CN117908046A - 一种时分复用成像激光雷达探测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时分复用成像激光雷达探测系统和方法，该激光雷达探测系统包括收发装置、延时装置、探测装置和数据处理装置，其中的延时装置包括输入光纤阵列和延时光纤阵列，对应于探测目标不同位置的回波信号被输入光纤阵列中不同的第一光纤接收，形成的像素信号经过延时光纤阵列在时域上分离，同时其中的探测装置采用单像素探测器。由此，该激光雷达探测系统能够通过单一波长激光、单像素探测器和单通道采集卡对获得的不同像素进行探测，从而实现非扫描情况下的目标成像，提高了激光雷达探测回波信号的信噪比，并降低了系统复杂性。

Description

一种时分复用成像激光雷达探测系统和方法

技术领域

本发明涉及激光雷达探测技术领域，具体涉及一种时分复用成像激光雷达探测系统和方法。

背景技术

激光雷达技术在大气和海洋遥感、激光测绘、温室气体监测以及自动驾驶等多个领域迅猛发展。成像激光雷达，以其快速响应、三维信息获取能力和远距离探测优势，在多个领域发挥着重要作用。这种技术不仅在地形测绘和环境监测中提供高精度数据，也在城市规划、交通管理、灾害预警、农林业应用、考古学研究、气候变化监测以及自动驾驶技术中扮演着关键角色。

在成像激光雷达中，为了实现三维成像的通常使用机械扫描器或光学相控阵进行光束扫描，但这种方法的成像速度较低，难以满足需要。为了提高成像速度，现有技术中提出了使用多激光束和多像素探测器构造成像激光雷达，但该种激光雷达的系统复杂性较高。为解决上述问题，现有技术中还提出了基于频分复用的解决方案，通过对不同重复频率的激光器或不同波长的激光器进行复用，从而仅用单像素探测器实现多光束的成像。然而，这些方案通常需要多个波长来实现，例如通过在激光雷达发射器上使用光开关来在不同波长激光之间进行切换，然而多波长要求多带宽的滤波器，这带来激光雷达系统的背景噪声抑制困难和系统复杂性的增加。

发明内容

本发明的目的在于克服背景技术中存在的上述缺陷或问题，提供一种时分复用成像激光雷达探测系统和方法，该系统能够通过单一波长对激光雷达探测获得的不同像素进行成像，提高了激光雷达探测回波信号的信噪比，并降低了系统复杂性。

为达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一技术方案：收发装置，其发出探测激光至探测目标并接收对应的回波信号；

延时装置，其包括输入光纤阵列和延时光纤阵列；所述输入光纤阵列包括若干紧密排布的第一光纤，所述延时光纤阵列包括与各第一光纤一一连接的第二光纤，各第二光纤的长度依次增加；所述回波信号进入所述输入光纤阵列时，对应于探测目标不同位置的回波信号被不同的所述第一光纤接收，并形成对应的像素信号传输至所述延时光纤阵列，以将各所述像素信号在时域上分离；探测装置，其包括耦合光纤阵列和单像素探测器；所述耦合光纤阵列将时域上分离的各像素信号耦合为待测信号；所述单像素探测器接收所述待测信号并输出电信号；和数据处理装置，其对所述单像素探测器输出的电信号进行采集以得到探测目标的探测结果。

第二技术方案，其基于第一技术方案：所述回波信号在进入所述延时装置之前进行滤波，或进入所述单像素探测器之前对所述像素信号进行滤波，以滤除背景噪声。

第三技术方案，其基于第一技术方案：所述回波信号进入所述输入光纤阵列时，回波信号覆盖各所述第一光纤的输入端，以通过各所述第一光纤将回波信号分离为多个像素信号；每一所述第一光纤用于传输一所述像素信号。

第四技术方案，其基于第一技术方案：每一所述第一光纤在所述输入光纤阵列中的位置与其所连接的所述第二光纤的长度对应，以确定时域上分离的各像素信号所对应的探测目标的具体位置。

第五技术方案，其基于第一技术方案：所述延时光纤阵列包括多组，每组均包括若干长度依次增加的第二光纤，且每组延时光纤阵列对应连接至一耦合光纤阵列和一单像素探测器；所述输入光纤阵列中，所有第一光纤的数量与多组延时光纤阵列中所有的第二光纤的数量一致，并根据每组延时光纤阵列中各第二光纤的长度，由短至长分组排序。

第六技术方案，其基于第四技术方案：所述输入光纤阵列中各第一光纤堆积成簇，且各第一光纤按照其所连接的第二光纤的长度由短至长排序；在所述输入光纤阵列的一个横截面上，各第一光纤按照各自的序号由小到大沿第一方向逐个排布，并在到达边缘位置时折返并仍逐个排布。

第七技术方案，其基于第六技术方案：所述输入光纤阵列的横截面由各所述第一光纤堆积形成的边缘形状为多边形、圆形或椭圆形。

第八技术方案，其基于第一技术方案：所述收发装置包括激光生成器、探测激光生成模块和发射接收模块；所述激光生成器用于产生脉冲激光；所述探测激光生成模块引入所述脉冲激光，并输出特定波长的探测激光；所述发射接收模块向探测目标发出探测激光，并接收探测激光的回波信号；所述发射接收模块包括用于接收回波信号的光学望远镜，所述输入光纤阵列位于该光学望远镜的焦点位置。

第九技术方案，其基于第一技术方案：所述延时光纤阵列中，第二光纤的延时长度根据探测系统与探测目标的距离以及不同像素信号所对应的探测目标的不同位置之间的深度差异确定。

此外，本发明还提供第十技术方案：一种时分复用成像激光雷达探测方法，其通过如上述第一至第九技术方案所述的时分复用成像激光雷达探测系统对探测目标进行探测，其包括：发射探测激光至探测目标，并接收对应的回波信号；回波信号经滤波后得到对应的回波信号；回波信号分离为多个像素信号，并使各像素信号在时域上分离；各所述像素信号包括的像素信息对应于探测目标的不同位置；时域上分离的各像素信号耦合为待测信号，并通过单像素探测器进行探测后，经处理和分析得到探测目标的探测结果。

由上述对本发明的描述可知，相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

在第一技术方案中，本发明提供的时分复用成像激光雷达探测系统，设置有收发装置、延时装置、探测装置和数据处理装置；其中的延时装置设置有输入光纤阵列和延时光纤阵列，收发装置发出探测激光后，接收回波信号，回波信号可进入到输入光纤阵列，输入光纤阵列中紧密排布的第一光纤会将回波信号分离为多个像素信号，各个像素信号包括对像素信息对应于探测目标的不同位置，之后该些像素信号通过延时光纤阵列在时域上进行分离，使得各个像素信号能够按照时间顺序依次地通过耦合光纤阵列形成待测信号，待测信号传输至探测装置中的单像素探测器，单像素探测器具有较大的成像面积，其在接收到各个像素信号后，输出对应的电信号，再通过数据处理装置对电信号进行处理和分析得到相应的探测结果。

该激光雷达探测系统，可使用单波长的探测激光对探测目标进行探测，仅需要使用单波长的滤波器即可实现对背景噪声的消除，相对于多波长激光雷达系统，其可有效降低背景噪声抑制的困难度，提高回波信号提取的信噪比，简化光接收系统；同时，采用单像素探测器，可有效降低系统整体复杂度，并可高效地从光学阵列中采集信号。因此，该激光雷达探测系统能够通过单一波长激光、单像素探测器和单通道采集卡对获得的不同像素进行探测，从而实现非扫描情况下的目标成像。

在第二技术方案中，可在回波信号进入延时装置之前，也就是在收发装置的位置处进行滤波，也可以在回波信号进入单像素探测器之前进行滤波，也就是在单像素探测器和耦合光纤阵列之间的位置进行滤波，这两种方式均可有效地滤除回波信号中的背景噪声，使得探测得到的探测结果更为准确，并且滤波使用的滤波器可使用单波长的滤波器，有效降低了背景噪声抑制的困难度，提高了回波信号提取的信噪比，简化了光接收系统。

在第三技术方案中，令回波信号覆盖输入光纤阵列的输入端，可使得输入光纤阵列能够尽可能地获取回波信号所携带的探测信息，并可使输入光纤阵列中的各第一光纤传输对应探测目标不同位置的像素信号。

在第四技术方案中，每个第一光纤的位置与其连接的第二光纤的长度对应，从而可确定各像素信号对应的探测目标的具体位置，由此将各像素信号之间的空间上的关系，转换为时间上的次序关系，在数据处理模块进行处理时，可将时间上的次序关系还原为空间上的成像，以保证对探测目标的成像不会失真；同时，输入光纤阵列中的各第一光纤相互隔绝，可大大降低各像素信号之间的隔离电平，避免像素信号之间互相干扰。

在第五技术方案中，设置多组延时光纤阵列，并对应各组延时光纤阵列重新排序输入光纤阵列中的第一光纤，通过该技术手段，可提高该激光雷达探测系统的成像效率；对于具有较大视野的探测激光，其回波信号对应的探测范围较大，若使用一组延时光纤阵列，则为了保证输入光纤阵列的视野总和能够与回波信号的探测范围基本对应，会使得延时光纤阵列中第二光纤的数量过多，最终长度最长的第二光纤的长度会过长；而使用多组延时光纤阵列，可保证每组延时光纤阵列中长度最长的第二光纤的长度在可控范围内，同时通过对应的多个单像素探测器进行探测，也可进一步降低系统整体复杂度。

在第六技术方案中，设置输入光纤阵列中各第一光纤的排布方式，该种迂回排布的方式，可以让每个第一光纤按照序号依次排列，且序号相邻的第一光纤在空间中的位置也相邻，便于数据处理装置确定各个像素信号所对应的空间上的位置。

在第七技术方案中，设置输入光纤阵列中由第一光线所形成的横截面边缘的形状，该形状可为多边形、圆形或椭圆形，该形状可对应探测目标的具体形态进行设置，以更大限度地获取到回波信号中的相关信息。

在第八技术方案中，令输入光纤阵列位于发射接收单元中用于接收回波信号的光学望远镜的焦点位置中，可保证回波信号较为完整地覆盖输入光纤阵列中各第一光纤的输入端，使回波信号进入输入光纤阵列并分离形成像素信号时，该些像素信号能够对应于探测激光视野的大部分位置。

在第九技术方案中，可根据探测目标的距离以及不同像素信号之间的深度差异，确定第二光纤的延时长度，从而保证该激光雷达探测系统的成像分辨率满足要求。

在第十技术方案中，提供一种时分复用成像激光雷达探测方法，其可通过上述的激光雷达探测系统，对探测目标进行探测，并具有回波信号提取信噪比高、探测效率高、成像速度快的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，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1提供的时分复用成像激光雷达探测系统的模块示意图；

图2为本发明实施例2提供的时分复用成像激光雷达探测系统的模块示意图。

图3为图2中输入光纤阵列的截面结构示意图；

图4为图2中延时光纤阵列的截面示意图；

图5为本发明实施例2提供的时分复用实验的结果图示；

图6为本发明实施例2提供的成像实验的结果图示1；

图7为本发明实施例2提供的成像实验的结果图示2；

图8为本发明实施例2提供的成像实验的结果图示3；

图9为本发明实施例2提供的成像实验的结果图示4。

主要附图标记说明：

激光生成器11；探测激光生成模块12；激光发射器13；光学望远镜14；

输入光纤阵列21；延时光纤阵列22；

耦合光纤阵列31；单像素探测器32；时间数字转换器33；函数发生器34；

数据处理装置40。

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，所描述的实施例是本发明的优选实施例，且不应被看作对其他实施例的排除。基于本发明实施例，本领域的普通技术人员在不作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。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，对于方位词，如使用术语“中心”、“横向”、“纵向”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位或位置关系乃基于附图所示的方位和位置关系，且仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作，所以也不能理解为限制本发明的具体保护范围。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。

实施例1：

参照图1，本发明实施例提供一种时分复用成像激光雷达探测系统，该激光雷达探测系统主要包括：收发装置、延时装置、探测装置和数据处理装置40。

其中，收发装置用于发出探测激光至探测目标并接收对应的回波信号。为实现上述功能，该收发装置包括激光生成器11、探测激光生成模块12和发射接收模块。其中，探测激光的波长为紫外波长到红外波长，当其应用于水下目标成像时，优先采用蓝绿波段，当其应用于空气中的目标时，优先采用红外波段。此外，该探测激光为脉冲激光，其脉冲重复频率根据需要探测的距离决定，例如，对于1MHz的脉冲重复频率，其对应空气中最远探测距离为150米，而对应水中的最远探测距离为110米。

具体的，激光生成器11用于产生脉冲激光，在本实施例中，该激光生成器11为种子激光器，其工作波长为1064nm，是一种单模单频脉冲激光器。当然，在其他的实施例中，针对不同的探测目标，可相应地调整激光生成器11的工作波长，在此不做限定。同时，脉冲激光的持续时间同样可根据探测目标进行设置，其范围可在1ps至30ns之间调整。

探测激光生成模块12引入脉冲激光，并输出特定波长的探测激光。该探测激光生成模块12包括第一放大器、第二放大器、第一镜头组、硼酸锂器件和第二镜头组。其中，第一放大器和第二放大器依次设置在激光生成器11之后，第一放大器为单模掺镱光纤放大器，第二放大器为两级高功率掺镱光纤放大器。经过第一镜头组后，激光重新收束并穿过硼酸锂，产生二次谐波，使激光束的波长转换为532nm。之后激光束穿过第二镜头组，第二镜头组包括一二向色镜，该二向色镜用于将激光束分为两束，之后其中一束激光束再穿过凹透镜后，到达发射接收模块。在本实施例中，探测激光用于探测150m处的水体，因此将激光脉冲的半峰全宽设置为95ps，脉冲重复频率设置为1MHz，其可对应于150m的无模糊检测范围，每个脉冲携带的能量为80nj。

发射接收模块向探测目标发出探测激光，并接收探测激光的回波信号。在本实施例中，将回波信号在进入延时装置之前进行滤波，具体的，发射接收模块包括发射接收单元和滤波器。发射接收单元用于向探测目标发射探测激光，并接收探测激光的回波信号，其可采用收发分离结构或收发同轴结构；滤波器用于将回波信号进行滤波处理以滤除背景噪声。在本实施例中，发射接收单元采用收发分离结构，其包括激光发射器13和光学望远镜14，激光发射器13接收第二镜头组输出的探测激光，并将其发射至特定距离的探测目标。

其中，作为接收回波信号的光学望远镜14，其采用全光纤连接配置，通过焦距为80mm的大光束消色差光纤准直器采集上述的532nm的探测激光与探测目标相互作用产生的反向散射信号。同时，滤波器为一个设置在上述的准直器前方的直径50mm、带宽0.5nm的窄带滤光片，其中心波长与探测激光的波长相匹配。通过该准直器后，滤除背景噪声的回波信号被发送至输入光纤阵列21中。

延时装置包括输入光纤阵列21和延时光纤阵列22。

其中，输入光纤阵列21包括若干紧密排布的第一光纤，滤除了背景噪声的回波信号进入输入光纤阵列21时，回波信号覆盖各第一光纤的输入端，对应于探测目标不同位置的回波信号被不同位置的第一光纤接收，并形成对应的像素信号传输至延时光纤阵列22。其中，每一第一光纤仅用于传输一像素信号，各像素信号包括的像素信息对应于探测目标的不同位置。具体的，输入光纤阵列21包括多个第一光纤，各第一光纤的长度相等，并且相互之间紧密排布。

延时光纤阵列22包括与各第一光纤一一连接的第二光纤，各第二光纤的长度依次增加。在各像素信号经过对应的第二光纤后，该些像素信号在时域上被分离。在本实施例中，各第二光纤的长度以等差方式增加，这可使得每个第二光纤的延时长度增加的幅度一致。当然，在其他的实施例中，各第二光纤的长度增加的幅度也可以不是一致的，例如部分的第二光纤之间的长度增加幅度为2米，另一部分的第二光纤之间的长度增加幅度为3米，这不会影响延时光纤阵列22的正常作用。

其中，每一第一光纤在输入光纤阵列21中的位置与其所连接的第二光纤的长度对应，以确定时域上分离的各像素信号所对应的探测目标的具体位置。也就是说，每个第一光纤都对应连接一个具体长度的第二光纤，并且该第二光纤在所有的第二光纤中按照长度排列的次序是已知的，由此可以通过每个像素信号所处的时域位置，转换形成第一光纤在输入光纤阵列21中的位置，而输入光纤阵列21中各个第一光纤的位置又与探测目标的具体位置相对应，由此可以确定各个像素信号所对应的探测目标的具体位置。

同时，延时光纤阵列22包括多组，每组均包括若干长度以等差方式增长的第二光纤；输入光纤阵列21中，所有第一光纤的数量与多组延时光纤阵列22中所有的第二光纤的数量一致，并根据每组延时光纤阵列22中各第二光纤的长度，由短至长分组排序。由此将各像素信号之间的空间上的关系，转换为时间上的次序关系，在数据处理模块进行处理时，可将时间上的次序关系还原为空间上的成像，以保证对探测目标的成像不会失真；同时，输入光纤阵列21中的各第一光纤相互隔绝，可大大降低各像素信号之间的隔离电平，避免像素信号之间互相干扰。同时，设置多组延时光纤阵列22，并对应各组延时光纤阵列22重新排序输入光纤阵列21中的第一光纤，通过该技术手段，可提高该激光雷达探测系统的成像效率；对于具有较大视野的探测激光，其回波信号对应的探测范围较大，若使用一组延时光纤阵列22，则为了保证输入光纤阵列21的视野总和能够与回波信号的探测范围基本对应，会使得延时光纤阵列22中第二光纤的数量过多，最终长度最长的第二光纤的长度会过长；而使用多组延时光纤阵列22，可保证每组延时光纤阵列22中长度最长的第二光纤的长度在可控范围内，同时通过对应的多个单像素探测器32进行探测，也可进一步降低系统整体复杂度。

具体的，参照图1，在本实施例中，设置有一个输入光纤阵列21和一个延时光纤阵列22，该输入光纤阵列21包括61根第一光纤，延时光纤阵列22中包括61根第二光纤。在每组延时光纤阵列22中，最短的第二光纤的长度为2米，之后依次增加2米，即第二短的第二光纤的长度为4米，以此类推至最长的第二光纤，其长度为122米。考虑到光纤的折射率，这可使得每个像素信号的延迟增加约10ns，对应于最长的光纤，其延迟约为610ns。当然，在其他的实施方式中，延时光纤阵列22中第二光纤的延时长度可进行调整，其调整的依据为探测系统与探测目标的距离以及不同像素信号所对应的探测目标的不同位置之间的深度差异。当探测距离较长且深度差异大时，可将延时光纤阵列22的延时长度增长，以保证延时效果以及成像分辨率。

此外，上述的输入光纤阵列21还被设置为位于用于接收回波信号的光学望远镜14的焦点位置，也就是上述的焦距为80mm的大光束消色差光纤准直器的焦点位置，从而可保证回波信号较为完整地覆盖输入光纤阵列21中各第一光纤的输入端，使回波信号进入输入光纤阵列21并分离形成像素信号时，该些像素信号能够对应于探测激光视野的大部分位置。

探测装置包括耦合光纤阵列31和单像素探测器32，耦合光纤阵列31将时域上分离的各像素信号耦合为待测信号，单像素探测器32接收待测信号并输出电信号。在本实施例中，探测装置还包括时间数字转换器33和函数发生器34。其中，耦合光纤阵列31的数量为一个，延时光纤阵列22连接至这一耦合光纤阵列31，从而形成待测信号。单像素探测器32的数量为一个，其与耦合光纤阵列31连接，每个单像素探测器32接收一个待测信号，并输出相应的电信号。单像素探测器32可采用单光子雪崩二极管，其光敏面积可在20至1000μm之间选择，在本实施例中，其光敏面积为500μm，在532nm处的检测效率为52％，其暗计数率为每秒100次计数。时间数字转换器33的均方根抖动为9ps，其用于记录探测脉冲发射和接收光子的时间，其与函数发生器34连接。函数发生器34可采用现场可编程门阵列设计，其与激光生成器11和时间数字转换器33连接，以提供精确的控制信号。

在其他的实施例中，回波信号还可在进入单像素探测器32之前进行滤波，也就是在耦合光纤阵列31与单像素探测器32之间的位置设置滤波器，此时滤波器接收的信号为经过延时装置之后输出的像素信号，滤波器可将像素信号中的背景早上滤除，再输入至单像素探测器32。

在本实施例中，数据处理装置40可将探测装置输出的电信号转换为数字信号并进行处理以得到探测目标的探测结果。数据处理装置40可包括信号调制与解调器和数据分析处理器。信号调制与解调器用于将探测装置输出的电信号转换为数值信息输送至数据分析处理器，数据分析处理器对数值信息经分析处理后得到探测目标的探测结果。其中，每个第一光纤在输入光纤阵列21中的位置与其所连接的第二光纤的长度对应，如上述的第一光纤的序号按照第二光纤的长度由短至长依次排序，这种位置和长度的对应关系可被储存在数据处理装置40中，当探测装置依次输出电信号时，数据处理装置40可根据接收到的电信号的时间确定这个电信号所对应的像素在探测目标中的具体位置，从而将其还原为相应的图像。

在本实施例中，还提供一种时分复用成像激光雷达探测方法，其可通过上述的时分复用成像激光雷达探测系统对探测目标进行探测，其包括：发射探测激光至探测目标，并接收对应的回波信号；回波信号经滤波后得到对应的回波信号；回波信号分离为多个像素信号，并使各像素信号在时域上分离；各所述像素信号包括的像素信息对应于探测目标的不同位置；时域上分离的各像素信号耦合为待测信号，并通过单像素探测器32进行探测后，经处理和分析得到探测目标的探测结果。

本发明提供的时分复用成像激光雷达探测系统，设置有收发装置、延时装置、探测装置和数据处理装置40；其中的延时装置设置有输入光纤阵列21和延时光纤阵列22，收发装置发出探测激光后，接收回波信号，回波信号可进入到输入光纤阵列21，输入光纤阵列21中紧密排布的第一光纤会将回波信号分离为多个像素信号，各个像素信号包括对像素信息对应于探测目标的不同位置，之后该些像素信号通过延时光纤阵列22在时域上进行分离，使得各个像素信号能够按照时间顺序依次地通过耦合光纤阵列31形成待测信号，待测信号传输至探测装置中的单像素探测器32，单像素探测器32具有较大的成像面积，其在接收到各个像素信号后，输出对应的电信号，再通过数据处理装置40对电信号进行处理和分析得到相应的探测结果。该激光雷达探测系统，可使用单波长的探测激光对探测目标进行探测，仅需要使用单波长的滤波器即可实现对背景噪声的消除，相对于多波长激光雷达系统，其可有效降低背景噪声抑制的困难度，提高回波信号提取的信噪比，简化光接收系统；同时，采用单像素探测器32，可有效降低系统整体复杂度，并可高效地从光学阵列中采集信号。因此，该激光雷达探测系统能够通过单一波长激光、单像素探测器32和单通道采集卡对获得的不同像素进行探测，从而实现非扫描情况下的目标成像。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别在于，其中的延时光纤阵列22、单像素探测器32和耦合光纤阵列31均设置有两组。

具体参照图2，在本实施例中，设置有一个输入光纤阵列21和两组延时光纤阵列22。参照图3，该输入光纤阵列21包括122根第一光纤，每组延时光纤阵列22中包括61根第二光纤，因此122根第一光纤被分为对应的两组，每组也包括61根第一光纤。

其中，所述输入光纤阵列21中各第一光纤堆积成簇，且各第一光纤按照其所连接的第二光纤的长度由短至长排序；在所述输入光纤阵列21的一个横截面上，各第一光纤按照各自的序号由小到大沿第一方向逐个排布，并在到达边缘位置时折返并仍逐个排布。并且，输入光纤阵列21的横截面由各所述第一光纤堆积形成的边缘形状为多边形、圆形或椭圆形。

具体的，在图3所示的输入光纤阵列21的截面示意图中，每根第一光纤均标注有相应的序号，以序号1的第一光纤为起始，沿着图3所示的右方，即本实施例中的第一方向，该输入光纤阵列21中的各个第一光纤逐个排布，到达边缘后，第一光纤折返，并沿着图3所示的左方继续逐个排布，从而形成迂回的排布方式，并在本实施例中形成横截面的边缘形状为正六边形的结构。按照该种方式设置的输入光纤阵列21，各像素信号之间的隔离电平超过100dB，可有效地避免像素信号之间互相干扰。在本实施例中，该输入光纤阵列21形成的光纤簇总直径限制在0.72mm以内，对应激光雷达探测系统的视野为9mrad，每根第一光纤对应的视野为0.625mrad。

同时，参照图3，上述所指的第一光纤之间紧密排布，是指各第一光纤以相对靠近的方式堆积排布在一起，相邻的第一光纤之间的距离可不相等。此外，输入光纤阵列21中的第一光纤的排布方式可不限于图3所示的情况，根据实际的探测需要，可相应地调整输入光纤阵列21中的第一光纤的排布方式，只要使输入光纤阵列21中的各个第一光纤能够大致地接收到回波信号中相应位置的像素信息即可。并且，输入光纤阵列21中第一光纤所排布形成的形状，与最终的成像形状具有相关性。

耦合光纤阵列31的数量为两个，两组延时光纤分别连接至两个耦合光纤阵列31，从而形成两个待测信号。单像素探测器32的数量为两个，其与两个耦合光纤阵列31分别连接，每个单像素探测器3232接收一个待测信号，并输出相应的电信号。

当然，应该理解的是，在其他的实施例中，延时光纤阵列22、单像素探测器32和耦合光纤阵列31还可设置更多组，通过设置多组上述部件，可进一步降低系统整体复杂度，提高对探测目标的探测效率。

进一步的，为了说明上述的时分复用成像激光雷达探测系统和方法的有效性，本实施例还进行时分复用实验和成像实验，以下具体说明。

时分复用实验是为了验证上述的延时装置的有效性而进行的，其使用上述的激光雷达探测系统对距离为80米的白色平面进行测量。激光雷达探测系统的采样间隔设置为50ps，累积时间设置为5s，来自61个像素信号的接收时间分布如图5所示，从图5中可以看出，相邻像素之间的时间延迟约为10ns，这是由于本实施例中，第二光纤之间的长度增加幅度为2米。

成像实验是为了验证上述的激光雷达探测系统的有效性而进行的，其使用上述的激光雷达探测系统对80米距离的4个不同目标进行了实验，这四个目标分别为平面壁、斜壁、台阶和条纹。参照图6至图9，其依次显示了通过上述的激光雷达探测系统对四个目标的成像结果，其中图6对应的目标为平面壁，图7对应的目标为斜壁，图8对应的目标为台阶，图9对应的目标为条纹。由该实验结果可知，通过一个单像素探测器32，可实现对61个像素信号的检测功能，并在非扫描场景中成功成像了各种形状的目标。其中，图6至图9中不同的颜色用于表示探测目标中不同位置的深度区别。

上述说明书和实施例的描述，用于解释本发明保护范围，但并不构成对本发明保护范围的限定。通过本发明或上述实施例的启示，本领域普通技术人员结合公知常识、本领域的普通技术知识和/或现有技术，通过合乎逻辑的分析、推理或有限的试验可以得到的对本发明实施例或其中一部分技术特征的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种时分复用成像激光雷达探测系统，其特征是，包括：

收发装置，其发出探测激光至探测目标并接收对应的回波信号；

延时装置，其包括输入光纤阵列(21)和延时光纤阵列(22)；所述输入光纤阵列(21)包括若干紧密排布的第一光纤，所述延时光纤阵列(22)包括与各第一光纤一一连接的第二光纤，各第二光纤的长度依次增加；所述回波信号进入所述输入光纤阵列(21)时，对应于探测目标不同位置的回波信号被不同的所述第一光纤接收，并形成对应的像素信号传输至所述延时光纤阵列(22)，以将各所述像素信号在时域上分离；

探测装置，其包括耦合光纤阵列(31)和单像素探测器(32)；所述耦合光纤阵列(31)将时域上分离的各像素信号耦合为待测信号；所述单像素探测器(32)接收所述待测信号并输出电信号；和

数据处理装置(40)，其对所述单像素探测器(32)输出的电信号进行采集以得到探测目标的探测结果。

2.如权利要求1所述的一种时分复用成像激光雷达探测系统，其特征是，

所述回波信号在进入所述延时装置之前进行滤波，或进入所述单像素探测器(32)之前对所述像素信号进行滤波，以滤除背景噪声。

3.如权利要求1所述的一种时分复用成型激光雷达探测系统，其特征是，

所述回波信号进入所述输入光纤阵列(21)时，回波信号覆盖各所述第一光纤的输入端，以通过各所述第一光纤将回波信号分离为多个像素信号；每一所述第一光纤用于传输一所述像素信号。

4.如权利要求1所述的一种时分复用成像激光雷达探测系统，其特征是，

每一所述第一光纤在所述输入光纤阵列(21)中的位置与其所连接的所述第二光纤的长度对应，以确定时域上分离的各像素信号所对应的探测目标的具体位置。

5.如权利要求4所述的一种时分复用成像激光雷达探测系统，其特征是，

所述延时光纤阵列(22)包括多组，每组均包括若干长度依次增加的第二光纤，且每组延时光纤阵列(22)对应连接至一耦合光纤阵列(31)和一单像素探测器(32)；

所述输入光纤阵列(21)中，所有第一光纤的数量与多组延时光纤阵列(22)中所有的第二光纤的数量一致，并根据每组延时光纤阵列(22)中各第二光纤的长度，由短至长分组排序。

6.如权利要求4所述的一种时分复用成像激光雷达探测系统，其特征是，

所述输入光纤阵列(21)中各第一光纤堆积成簇，且各第一光纤按照其所连接的第二光纤的长度由短至长排序；在所述输入光纤阵列(21)的一个横截面上，各第一光纤按照各自的序号由小到大沿第一方向逐个排布，并在到达边缘位置时折返并仍逐个排布。

7.如权利要求6所述的一种时分复用成型激光雷达探测系统，其特征是，

所述输入光纤阵列(21)的横截面由各所述第一光纤堆积形成的边缘形状为多边形、圆形或椭圆形。

8.如权利要求1所述的一种时分复用成型激光雷达探测系统，其特征是，所述收发装置包括激光生成器(11)、探测激光生成模块(12)和发射接收模块；

所述激光生成器(11)用于产生脉冲激光；

所述探测激光生成模块(12)引入所述脉冲激光，并输出特定波长的探测激光；

所述发射接收模块向探测目标发出探测激光，并接收探测激光的回波信号；所述发射接收模块包括用于接收回波信号的光学望远镜(14)，所述输入光纤阵列(21)位于该光学望远镜(14)的焦点位置。

9.如权利要求1所述的一种时分复用成像激光雷达探测系统，其特征是，

所述延时光纤阵列(22)中，第二光纤的延时长度根据探测系统与探测目标的距离以及不同像素信号所对应的探测目标的不同位置之间的深度差异确定。

10.一种时分复用成像激光雷达探测方法，其通过如权利要求1-9任一项所述的时分复用成像激光雷达探测系统对探测目标进行探测，其特征是，包括：

发射探测激光至探测目标，并接收对应的回波信号；

回波信号分离为多个像素信号，并使各像素信号在时域上分离；各所述像素信号包括的像素信息对应于探测目标的不同位置；

时域上分离的各像素信号耦合为待测信号，并通过单像素探测器(32)进行探测后，经处理和分析得到探测目标的探测结果。