CN116125436A - 一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置及单光子雷达 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光雷达技术领域，提出了一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置及单光子雷达，该集成化同轴收发装置采用一个凸透镜即实现了激光信号的发射与接收，且所采用的器件少，空间利用率高，并利用单光子探测技术可以感知微弱光信号的特性，无需扩大接收透镜的面积，使得雷达的系统结构紧凑，光路实现简洁，集成化程度高，更加便于车载、机载的移动使用。

Description

一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置及单光子雷达

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置及单光子雷达。

背景技术

近年来，随着机械自动化和人工智能技术的应用普及，激光雷达所扮演的角色愈发重要，诸如地理测绘、数字城市、自动驾驶、无人机等领域都需要激光雷达辅助完成相关的探测任务。在车载、机载激光雷达的使用中，除了考虑雷达的探测距离、分辨率等指标，还需要特别注重其便携性。然而，质量轻体积小的雷达通常也意味着激光的发射功率较低，信号收发装置的有效面积较小，从而导致低回波信号的信噪比降低，进而引发雷达探测误差增大甚至失灵。

现有的激光雷达收发装置大致包括三种，如图1所示。第一种是双轴收发，发射镜与接收镜彼此分离形成一定角度，发射光路与接收光路也存在相应的角度，这种装置体积较大且在探测时需要考虑角度修正问题，导致探测深度分辨率降低；第二种是相邻式的单轴收发，发射镜与接收镜紧密相邻并可同步旋转，发射光路与接收光路始终保持平行，相比于第一种，这种装置体积有所减小；第三种是环绕式的同轴收发，发射镜嵌套于接收镜的中心开孔位置处，发射光路与接收光路完全共轴，体积进一步减小，但是在镜片中心进行开孔会造成生产的良品率降低而间接提高生产成本。此外，为了能够捕获更多的有效回波信号，特别是在远距离、有遮挡等弱光探测的应用场景，接收镜的面积往往需要成倍扩大，这给车载、机载带来不便。

发明内容

鉴于现有的激光雷达收发装置存在以上不足之处，本发明提供一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置及单光子雷达，所述集成化同轴收发装置中激光信号的发射与接收共用一个透镜，具有体积小且易于车载、机载移动使用的特点，而且其利用单光子探测技术，显著增强了对于弱光感知的敏感度，不必成倍扩大接收镜的面积。具体技术方案如下：

一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置，包括机械旋转座31、光纤环形器32、收发透镜33和MEMS振镜34；

所述光纤环形器32、收发透镜33和MEMS振镜34均设置于机械旋转座31的可旋转的顶面311上，所述光纤环形器32中集成有三个端口，其中，第一端口321输入来自激光器2的激光，第三端口323用于输出回波信号，第二端口322位于收发透镜33的焦点位置，所述MEMS振镜34位于收发透镜33的中心轴线上。

优选的，所述光纤环形器32中，第一端口321输入的激光仅能从第二端口322输出，第二端口322输入的激光仅能从第三端口323输出，且两条光通路均不可逆，从第二端口同时输入、输出的激光互不影响，由第三端口输入的激光被阻断。

优选的，所述第二端口322输出的激光经收发透镜33扩束准直后射向MEMS振镜34，经MEMS振镜34发射照射待测目标7，待测目标7将部分激光反射回MEMS振镜34，经MEMS振镜34反射至收发透镜33，由发透镜33聚焦耦合输入光纤环形器32的第二端口322，并从第三端口323输出。

优选的，所述MEMS振镜34的镜面法向与收发透镜33射出激光的夹角为15°~60°。

优选的，所述用于单光子雷达的集成化同轴收发装置还包括发光凹面镜35，所述收发透镜33和所述发光凹面镜35分别位于所述MESM振镜34的镜面法向两侧，且所述收发透镜33位于反光凹面镜35的主光轴上。

优选的，所述光纤环形器32和收发透镜33通过透光通道36连接，透光通道36的一端连接第二端口322，另一端固定收发透镜33。

优选的，所述机械旋转座31的顶面311采用非磁性材料，且设有用于容纳光纤环形器32的环形槽312。

本发明还提供一种单光子雷达，包括时间相关单光子计数模块1、激光器2、同轴收发装置3、上位机4、单光子探测器5和滤光模块6；

其中所述激光器2分别与同轴收发装置3和时间相关单光子计数模块1相连，将所产生的激光脉冲信号输出至同轴收发装置3的第一端口321，产生的电脉冲信号输出至时间相关单光子计数模块1；

所述滤光模块6的输入端口与同轴收发装置3的第三端口323连接，输出端口与单光子探测器5连接；

所述单光子探测器5的输入端口与滤光模块6连接，输出端口与时间相关单光子计数模块1连接；

所述时间相关单光子计数模块1具有两个输入端口和一个输出端口，第一输入端口与激光器2连接，第二输入端口与单光子探测器5连接，输出端口与上位机4连接；

所述上位机4的输入端口与时间相关单光子计数模块1连接，根据时间相关单光子计数模块1传输的计时数据，计算待测目标7的距离。

本发明还提出了一种基于单光子雷达的探测方法，包括以下步骤：

S1：控制机械旋转座31的顶面311转动，使激光出射方向对准待测目标；

S2：激光器2产生同步的激光脉冲信号和电脉冲信号；

S3：电脉冲信号输入时间相关单光子计数模块1，触发时钟开始计时；

S4：激光脉冲信号由光纤环形器32的第一端口321输入，从第二端口322输出，并经收发透镜33扩束准直，入射到MEMS振镜34上；

S5：激光经MEMS振镜34反射照射到待测目标7，又被待测目标7反射回MEMS振镜34，被MEMS振镜34反射至收发透镜33，经收发透镜33聚焦耦合输入光纤环形器32的第二端口322，并从第三端口323输出到滤光模块6；

S6：滤光模块6过滤掉回波信号中与激光器2发射激光光谱不符的背景噪声，并将过滤后的回波信号输出到单光子探测器5；

S7：单光子探测器5将回波信号中的激光光子转换为电脉冲信号，并输出至时间相关单光子计数模块1，触发步骤S2中的时钟计时结束，获得计时数据并传输至上位机；

S8：通过调整MEMS振镜34的反射角度，移动激光扫描点到下一位置，重复步骤S3至步骤S7，直至对待测目标7完成全覆盖扫描。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置，该集成化同轴收发装置整体所需器件少，使用时，激光信号的发射与接收仅共用一个透镜，且利用单光子探测技术可以感知微弱光信号的特性，无需扩大透镜的面积，使得单光子激光雷达的结构更加紧凑，集成化程度更高，便于车载、机载的移动使用。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，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，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的三种激光雷达收发装置；

图2为本发明的用于单光子雷达的集成化同轴收发装置的结构示意图；

图3为图2中用于单光子雷达的集成化同轴收发装置的主视图；

图4为图2中用于单光子雷达的集成化同轴收发装置的俯视图；

图5为本发明的采用集成化同轴收发装置的单光子雷达组成示意图。

图中附图标记含义为：1时间相关单光子计数模块，2激光器，3同轴收发装置，4上位机，5单光子探测器，6滤光模块，7待测目标，31机械旋转座，32光纤环形器，33收发透镜，34MEMS振镜，35反光凹面镜，36透光通道，311顶面，312环形槽，313第一支架，314第二支架，321第一端口，322第二端口，323第三端口，351反光凹面镜的焦点。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图2示出了一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置，其主视图如图3所示。该集成化同轴收发装置包括机械旋转座31、光纤环形器32、收发透镜33、MEMS振镜34和反光凹面镜35；所述光纤环形器32、收发透镜33、MEMS振镜34和反光凹面镜35均设置于机械旋转座31的可旋转的顶面311上；

其中，机械旋转座31为圆柱体或椭圆柱体，机械旋转座31的底面和侧面固定不动，仅顶面311可进行360°顺时针或逆时针旋转。机械旋转座31内部封装有用于控制顶面311旋转的可拆卸机械件和电路，内部封装体在使用过程中不可拆卸，拆卸仅作维护使用。机械旋转座31的顶面311采用非磁性材料，避免对MEMS振镜34造成磁力影响。

顶面311还设置有曲率半径不小于5cm的向内凹陷的环形槽312，用于盘绕光纤环形器32的光纤，对曲率半径的限制要求是因为如果曲率半径过小会导致光纤受到的应力过大，可能影响光的传输。顶面311还设置有两个垂直于顶面的第一支架313和第二支架314，同样采用非磁性材料，分别用于安装固定在透光通道36和MEMS振镜34。

所述光纤环形器32中集成有三个端口，可采用FC/APC接头。其中，第一端口321输入来自激光器2的激光，第三端口323用于输出回波信号，第二端口322位于收发透镜33的焦点位置。并且第一端口321输入的激光仅能从第二端口322输出，第二端口322输入的激光仅能从第三端口323输出，且两条光通路均不可逆，从第二端口322同时输入、输出的激光互不影响，由第三端323口输入的激光被阻断。

收发透镜33可采用镀有增透膜的凸透镜，通过透光通道36安装在光纤环形器32的第二端口322下游，第二端口322输出的激光经收发透镜33扩束准直后射向MEMS振镜34，经MEMS振镜34发射照射待测目标7，待测目标7将部分激光反射回MEMS振镜34，经MEMS振镜34反射至收发透镜33，由发透镜33聚焦耦合输入光纤环形器32的第二端口322，并从第三端口323输出。

所述MEMS振镜34位于收发透镜33的中心轴线上，使得从收发透镜33出射的激光能够照射到MEMS振镜34的镜面中心位置，且镜面法向与收发透镜33射出激光应呈一定角度，如图4中的角 θ所示，以15°~60°为佳。

反光凹面镜35为可选择安装项，设置在紧临MEMS振镜34旁边且与收发透镜33分别居于MESM振镜34的镜面法向两侧，并使收发透镜33在反光凹面镜35的主光轴上，位于反光凹面镜的焦点351之前3cm~5cm为宜，可用于扩大回波信号的收集范围，也可防止聚焦时能量密度过大损坏某些器件，但同时也会造成探测的深度分辨率均方差增大1cm~5cm，一般的在近距离探测时无需使用。

所述光纤环形器32和所述收发透镜33可选择中空的圆柱体透光通道36连接。透光通道36的一端可选择为FC/APC接头，用于连接同样为FC/APC接头的光纤环形器32第二端口322，而透光通道36的另一端则带有内圈螺纹，用于连接预先固定在带有外圈螺纹的透镜安装座中的收发透镜33，调节螺纹对接旋转的松紧度，可控制收发透镜33与光纤环形器32第二端口322之间的距离，使此距离等于收发透镜33的焦距。

此外，本发明还提出了一种采用上述集成化同轴收发装置的单光子雷达，如图5所示，具体包括时间相关单光子计数模块1、激光器2、同轴收发装置3、上位机4、单光子探测器5和滤光模块6；

所述激光器2分别与同轴收发装置3和时间相关单光子计数模块1相连，将所产生的激光脉冲信号输出至同轴收发装置3的第一端口321，产生的电脉冲信号输出至时间相关单光子计数模块1；所述滤光模块6的输入端口与同轴收发装置3的第三端口323连接，输出端口与单光子探测器5连接；所述单光子探测器5的输入端口与滤光模块6连接，输出端口与时间相关单光子计数模块1连接；所述时间相关单光子计数模块1具有两个输入端口和一个输出端口，第一输入端口与激光器2连接，第二输入端口与单光子探测器5连接，输出端口与上位机4连接；所述上位机4的输入端口与时间相关单光子计数模块1连接，根据时间相关单光子计数模块1传输的计时数据，计算待测目标7的距离。

其中，所述滤光模块6可选择长通滤光片和带通滤光片，其中长通滤光片可滤除波长小于激光光谱的回波噪声，带通滤波片仅允许激光光谱范围内的光通过，这样最终通过滤光模块6的光基本都是激光器2主动发射的探测激光。

上位机采用以下公式计算待测目标的距离：

其中， c为光速，为当前激光扫描方位光子往返飞行的时间，由时间相关单光子计数模块1提供。

另一方面，本发明还提出了一种基于单光子雷达的探测方法，包括以下步骤：

S1：控制机械旋转座31的顶面311转动，使激光出射方向对准待测目标；

S2：激光器2产生同步的激光脉冲信号和电脉冲信号；

S3：电脉冲信号输入时间相关单光子计数模块1，触发时钟开始计时；

S4：激光脉冲信号由光纤环形器32的第一端口321输入，从第二端口322输出，并经收发透镜33扩束准直，入射到MEMS振镜34上；

S5：激光经MEMS振镜34反射照射到待测目标7，又被待测目标7反射回MEMS振镜34，被MEMS振镜34反射至收发透镜33，经收发透镜33聚焦耦合输入光纤环形器32的第二端口322，并从第三端口323输出到滤光模块6；

S6：滤光模块6过滤掉回波信号中与激光器2发射激光光谱不符的背景噪声，并将过滤后的回波信号输出到单光子探测器5；

S7：单光子探测器5将回波信号中的激光光子转换为电脉冲信号，并输出至时间相关单光子计数模块1，触发步骤S2中的时钟计时结束，获得计时数据并传输至上位机；

S8：通过调整MEMS振镜34的反射角度，移动激光扫描点到下一位置，重复步骤S3至步骤S7，直至对待测目标7完成全覆盖扫描。

本实施例提供的集成化同轴收发装置及单光子雷达，所需器件数少，激光信号的发射与接收仅采用一个凸透镜实现，空间利用率高，且利用单光子探测技术可以感知微弱光信号的特性，无需扩大接收透镜的面积，使得雷达的系统结构紧凑，光路实现简洁，集成化程度高，更加便于车载、机载的移动使用。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、 “上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置，其特征在于，包括机械旋转座、光纤环形器、收发透镜和MEMS振镜；

所述光纤环形器、收发透镜和MEMS振镜均设置于机械旋转座的可旋转的顶面上，所述光纤环形器中集成有三个端口，其中，第一端口输入来自激光器的激光，第三端口用于输出回波信号，第二端口位于收发透镜的焦点位置，所述MEMS振镜位于收发透镜的中心轴线上。

2.根据权利要求1所述的集成化同轴收发装置，其特征在于，所述光纤环形器中，第一端口输入的激光仅能从第二端口输出，第二端口输入的激光仅能从第三端口输出，且两条光通路均不可逆，从第二端口同时输入、输出的激光互不影响，由第三端口输入的激光被阻断。

3.根据权利要求1所述的集成化同轴收发装置，其特征在于，所述第二端口输出的激光经收发透镜扩束准直后射向MEMS振镜，经MEMS振镜发射照射待测目标，待测目标将部分激光反射回MEMS振镜，经MEMS振镜反射至收发透镜，由发透镜聚焦耦合输入光纤环形器的第二端口，并从第三端口输出。

4.根据权利要求1所述的集成化同轴收发装置，其特征在于，所述MEMS振镜的镜面法向与收发透镜射出激光的夹角为15°~60°。

5.根据权利要求1所述的集成化同轴收发装置，其特征在于，所述用于单光子雷达的集成化同轴收发装置还包括发光凹面镜，所述收发透镜和所述发光凹面镜分别位于所述MESM振镜的镜面法向两侧，且所述收发透镜位于反光凹面镜的主光轴上。

6.根据权利要求1所述的集成化同轴收发装置，其特征在于，所述光纤环形器和收发透镜通过透光通道连接，透光通道的一端连接第二端口，另一端固定收发透镜。

7.根据权利要求1所述的集成化同轴收发装置，其特征在于，所述机械旋转座的顶面采用非磁性材料，且设有用于容纳光纤环形器的环形槽。

8.一种装载权利要求1-7任一项所述集成化同轴收发装置的单光子雷达，其特征在于，包括时间相关单光子计数模块、激光器、同轴收发装置、上位机、单光子探测器和滤光模块；

其中所述激光器分别与同轴收发装置和时间相关单光子计数模块相连，将所产生的激光脉冲信号输出至同轴收发装置的第一端口，产生的电脉冲信号输出至时间相关单光子计数模块；

所述滤光模块的输入端口与同轴收发装置的第三端口连接，输出端口与单光子探测器连接；

所述单光子探测器的输入端口与滤光模块连接，输出端口与时间相关单光子计数模块连接；

所述时间相关单光子计数模块具有两个输入端口和一个输出端口，第一输入端口与激光器连接，第二输入端口与单光子探测器连接，输出端口与上位机连接；

所述上位机的输入端口与时间相关单光子计数模块连接，根据时间相关单光子计数模块传输的计时数据，计算待测目标的距离。

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