像方法包括：

S110、脉冲激光器出射脉冲激光，脉冲激光经过光束调节单元和扫描模块后传输至待测目标，待测目标返回的回波光束经过光束调节单元和扫描模块后传输至探测模块。

其中，在高通量条件下，单光子探测器接收到不同光子数的概率随入射光通量的变化而变化；对于平均光子数为μ的入射光脉冲，在其中测得光子数为k的概率服从泊松分布公式：

其中e为自然常数，在某一实施例中，时间相关单光子计数采集单元包括6个不同光子数响应的光子数采集通道，可以实现1～6个光子的分辨。脉冲激光器输出脉冲中的光子数服从泊松分布，例如，当入射光较弱，平均光子数不超过0.1个光子/脉冲时，绝大部分脉冲中的光子是单个光子，此时探测器的响应多为单光子响应，可能有少量的多光子响应。随着入射光功率的增强，脉冲中含有多个光子的概率越大，探测器产生多光子响应的概率也越高。

首先设置单光子探测器的偏置电流，通过调节激光器的衰减，就可以得到不同功率的入射光。在不同光功率下可以观测到多种不同的光子响应信号。将入射光的平均光子数设置在不同光子数/脉冲，然后利用高速示波器或时间相关单光子计数采集单元采集到对应的输出脉冲，分析示波器在荧光模式下采集的脉冲信号波形，来得到不同脉冲幅度的计数统计。一般会出现多个计数幅度峰值，分别对应于不同光子的响应，每个计数峰都可以用高斯分布拟合，从而得到不同入射光通量下的光子数分布图。根据各脉冲幅度对应的计数率高斯峰，对每一个计数峰进行积分就可以得到每一种响应光子数对应的计数率。或者也可以把读出端信号直接与计数器相连直接读取光子响应计数率。例如选取第n-1和第n个峰值的中间值作为计数器的阈值电压，就可以界定探测到≥n个光子的计数率，然后就可以得到探测到≥n个光子的计数率随不同光功率的关系。当入射光的平均功率低于单光子量级，每个脉冲的平均光子数μ远远小于1，此时≥n个光子的计数率应与ημ成正比，η是探测器的系统检测效率。

需要注意的是，可以将白炽灯或其他光源放在光路侧边来产生强背景噪声，观察不同入射光通量下光子数分布的影响规律，从而结合图像处理算法抑制背景噪声，来提高系统的探测性能。

与线性探测体制的传统激光雷达信号记录模式不同，光子计数雷达一般采用回波光子统计直方图方法提取信号。古德曼在对基于能量探测的激光雷达理论研究中发现，镜面目标的激光回波所产生的信号光电子服从泊松分布，而粗糙目标的激光回波所产生的信号光电子服从负二项分布。实际上目标表面通常为漫反射的粗糙面，在这种情况下，假定入射至光探测器的激光回波能量大小为W，则入射在在任意时间段内探测器产生k个信号光电子的无条件概率可由公式给出：

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式中p(W)为入射光能量的概率密度函数，条件概率P_S(k|W)满足泊松分布，具体为：

其中，v为光子频率，h和η_D分别为普朗克常数和光子探测效率。通常情况下，单光子探测器通常不具备光子数分辨能力，即只能区分出“有光”和“无光”两种互斥的状态。对于6光子数分辨的串联型超导纳米线单光子探测器，给定光子数k，需要分别计算恰好产生0、1、2、3、4、5、6个光子的概率，具体实施时可以根据实际情况选择。

S120、单光子探测器接收回波光束，时间相关单光子计数采集单元采集脉冲激光的同步信号以及至少两个不同光子数响应的探测信号。

其中，对应的至少两个不同光子数响应的探测信号可采用硬件和/或软件的方式进行提前标定进行设置。

S130、控制模块控制扫描模块改变脉冲激光输出的方向，以实现待测目标的扫描，时间相关单光子计数采集单元采集扫描过程中所有脉冲激光的同步信号以及至少两个不同光子数响应的探测信号。

其中，控制模块采用硬件和/或软件的方式对光束调节单元进行调节，对待测目标依次扫描。

S140、数据处理模块根据同步信号和探测信号，对待测目标成像。

其中，数据处理模块根据同步信号和探测信号采用硬件和/或软件的方式进行除噪后，对提前标定好的对应的至少两个不同光子数响应的探测信号进行成像。

可以理解的是，首先设置脉冲激光器的偏置电流，通过调节可调衰减器以得到不同功率的入射光，当在不同光功率的入射光下，可以采集到多种不同的光子响应信号；再拟将入射光的平均光子数设置在不同光子数/脉冲，然后利用时间相关单光子计数模块采集到对应的输出脉冲，并进行分析得到不同脉冲强度的计数统计。一般会出现多个计数强度峰值，分别对应于不同光子的响应，每个计数峰都可以用高斯分布拟合，从而得到不同入射光通量下的光子数分布图。根据各脉冲强度对应的计数率高斯峰，对每一个计数峰进行积分就可以得到每一种响应光子数对应的计数率；再重复上述操作可获得对应的至少两个不同光子数响应的探测信号，经数据处理模块根据同步信号和探测信号采用硬件和/或软件的方式去噪消差算法进行除噪后，对所对应的通道成像。

本发明实施例提供的高通量光子计数激光雷达成像方法，该方法通过脉冲激光器出射脉冲激光，脉冲激光经过光束调节单元和扫描模块后传输至待测目标，待测目标返回的回波光束经过光束调节单元和扫描模块后传输至探测模块；单光子探测器接收回波光束，时间相关单光子计数采集单元采集脉冲激光的同步信号以及至少两个不同光子数响应的探测信号；控制模块控制扫描模块改变脉冲激光输出的方向，以实现待测目标的扫描，时间相关单光子计数采集单元采集扫描过程中所有脉冲激光的同步信号以及至少两个不同光子数响应的探测信号；数据处理模块根据同步信号和探测信号，对待测目标成像。利用光子数分辨单光子探测器低死区时间和光子数分辨的独特优势，建立不同入射光通量下的回波光子统计模型，从而制定最优判别方案来提升高通量条件下的探测性能。从目标散射回来的光通过光路进行收集，接收到的回波脉冲信号聚焦到单光子探测器光敏面上，单次可获得至少两个不同光子数响应的探测信号以提高回波信号的采集效率，极大地减少脉冲累积时间，实现了目标快速探测。

另外，提取回波信号的光子数信息的时间相关单光子计数模块，可以根据时间相关单光子计数模块通过对回波信号分析所得的光子数信息基于去噪消差算法计算出目标发射端与接收端的距离。

基于上述实施例所提供的高通量光子计数激光雷达成像方法进行优化，在步骤数据处理模块根据同步信号和探测信号，对待测目标成像之后增设步骤为根据时间相关单光子计数模块通过对回波信号分析所得的光子数信息基于去噪消差算法计算出目标发射端与接收端的距离。图5为本发明实施例提供的另一种高通量光子计数激光雷达成像方法的流程图，参考图5，具体优化方法如下：

S210、脉冲激光器出射脉冲激光，脉冲激光经过光束调节单元和扫描模块后传输至待测目标，待测目标返回的回波光束经过光束调节单元和扫描模块后传输至探测模块。

S220、单光子探测器接收回波光束，时间相关单光子计数采集单元采集脉冲激光的同步信号以及至少两个不同光子数响应的探测信号。

S230、控制模块控制扫描模块改变脉冲激光输出的方向，以实现待测目标的扫描，时间相关单光子计数采集单元采集扫描过程中所有脉冲激光的同步信号以及至少两个不同光子数响应的探测信号。

S240、数据处理模块根据同步信号和探测信号，对待测目标成像。

S250、根据时间相关单光子计数模块通过对回波信号分析所得的光子数信息基于去噪消差算法计算出目标发射端与接收端的距离。

可以理解的是，首先设置脉冲激光器的偏置电流，通过调节可调衰减器以得到不同功率的入射光，当在不同光功率的入射光下，可以采集到多种不同的光子响应信号；再拟将入射光的平均光子数设置在不同光子数/脉冲，然后利用时间相关单光子计数模块采集到对应的输出脉冲，与计数器相连直接读取光子响应计数率。例如选取第n-1和第n个峰值的中间值作为计数器的阈值电压，就可以界定探测到不少于n个光子的计数率，然后就可以得到探测到不少于n个光子的计数率随不同光功率的关系。当入射光的平均功率低于单光子量级，每个脉冲的平均光子数μ远远小于1，此时不少于n个光子的计数率应与ημ成正比，η是探测器的系统检测效率；再重复上述操作可获得对应的至少两个不同光子数响应的探测信号，经数据处理模块根据同步信号和探测信号采用硬件和/或软件的方式去噪消差算法进行除噪后，对所对应的通道成像。

值得注意的是，可以将白炽灯或其他光源放在光路侧边来产生强背景噪声，观察不同入射光通量下光子数分布的影响规律，从而结合图像处理算法抑制背景噪声，来提高系统的探测性能。

可选地，在不同参数下，信号光子统计的描述可用泊松分布精确近似，进一步计算泊松分布假设，然后结合噪声的光子统计模型，以推导高通量条件下信噪比的提高，通过基于贝叶斯推论的马尔科夫链蒙特卡罗随机估计方法，来估计激光雷达回波信号中峰值位置(表达距离信息)、峰值大小(表达反射率信息)、峰值个数及噪声强度等，结合单光子成像处理算法来重构目标的三维图像。

本发明实施例所提供的一种光子计数激光雷达成像方法，通过脉冲激光器出射脉冲激光，脉冲激光经过光束调节单元和扫描模块后传输至待测目标，待测目标返回的回波光束经过光束调节单元和扫描模块后传输至探测模块；单光子探测器接收回波光束，时间相关单光子计数采集单元采集脉冲激光的同步信号以及至少两个不同光子数响应的探测信号；控制模块控制扫描模块改变脉冲激光输出的方向，以实现待测目标的扫描，时间相关单光子计数采集单元采集扫描过程中所有脉冲激光的同步信号以及至少两个不同光子数响应的探测信号；数据处理模块根据同步信号和探测信号，对待测目标成像；根据时间相关单光子计数模块通过对回波信号分析所得的光子数信息基于去噪消差算法计算出目标发射端与接收端的距离。通过单光子探测器连接以采集至少两个不同光子数响应的探测信号，在单次可获得至少两个不同光子数响应的探测信号下以提高回波信号的采集效率，极大地减少脉冲累积时间，实现了目标快速探测，对回波信号进行泊松分布假设，然后结合噪声的光子统计模型，估计激光雷达回波信号中峰值位置(表达距离信息)、峰值大小(表达反射率信息)、峰值个数及噪声强度等，结合单光子成像处理算法以精确重构目标的三维图像。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (11)

1.一种高通量光子计数激光雷达成像装置，其特征在于，包括光束收发模块、扫描模块、控制模块、探测模块和数据处理模块；

所述光束收发模块包括脉冲激光器和光束调节单元，所述脉冲激光器输出的脉冲激光经过所述光束调节单元和所述扫描模块后传输至待测目标，所述待测目标返回的回波光束经过所述光束调节单元和所述扫描模块后传输至所述探测模块；

所述控制模块与所述扫描模块连接，所述控制模块用于控制所述扫描模块改变所述脉冲激光输出的方向，以实现所述待测目标的扫描；

所述探测模块包括单光子探测器和时间相关单光子计数采集单元，所述单光子探测器具备光子数分辨能力，用于实现至少两个不同回波光子的同时探测，所述时间相关单光子计数采集单元包括同步信号采集通道和光子数采集通道，所述同步信号采集通道与所述脉冲激光器连接，用于采集所述脉冲激光的同步信号；所述光子数采集通道与单光子探测器连接，用于采集至少两个不同光子数响应的探测信号；

所述数据处理模块与所述时间相关单光子计数采集单元连接，用于根据所述同步信号和探测信号，对所述待测目标成像。

2.根据权利要求1所述的高通量光子计数激光雷达成像装置，其特征在于，所述光束调节单元包括穿孔反射镜、收发镜组和滤光片；

所述脉冲激光经过所述穿孔反射镜的穿孔透射至所述扫描模块，经过所述扫描模块调制后传输至所述收发镜组出射；所述待测目标返回的回波光束由所述收发镜组接收，经过所述扫描模块和所述穿孔反射镜反射，再经过所述滤光片后传输至所述单光子探测器。

3.根据权利要求2所述的高通量光子计数激光雷达成像装置，其特征在于，所述穿孔反射镜的穿孔的孔心与反射镜中心偏离。

4.根据权利要求2所述的高通量光子计数激光雷达成像装置，其特征在于，所述光束调节单元还包括准直镜组和汇聚镜组；

所述准直镜组位于所述脉冲激光器和所述穿孔反射镜之间，所述准直镜组包括至少一片准直透镜，所述脉冲激光经过所述准直镜组准直后传输至所述穿孔反射镜的穿孔；

所述汇聚镜组位于所述穿孔反射镜与所述单光子探测器之间，所述穿孔反射镜反射的回波光束经过所述汇聚镜组汇聚后传输至所述单光子探测器。

5.根据权利要求2所述的高通量光子计数激光雷达成像装置，其特征在于，所述收发镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和所述第二透镜构成望远镜结构；

所述第一透镜和所述第二透镜的表面设置有增透膜。

6.根据权利要求2所述的高通量光子计数激光雷达成像装置，其特征在于，所述光束调节单元还包括二向色镜，所述二向色镜位于所述穿孔反射镜与所述单光子探测器之间；

所述高通量光子计数激光雷达成像装置还包括监测模块，所述监测模块用于接收所述二向色镜输出的部分光束。

7.根据权利要求1所述的高通量光子计数激光雷达成像装置，其特征在于，所述单光子探测器包括串联型超导纳米线单光子探测器；

所述串联型超导纳米线单光子探测器包括多组超导纳米线，每组所述超导纳米线均并联有电阻，且多组所述超导纳米线相串联。

8.根据权利要求1所述的高通量光子计数激光雷达成像装置，其特征在于，所述探测模块还包括信号放大器，所述信号放大器连接与所述单光子探测器和所述时间相关单光子计数采集单元之间。

9.根据权利要求1所述的高通量光子计数激光雷达成像装置，其特征在于，所述扫描模块包括双轴正交扫描振镜。

10.根据权利要求1所述的高通量光子计数激光雷达成像装置，其特征在于，高通量满足：所述高通量光子计数激光雷达成像装置的光子计数总次数大于周期性激光脉冲总数的5％。

11.一种高通量光子计数激光雷达成像方法，其特征在于，适用于权利要求1～10任一所述的高通量光子计数激光雷达成像装置，所述高通量光子计数激光雷达成像方法包括：

脉冲激光器出射脉冲激光，所述脉冲激光经过光束调节单元和扫描模块后入射至待测目标，所述待测目标返回的回波光束经过所述光束调节单元和所述扫描模块后传输至探测模块；

单光子探测器接收所述回波光束，时间相关单光子计数采集单元采集所述脉冲激光的同步信号以及至少两个不同光子数响应的探测信号；

所述控制模块控制所述扫描模块改变所述脉冲激光输出的方向，以实现所述待测目标的扫描，所述时间相关单光子计数采集单元采集扫描过程中所有所述脉冲激光的同步信号以及至少两个不同光子数响应的探测信号；

数据处理模块根据所述同步信号和所述探测信号，对所述待测目标成像。

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