CN203909297U - 基于高速单光子探测的激光测距仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光测距领域，具体涉及基于高速单光子探测的激光测距仪，用以实现超灵敏单光子水平的高分辨远距离激光测距，其特征在于：所述激光测距仪至少包括用于发射激光和收集被测目标反射回传的回波光信号的激光收发单元、对回波光子信号进行探测并产生光生雪崩信号的光子探测单元，以及用于记录光子信号往返于被测目标的飞行时间的时间测量单元，其中所述时间测量单元分别连接至所述激光收发单元、光子探测单元。本实用新型的优点是：提高了回波信号光的探测灵敏度，可探测到单光子水平的回波信号，有效扩大测程。

Description

基于高速单光子探测的激光测距仪

技术领域

本实用新型涉及激光测距领域，具体涉及基于高速单光子探测的激光测距仪，用以实现超灵敏单光子水平的高分辨远距离激光测距。

背景技术

激光测距技术因其在距离测量中具有快速、精准和便捷等特点，已被广泛应用于国防科技和民用技术的各个行业。在激光测距系统中，通过光电探测技术记录光信号往返于被测目标的时间信息，从而在已知光速的情况下即可得到被测目标的距离。随着被测目标距离增大和目标反射回传光信号的减弱，必须采用灵敏度更高的光电探测器来探测回波信号光，另一方面，光电探测器探测到回波信号光的时间抖动特性决定了测距的精度和分辨率。因此，采用高性能超灵敏的光电探测器是激光测距系统中影响测程和分辨精度的重要部分。

近年来，高性能光电探测技术的研究愈益深入，其应用也广泛渗透到生物、物理、化学和天文等诸多学科领域，尤其是基于光电探测的激光测距系统的研究开发，在军事侦察、空间光通讯、遥感成像、激光雷达等方面有重大应用。然而，目前广泛使用的光电探测器大多是传统的线性探测器，对少光子和单光子水平的极微弱光信号无法响应，所以在远距离激光测距系统中必须使用高能量激光，并且在确定的出射激光功率下，最远测程受限于响应度低的线性光电探测器。采用超灵敏的单光子雪崩光电二极管来探测回波信号光，在一定的测量距离内可以减小激光能量，降低激光要求，另一方面，由于单光子探测器响应度高，达到量子极限的单个光子信号探测，从而在一定的激光能量下可以提高测量距离。

目前，铟镓砷雪崩光电二极管（InGaAs APD）是近红外1550 nm波段最为实用的单光子探测器，但是由于半导体材料和加工工艺的不足，InGaAs APD在产生光生雪崩载流子后，材料缺陷会捕获载流子，并随之释放再次触发雪崩，即所谓的后脉冲效应，这种伪雪崩后脉冲通常持续时间为微秒。为了降低后脉冲噪声，InGaAs APD工作在门控周期信号的激励下来探测光子，并且在光子信号与门控信号同步锁相时有较好的探测性能，这一探测方式已经在量子密钥分发系统中得到了广泛的应用。但是，在脉冲激光测距中，随着被测目标距离的变化，回波信号光很可能落在单光子探测器的探测门外，导致无法探测到回波信号光，因此同步锁相工作的门模式单光子探测器无法实现距离测量。为了实现基于门控InGaAs APD单光子探测器的激光测距，探测器必须工作在自由非锁相状态，即光信号与高速探测门信号不存在同步，如果1 MHz门控周期信号的探测门宽为1 ns时，此时探测占空比为0.001，相较于连续探测时需要花1000倍的收集时间方能完成距离测量，因此探测占空比是限制门控单光子探测器在激光测距应用的主要因素。据相关探究显示，探测占空比提高到20%及以上，门控单光子探测器即可较好地应用激光测距中。

发明内容

本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足，提供了基于高速单光子探测的激光测距仪，利用高速单光子探测器的高重复频率准连续探测特性，使光子信号和探测器工作在自由非锁相状态，完成回波光子信号的探测。

本实用新型目的实现由以下技术方案完成：

一种基于高速单光子探测的激光测距仪，用于测量所述激光测距仪与被测物体之间的距离，其特征在于：所述激光测距仪至少包括用于发射激光和收集被测目标反射回传的回波光信号的激光收发单元、对回波光子信号进行探测并产生光生雪崩信号的光子探测单元，以及用于记录光子信号往返于被测目标的飞行时间的时间测量单元，其中所述时间测量单元分别连接至所述激光收发单元、光子探测单元。

 所述的激光收发单元包括信号发生器、激光器、准直扩束器、两高反镜、望远镜、带通滤光片，所述信号发生器由所述时间测量单元的开始端连接控制，所述信号发生器连接控制所述激光器，所述激光器与所述准直扩束器的输入端相连，所述准直扩束器的输出端照准第一高反镜，所述第一高反镜与所述第二高反镜镜面相对且两者的法线相平行，所述第二高反镜照准所述被测目标，所述望远镜照准所述被测目标，所述带通滤光片设置于所述望远镜内并通过所述光纤传递所述回波信号光至所述光子探测单元。

所述望远镜通过一收光镜收集所述回波信号光，所述收光镜设置于所述望远镜内部，其镜面与竖直方向呈逆时针45°夹角设置。

所述收光镜与后一所述高反镜的设置方向相同。

所述光子探测单元由高速射频信号源、单光子雪崩光电二极管、低通滤波器和射频放大器构成，其中所述高速射频信号源连接驱动所述单光子雪崩光电二极管，所述单光子雪崩光电二极管连接所述光纤，其接收的所述回波信号光依次通过所述低通滤波器、射频放大器至所述时间测量单元的停止端。

所述时间测量单元由时间相关光子计数设备组成。

本实用新型的优点是：采用高速准连续探测的InGaAs APD单光子探测器在1550 nm波段实现激光测距，既提高了回波信号光的探测灵敏度，可探测到单光子水平的回波信号，有效扩大测程；又处于准连续探测状态，可以有效降低噪声的影响；同时得益于高速探测的优越时间抖动特性，使测距的分辨精度达到厘米量级。因此，这种高速单光子探测的超灵敏激光测距，在远距离、高分辨的测距应用中有重大意义。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构图；

图2是本实用新型的探测原理图；

图3是本实际效果测距图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本实用新型特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：如图1所示，本实用新型中激光测距仪由激光收发单元、光子探测单元和时间测量单元三个部分组成，用以测量图中所示的两个上下错开、间距可调的方块体被测目标A、B之间的距离。激光收发单元发送和收集1550nm光信号；光子探测单元为高重复频率激励的InGaAs APD（铟镓砷雪崩光电二极管），通过与激光收发单元光纤连接以完成回波信号光的探测；时间测量单元分别连接激光收发单元以及光子探测单元，以记录光信号的往返飞行时间。

如图1所示，激光收发单元为光学系统，包括作为发射单元的信号发生器、激光器、准直扩束器、两高反镜以及作为采集单元的望远镜、带通滤光片，其中信号发生器分别与时间测量单元的启动端以及激光器相连接，在启动时间相关光子计数设备开始计时的同时驱动激光器使其输出1550nm脉冲光信号。由激光器输出的1550nm脉冲光信号光斑进入准直扩束器的输入端，准直扩束器的输出端照准第一高反镜使脉冲光信号能够照射至第一高反镜上，第一高反镜与第二高反镜的镜面相对且两者法线平行，经第一高反镜反射的脉冲光信号照射至第二高反镜之上并由第二高反镜反射至被测物体A、B之上。当脉冲光信号经被测目标A、B时反射后形成回波信号光，该回波信号光由照准被测目标A、B的望远镜收集，该望远镜内部设置有一收光镜，该收光镜的镜面与竖直方向逆时针45°设置且与第二高反镜的设置角度相同，以反射望远镜所收集的回波信号光至带通滤光片。由于本实施例中的被测目标是两个上下错开、间距可调的方块体A、B，照射到A、B物体的光信号反射回传，同时背景光也回传到望远镜，带通滤光片设置于收光镜的反射光路上，用于滤除背景光以确保回波信号光耦合进入光纤，此时的回波信号光包含了不同位置物体A和B的时间信息。

如图1所示，光子探测单元由InGaAs APD单光子雪崩光电二极管、高速射频信号源、低通滤波器和射频放大器组成。高速射频信号源连接驱动单光子雪崩光电二极管，使其工作在自由非锁相的高重复频率门控模式下，即处于准连续探测状态。单光子雪崩光电二极管通过光纤接收回波光信号依次通过低通滤波器、射频放大器至时间测量单元的停止端。

时间测量单元由时间相关光子计数设备和计算机软件实现。由激光收发单元中的信号发生器启动时间相关光子计数设备开始计时，光子探测单元探测到雪崩脉冲信号停止计时，通过计算机软件采集得到计数-时间分布图，从计数峰可以直接读出光信号往返于被测目标的飞行时间。

本实施例在具体实施时：如图2所示，随着被测目标距离的不同回波光脉冲信号到达InGaAs APD单光子探测器的时间也不同，高重复频率驱动的门控InGaAs APD只有在探测时间门内才能探测到回波光子产生雪崩信号，使得回波光子与APD探测门的相位随机，这样使得高速探测的InGaAs APD单光子探测器工作在自由非锁相状态。在高重复频率的门控信号激励下，高速的探测门快速扫描到达探测器的光子信号，通过增大探测门宽和探测速率，在1GHz的高速探测下探测占空比Tg可达30%，使得测距时的收集时间大大缩短，这样单光子探测器相当于工作在一种准连续的探测状态。

由于APD和激光信号工作在自由非锁相状态，高速探测门快速随机扫描到达APD的光子信号，落在探测门内的光子产生光生雪崩电流，通过调节探测门的占空比可以增大探测光子的概率，但也会增大噪声，牺牲一部分信号光子探测概率而得到最佳的综合测距性能是相当有意义的。

由于APD结电容的影响，1GHz射频信号在激励探测时瞬态响应，产生一系列的充放电噪声，往往这些噪声幅度大于微弱的雪崩信号，因此为了提取所需的雪崩信号，必须将噪声信号和雪崩信号隔离开来，所以在光子探测单元中采用低通滤波技术滤除高频噪声，使低频成分的雪崩信号通过，从而有效提高雪崩信号的信噪比，提取出的微弱雪崩信号经射频放大后输出，接入时间相关光子计数设备的停止端。

本实施例在试验时，实际测距效果如图3所示，横轴为光子飞行时间，纵轴为探测到的回波光子计数。被测目标置于32m远的日光下，通过调节被测目标A、B物体之间的间距，分别测得了不同的计数-时间分布图，其中前后两个计数峰分别对应于目标A和目标B，可以看出目标A的位置固定时，随着目标B靠近目标A，两个计数峰也相互靠近并逐渐重叠直至成为一个计数峰。目标A计数峰的平均中心位置时间为214.888 ns，可以知道目标A的距离为32.233 m（L=ct/2，其中光速c=30cm/ns），并且计数峰成高斯曲线，计数的半高全宽为192ps，反应了InGaAs APD高速单光子探测的时间抖动特性。当A、B间距为35cm时，由计数-时间分布图中两计数峰的时间差可以反推A、B间距，此时计数峰完全错开；当A、B间距为6 cm时，计数峰开始部分重叠；到A、B间距为2cm时，计数峰完全重叠，意味着无法分辨出A、B两个物体。通过调节A、B间距，在间距为3 cm时从计数-时间分布图中仍然可以分辨出两个计数峰，此时A、B往返光子信号的时间差为193.2ps（即215.048ns-214.856ns），这与探测器的192ps时间抖动特性相当接近。据此，实现了3cm分辨精度的光子计数激光测距。这一近红外1550 nm超灵敏激光测距有望在人员、植被、交通工具等小体积目标识别和超远距离激光测距中得到应用。

Claims (5)

1.一种基于高速单光子探测的激光测距仪，用于测量两被测物体之间的距离，其特征在于：所述激光测距仪至少包括用于发射激光和收集被测目标反射回传的回波光信号的激光收发单元、对回波光子信号进行探测并产生光生雪崩信号的光子探测单元，以及用于记录光子信号往返于被测目标的飞行时间的时间测量单元，其中所述时间测量单元分别连接至所述激光收发单元、光子探测单元，所述光子探测单元由高速射频信号源、单光子雪崩光电二极管、低通滤波器和射频放大器构成，其中所述高速射频信号源连接驱动所述单光子雪崩光电二极管，所述单光子雪崩光电二极管连接所述光纤，其接收的所述回波信号光依次通过所述低通滤波器、射频放大器至所述时间测量单元的停止端。

2.根据权利要求1所述的一种基于高速单光子探测的激光测距仪，其特征在于：所述的激光收发单元包括信号发生器、激光器、准直扩束器、两高反镜、望远镜、带通滤光片，所述信号发生器由所述时间测量单元的开始端连接控制，所述信号发生器连接控制所述激光器，所述激光器与所述准直扩束器的输入端相连，所述准直扩束器的输出端照准第一高反镜，所述第一高反镜与所述第二高反镜镜面相对且两者的法线相平行，所述第二高反镜照准所述被测目标，所述望远镜照准所述被测目标，所述带通滤光片设置于所述望远镜内并通过所述光纤传递所述回波信号光至所述光子探测单元。

3.根据权利要求2所述的一种基于高速单光子探测的激光测距仪，其特征在于：所述望远镜通过一收光镜收集所述回波信号光，所述收光镜设置于所述望远镜内部，其镜面与竖直方向呈逆时针45°夹角设置。

4.根据权利要求3所述的一种基于高速单光子探测的激光测距仪，其特征在于：所述收光镜与后一所述高反镜的设置方向相同。

5.根据权利要求1所述的一种基于高速单光子探测的激光测距仪，其特征在于：所述时间测量单元由时间相关光子计数设备组成。