CN116148815A - 一种真随机编码单光子激光雷达及目标位置确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种真随机编码单光子激光雷达，应用于激光雷达技术领域，包括：混沌光源产生混沌信号，分束器将其分成两束，得到参考信号和探测信号，第一单光子探测器探测参考信号生成两路参考随机序列，信号处理模块采集一路参考随机序列，调制器利用另一路参考随机序列对探测信号进行调制得到真随机脉冲序列，光收发系统对真随机脉冲序列进行光学整型，得到整型后的光信号，并接收回波信号，第二单光子探测器探测回波信号生成回波随机序列，信号处理模块采集回波随机序列，并基于回波随机序列和一路参考随机序列互相关提取目标的位置信息。本发明还提供了一种目标位置确定方法，可克服当前伪随机数编码或真随机数编码带宽受限问题。

Description

一种真随机编码单光子激光雷达及目标位置确定方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种真随机编码单光子激光雷达及目标位置确定方法。
背景技术
近年来，脉冲编码单光子激光雷达已成为行业研究的热点。得益于单光子探测器对微弱信号的超高灵敏度，脉冲编码单光子激光雷达可以实现远距离高精度探测。与传统的直接脉冲单光子激光雷达相比，脉冲编码单光子激光雷达具有明显的优势：1)具有较强的抗干扰能力，高信噪比；2)可以克服距离模糊；3)无需多次累积，即可实现目标的高速探测与成像。脉冲编码按照码元性质可以分为两种：伪随机编码与真随机编码。常见的伪随机编码主要采用数学映射的方式通过信号发生器产生所需的随机码元，这种方式虽然可以实现较窄的码元宽度(高带宽)，但是成本较高。而且其产生的随机码元序列是可以预测的，在实际应用中抗串扰能力存在一定劣势。常见的真随机编码主要通过噪声源或电路产生，虽然其码元序列是不可预测的，属于完全物理随机，但是受限于电子瓶颈，其码元宽度较宽，码元带宽有限。最近有人提出用单光子探测器本身作真随机信号源，这种方式虽然可以有效克服单光子探测器死时间对系统测距性能的影响，但其本质仍然是一种噪声源。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种真随机编码单光子激光雷达及目标位置确定方法，旨在以上至少一个技术问题。
为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种真随机编码单光子激光雷达，包括：
混沌光源，用于产生混沌信号；
分束器，用于将所述混沌信号分成两束，得到参考信号和探测信号；
第一单光子探测器，用于探测所述参考信号，生成两路参考随机序列；
信号处理模块，用于采集所述两路参考随机序列中的一路参考随机序列；
调制器，利用所述两路参考随机序列中的另一路参考随机序列对所述探测信号进行调制，得到真随机脉冲序列；
光收发系统，用于对所述真随机脉冲序列进行光学整型，得到整型后的光信号，将所述光信号发射给目标，并接收经所述目标反射或漫散射后得到的回波信号；
第二单光子探测器，用于探测所述回波信号，生成回波随机序列；
所述信号处理模块，还用于采集回波随机序列，并基于所述回波随机序列和所述一路参考随机序列，通过互相关处理提取所述目标的位置信息。
在本发明一实施例中，所述光收发系统包括：
光学系统，用于对所述真随机脉冲序列进行光学整型得到发散角比所述混沌信号更小的光信号；
扫描装置，用于将所述光信号发射给目标，并接收经所述目标反射或漫散射后得到的回波信号；
所述光学系统，还用于对所述回波信号进行光学处理。
在本发明一实施例中，所述真随机编码单光子激光雷达还包括：
环形器，用于将所述回波信号汇聚于所述第二单光子探测器上。
在本发明一实施例中，所述混沌光源为散器件搭建的混沌光源或者片上集成的混沌光源。
在本发明一实施例中，所述参考随机序列为真随机序列。
在本发明一实施例中，所述基于所述回波随机序列和所述一路参考随机序列，实现所述目标的三维成像和/或探测包括：
将所述回波随机序列和所述一路参考随机序列做匹配滤波和互相关运算，实现所述目标的三维成像和/或探测。
在本发明一实施例中，令所述回波随机序列为b(n)和所述一路参考随机序列为a(n)，则互相关运算函数g(τ)为：
Figure BDA0004088533470000031
其中，R为所述目标的实际距离，R＝cτ/2，c为光速，τ为互相关运算函数g(τ)的峰值所对应的时间延迟，N为所述回波随机序列为b(n)和所述一路参考随机序列为a(n)中码元为1的个数。
在本发明一实施例中，所述光学系统为空间光或光纤链路。
在本发明一实施例中，所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器的相同。
本发明实施例第二方面提供一种目标位置确定方法，包括：
利用混沌光源产生混沌信号；
利用分束器将所述混沌信号分成两束，得到参考信号和探测信号；
利用第一单光子探测器探测所述参考信号，生成两路参考随机序列；
利用信号处理模块，用于采集所述两路参考随机序列中的一路参考随机序列；
通过调制器，利用所述两路参考随机序列中的另一路参考随机序列对所述探测信号进行调制，得到真随机脉冲序列；
利用光收发系统对所述真随机脉冲序列进行光学整型，得到整型后的光信号，将所述光信号发射给目标，并接收经所述目标反射或漫散射后得到的回波信号；
利用第二单光子探测器探测所述回波信号，生成回波随机序列；
利用该信号处理模块采集回波随机序列，并基于所述回波随机序列和所述一路参考随机序列，提取所述目标的位置信息。
从上述本发明实施例可知，本发明提供的真随机编码单光子激光雷达及目标位置确定方法，具有以下优点与积极效果：
1、混沌光源具有宽带、真随机特性，通过单光子探测输出的随机序列同样具有宽带、真随机特性，使得整个真随机编码单光子激光雷达的测量精度与抗干扰能力将得到大幅度提升；
2、由于生成的调制编码是通过混沌光源及单光子探测器共同产生的，所以所生成的真随机脉冲序列的脉冲间隔大于单光子探测器死时间，当单光子探测器对光脉冲响应时不会存在由于回波脉冲序列因为进入单光子探测器的死区内而不能被响应的问题，极大地提高了测距能力。
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，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为本发明一实施例提供的真随机编码单光子激光雷达的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的混沌光源产生的混沌信号的时域示意图；
图3为本发明一实施例提供的真随机编码单光子激光雷达测量原理示意图；
图4为本发明一实施例提供的目标位置确定方法的流程示意图。
具体实施方式
为使得本发明的申请目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明一实施例提供的真随机编码单光子激光雷达的结构示意图，该真随机编码单光子激光雷达包括混沌光源1、分束器2、第一单光子探测器7、信号处理模块9、调制器3、光收发系统和第二单光子探测器8。
混沌光源1，用于产生混沌信号。
分束器2，用于将该混沌信号分成两束，得到参考信号和探测信号。
第一单光子探测器7，用于探测该参考信号，生成两路参考随机序列。
信号处理模块9，用于采集所述两路参考随机序列中的一路参考随机序列；
调制器3，利用该两路参考随机序列中的另一路参考随机序列对该探测信号进行调制，得到真随机脉冲序列。
光收发系统10，用于对该真随机脉冲序列进行光学整型，得到整型后的光信号，将该光信号发射给目标，并接收经该目标反射或漫散射后得到的回波信号。
第二单光子探测器8，用于探测该回波信号，生成回波随机序列。
该信号处理模块9，还用于采集回波随机序列，并基于该回波随机序列和该一路参考随机序列通过互相关处理提取该目标的位置信息。
本实施例中，该的混沌激光光源用来产生宽带混沌激光，也即混沌信号，混沌激光具有真随机特征，被单光子探测器4探测后可以产生宽带真随机序列。图2是混沌激光的时域图可以看出混沌激光在时域上由类噪声的随机特性，图3是真随机编码单光子激光雷达产生参考随机序列与回波随机序列的过程以及测量原理。
信号处理模块9提取的目标位置信息包括目标的距离、角度、强度等信息，利用目标的位置信息可以通过空间坐标匹配、校准实现三维成像探测。信号处理模块9可以由时间相关单光子计数模块与后端处理电路组成。整个真随机编码单光子激光雷达系统可以集成化、片上化。
根据本发明实施例，采用宽带混沌光源1代替脉冲编码单光子激光雷达系统中的激光光源，混沌光源1产生的混沌信号被一分为二：参考信号与探测信号。能量占比小的参考信号通过第一单光子探测器7生成两路真随机序列，记为参考随机序列a(n)，利用生成的另一路参考随机序列对探测信号进行调制，得到真随机脉冲序列。真随机脉冲序列经光收发系统10发射出去后经目标反射或漫散射后得到的回波信号，回波信号由第二单光子探测器8探测生成真随机序列，记为回波随机序列b(n)。将一路参考随机序列a(n)与回波随机序列b(n)作互相关运算，实现目标位置信息的提取。此方案不仅解决了传统伪随机编码单光子激光雷达受探测器死时间影响，测距性能差的问题，并且彻底解决了距离模糊问题，具有天然的抗干扰能力与高信噪比特性。
在本发明一实施例中，该光收发系统10包括：光学系统5，用于对该真随机脉冲序列进行光学整型得到发散角比该混沌信号更小的光信号；扫描装置6，用于将该光信号发射给目标，并接收经该目标反射或漫散射后得到的回波信号；该光学系统5，还用于对该回波信号进行光学处理。
可选的，扫描装置6可以是机械也可以是固态的或者Flash结构。光学系统5可以是同轴也可以是分离的。
在本发明一实施例中，该真随机编码单光子激光雷达还包括：环形器4，用于将该回波信号汇聚于该第二单光子探测器8上。
在本发明一实施例中，该混沌光源1为散器件搭建的混沌光源或者片上集成的混沌光源。
在本发明一实施例中，该第一单光子探测器7内部集成由门控电路，该第一单光子探测器7仅在该门控电路为高电平时有电脉冲输出。
在本发明一实施例中，该基于该回波随机序列和该一路参考随机序列，实现该目标的三维成像和/或探测包括：将该回波随机序列和该一路参考随机序列做匹配滤波和互相关运算，实现该目标的三维成像和/或探测。
在本发明一实施例中，令该回波随机序列为b(n)和该一路参考随机序列为a(n)，则互相关运算函数g(τ)为：
Figure BDA0004088533470000071
其中，R为该目标的实际距离，R＝cτ/2，c为光速，τ为互相关运算函数g(τ)的峰值所对应的时间延迟，N为该回波随机序列为b(n)和该一路参考随机序列为a(n)中码元为1的个数。
在本发明一实施例中，该光学系统5为空间光或光纤链路。
在本发明一实施例中，该第一单光子探测器7和该第二单光子探测器8的相同。可选的，在实际应用中，第一单光子探测器7和第二单光子探测器8均可以是盖革模式雪崩探测器、超导纳米线探测器等单光子探测器。
其中，利用图1所示的真随机编码单光子激光雷达产生真随机物理序列的具体过程为：利用混沌光源1产生宽带混沌信号，此时能量占比较小的混沌信号(参考信号)直接被第一单光子探测器7接收，通过外加门控电路(集成在第一单光子探测器7输出电路内部)，第一单光子探测器7仅在门控电路为高电平时有电脉冲输出。由于混沌信号具有类噪声的物理随机特性，不同时刻幅度变化巨大。因此，在峰值或能量较大的时间戳，第一单光子探测器7响应输出为“1”的概率较大；相反，第一单光子探测器7响应输出为“0”的概率较大。这样就获得了码元为“0”或“1”的真随机序列，记为参考随机序列a(n)。
其中，探测信号被参考随机序列a(n)调制为真随机光脉冲序列，真随机光脉冲序列经过光收发系统10照射至目标，经目标反射或漫散射得到的回波信号由光收发系统10接收，经环形器4后由第二单光子探测8对其进行探测，输出的真随机序列记为回波随机序列b(n)。
请参阅图4，图4为本发明实施例提供的目标位置确定方法的流程示意图，该方法利用图1所示的真随机编码单光子激光雷达实现，该方法主要包括以下步骤：
S401、利用混沌光源产生混沌信号；
S402、利用分束器将混沌信号分成两束，得到参考信号和探测信号；
S403、利用第一单光子探测器探测该参考信号，生成两路参考随机序列；
S404、利用信号处理模块采集该两路参考随机序列中的一路参考随机序列；
S405、利用调制器通过该两路参考随机序列中的另一路参考随机序列对探测信号进行调制，得到真随机脉冲序列；
S406、利用光收发系统对该真随机脉冲序列进行光学整型，得到整型后的光信号，将该光信号发射给目标，并接收经该目标反射或漫散射后得到的回波信号；
S407、利用第二单光子探测器探测该回波信号，生成回波随机序列；
S408、利用该信号处理模块采集回波随机序列，并基于该回波随机序列和该一路参考随机序列，提取该目标的位置信息。
需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
该集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种真随机编码单光子激光雷达及目标位置确定方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种真随机编码单光子激光雷达，其特征在于，包括：
混沌光源，用于产生混沌信号；
分束器，用于将所述混沌信号分成两束，得到参考信号和探测信号；
第一单光子探测器，用于探测所述参考信号，生成两路参考随机序列；
信号处理模块，用于采集所述两路参考随机序列中的一路参考随机序列；
调制器，用于利用所述两路参考随机序列中的另一路参考随机序列对所述探测信号进行调制，得到真随机脉冲序列；
光收发系统，用于对所述真随机脉冲序列进行光学整型，得到整型后的光信号，将所述光信号发射给目标，并接收经所述目标反射或漫散射后得到的回波信号；
第二单光子探测器，用于探测所述回波信号，生成回波随机序列；
所述信号处理模块，还用于采集回波随机序列，并基于所述回波随机序列和所述一路参考随机序列，通过互相关处理提取所述目标的位置信息。
2.根据权利要求1所述的真随机编码单光子激光雷达，其特征在于，所述光收发系统包括：
光学系统，用于对所述真随机脉冲序列进行光学整型得到发散角比所述混沌信号更小的光信号；
扫描装置，用于将所述光信号发射给目标，并接收经所述目标反射或漫散射后得到的回波信号；
所述光学系统，还用于对所述回波信号进行光学处理。
3.根据权利要求1或2所述的真随机编码单光子激光雷达，其特征在于，所述真随机编码单光子激光雷达还包括：
环形器，用于将所述回波信号汇聚于所述第二单光子探测器上。
4.根据权利要求1所述的真随机编码单光子激光雷达，其特征在于，所述混沌光源为散器件搭建的混沌光源或者片上集成的混沌光源。
5.根据权利要求1所述的真随机编码单光子激光雷达，其特征在于，所述参考随机序列为真随机序列。
6.根据权利要求1所述的真随机编码单光子激光雷达，其特征在于，所述基于所述回波随机序列和所述一路参考随机序列，实现所述目标的三维成像和/或探测包括：
将所述回波随机序列和所述一路参考随机序列做匹配滤波和互相关运算，实现所述目标的三维成像和/或探测。
7.根据权利要求6所述的真随机编码单光子激光雷达，其特征在于，令所述回波随机序列为b(n)和所述一路参考随机序列为a(n)，则互相关运算函数g(τ)为：
Figure FDA0004088533440000021
其中，R为所述目标的实际距离，R＝cτ/2，c为光速，τ为互相关运算函数g(τ)的峰值所对应的时间延迟，N为所述回波随机序列为b(n)和所述一路参考随机序列为a(n)中码元为1的个数。
8.根据权利要求1所述的真随机编码单光子激光雷达，其特征在于，所述光学系统为空间光或光纤链路。
9.根据权利要求1所述的真随机编码单光子激光雷达，其特征在于，所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器的死区时间可以相同，也可以不同死区时间。
10.一种目标位置确定方法，其特征在于，包括：
利用混沌光源产生混沌信号；
利用分束器将所述混沌信号分成两束，得到参考信号和探测信号；
利用第一单光子探测器探测所述参考信号，生成两路参考随机序列；
利用信号处理模块采集所述两路参考随机序列中的一路参考随机序列；
利用调制器通过所述两路参考随机序列中的另一路参考随机序列对所述探测信号进行调制，得到真随机脉冲序列；
利用光收发系统对所述真随机脉冲序列进行光学整型，得到整型后的光信号，将所述光信号发射给目标，并接收经所述目标反射或漫散射后得到的回波信号；
利用第二单光子探测器探测所述回波信号，生成回波随机序列；
利用该信号处理模块采集回波随机序列，并基于所述回波随机序列和所述一路参考随机序列，提取所述目标的位置信息。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117949927A (zh) * 2024-03-27 2024-04-30 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于单光子的天基空间碎片定位方法、系统、介质及设备

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