CN207557477U - 基于单光子探测技术的水下激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于单光子探测技术的水下激光雷达系统，系统包括：激光发射单元，用于发射激光；回波探测单元，包括单光子探测器，用于对激光经目标物体反射的回波信号进行单光子检测；时间测量单元，连接回波探测单元，用于测量回波探测单元所检测的光子的返回时间；信号处理和控制单元，连接时间测量单元，并根据返回时间计算目标物体的距离信息。通过上述方式，本申请能够有效的增加水下测量系统的探测距离，实现远距离的水下探测。

Description

基于单光子探测技术的水下激光雷达系统

技术领域

本申请涉及激光雷达领域，特别是涉及一种基于单光子探测技术的水下激光雷达系统。

背景技术

目前，水下探测系统主要为声纳系统、水下摄像机以及传统的激光雷达等。其中，声纳系统工作距离远、探测范围大，但声纳系统的成像分辨率较低。水下摄像机可以获得清晰的图像，但其探测范围有限，一般只有几十厘米甚至十几厘米，且无法测量距离信息。传统的激光雷达采用线性光电探测器，灵敏度不够，作用距离有限。随着技术发展，传统的水下探测方法已满足不了水下探测应用对作用距离的要求。

发明内容

本申请提供一种基于单光子探测技术的水下激光雷达系统，能够有效的增加水下测量系统的探测距离，实现远距离的水下探测。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种基于单光子探测技术的水下激光雷达系统，所述系统包括：激光发射单元，用于发射激光；回波探测单元，包括单光子探测器，用于对所述激光经目标物体反射的回波信号进行单光子检测；时间测量单元，连接所述回波探测单元，用于测量所述回波探测单元所检测的光子的返回时间；信号处理和控制单元，连接所述时间测量单元，并根据所述返回时间计算所述目标物体的距离信息。

本申请的有益效果是：提供一种基于单光子探测技术的水下激光雷达系统，通过在水下激光雷达系统中加入单光子探测器，能够有效的增加水下测量系统的探测距离，实现远距离的水下探测。

附图说明

图1是本申请基于单光子探测技术的水下激光雷达系统第一实施方式的结构示意图；

图2是本申请基于单光子探测技术的水下激光雷达系统第二实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

请参阅图，图1为本申请基于单光子探测技术的水下激光雷达系统第一实施方式的结构示意图。本实施例中所提供测水下激光雷达系统10包括：激光发射单元11、回波探测单元12、时间测量单元13以及信号处理和控制单元14。

激光发射单元11，用于发射激光，进一步包括：激光器111以及光学发射天线112。

可选地，激光器111可以为重复频率为千赫兹的窄脉冲激光器，且激光器111的中心波长可以为蓝绿波段，具体可以在波长为532nm的附近，激光器的线宽为0.1nm以下，脉宽为10纳秒以内。

光学发射天线112，设置于激光器111的出射光路上，用于对激光的光斑进行放大或缩小调节。其中，本实施例中的光学发射天线112为望远镜结构，具体可以如图2所示的多个透镜组成。本实施例中选用两组透镜分别为A和B，且透镜A和透镜B的形状可以为平凹透镜、平凸透镜的组合，透镜A和透镜B也可以都是平凸透镜，此处不做进一步限定。当然，在其它实施例中，该望远镜结构也可以为4个、6个透镜组成，此处也不做具体限定。

请继续参照图1，回波探测单元12和激光发射单元11光轴方向彼此平行设置。且进一步包括单光子探测器121，用于对激光经目标物体反射的回波信号进行单光子检测。其中，单光子探测器121对所检测的单光子进行计数并产生电脉冲，时间测量单元13根据电脉冲计算激光的返回时间。本申请中的单光子探测器121为可以响应蓝绿波段的单光子探测器，本申请采用的单光子探测器为硅基的盖格模式的雪崩光电二极管。当然也可以采用其他的单光子探测器，例如电倍增管、增强型光电极管、微通道板、微球板以及真空光电二极管中的一种。

可选地，该回波探测单元12进一步包括光学接收天线122，且该光学接收天线122为倒望远镜结构，用于接收回波信号，并将回波信号汇聚到单光子探测器121。其中，该光学接收天线122进一步可以为如图2所示的倒望远镜接汇聚镜的结构，倒望远镜可以由平凸透镜C和平凹透镜D组成，且汇聚镜E也可以为平凸透镜。当然，也可以是其他形状的透镜组成，此处不做进一步限定。

此外，该回波探测单元12进一步包括滤光片123，其中回波信号在光学接收天线122内部形成一段平行光路，滤光片123设置在平行光路上，并用于过滤背景光噪声，所述平行光路的发散角小于1度。在图1中，滤光片123设置于倒望远镜结构接和汇聚镜E之间。滤光片123为窄带干涉型滤光片，其中心波长以及带宽需与激光器111的中心波长以及线宽匹配，滤光片123带宽一般比激光器111线宽略宽，防止激光的回波信号被过滤掉。

时间测量单元13，连接回波探测单元12，用于测量回波探测单元12所检测的光子的返回时间。可选地，时间测量单元13进一步可以包括计时器设备，激光器111的触发信号提供计数开始信号，由单光子探测器提供光子返回时刻信息。时间测量单元13测得的光子返回时刻信息提供给信号处理和控制单元14。本实施例中，时间测量单元13可以采用时间数字转换器，输出数字信号，方便进行后续的信号处理。

信号处理和控制单元14，连接时间测量单元13，并根据返回时间计算目标物体的距离信息。本实施例中所采用的信号处理和控制单元14可共用现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)芯片实现信号处理与系统的控制。

信号处理和控制单元14进一步连接激光发射单元11，并向激光发射单元11和时间测量单元13同步提供激光触发信号和计时启动信号，以使得激光发射单元11响应激光触发信号发射激光，时间测量单元13响应计时启动信号启动计时。可选地，本实施例中的信号处理和控制单元14可以包含信号处理设备141和系统控制设备142。其中，系统控制设备142完成激光器111以及时间测量单元13的控制，信号处理设备141进一步向激光器111和时间测量单元13同步提供激光触发信号和计时启动信号，并接收来自时间测量单元13的返回时间信号解算出目标的距离信息。

下面参照图1，对上述的基于单光子探测器的水下激光雷达系统的原理做简单描述：

信号处理和控制单元14同步提供给激光器111和时间测量单元13激光触发信号和计时启动信号，时间测量单元13记录激光器111的发射时间。激光器111发出的光通过光学发射天线112，光学发射天线112对激光的光斑进行放大或者缩小处理，以使得激光的发散角压缩至微弧度量级，并进一步将压缩后的激光投射到目标物体上，目标物体反射回的回波信号进入回波探测单元12，回波探测单元12中的光学接收天线122接收该回波信号，且通过设置在光学接收天线122内部形成一段平行光路上的滤光片123过滤背景光噪声后，进一步将滤波后的回波信号汇聚到单光子探测器121的光敏面上。本实施例中采用的单光子探测器为硅基的盖格模式的雪崩光电二极管。单光子探测器121对该回波信号进行光电转换后传输给时间测量单元13的计时器设备，计时器设备进一步将测得的光子返回时刻信息提供给信号处理和控制单元14。信号处理和控制单元14接收来自时间测量单元13的光子返回时间，并根据计时启动信号，解算目标的距离信息。

上述实施方式，通过在水下激光雷达系统中加入单光子探测器，能够有效的增加水下测量系统的探测距离，实现远距离的水下探测。

请参阅图2，图2为本申请基于单光子探测技术的水下激光雷达系统第二实施方式的结构示意图。如图2所示，本实施例中的水下激光雷达系统是在本申请水下激光雷达系统第一实施方式的基础上的进一步拓展，不同之处在于本实施例中的水下激光雷达系统还包括扫描单元，具体描述如下：

本实施例中所提供测水下激光雷达系统20包括：激光发射单元21、回波探测单元22、时间测量单元23、信号处理和控制单元24以及扫描单元25。

其中，激光发射单元21用于发射激光。可以进一步激光器211以及光学发射天线212。

扫描单元25，设置于激光发射单元21的出射光路上，用于改变激光的传输方向，以对目标物体的不同位置进行扫描，扫描单元25进一步接收目标物体的回波信号并反射至回波探测单元22，信号处理和控制单元24进一步根据目标物体的不同位置的距离信息对目标物体进行三维重建。

可选地，扫描单元25进一步包括扫描镜251及扫描驱动器252。其中，扫描镜251可以为平面度较好的平面反射镜。

扫描驱动器252，连接信号处理和控制单元24，用于根据信号处理和控制单元24所输出的扫描信号改变扫描镜251相对于激光的倾角，以对目标物体的不同位置进行扫描。

回波探测单元22和激光发射单元21光轴方向彼此平行设置。且进一步包括单光子探测器221，用于对激光经目标物体反射的回波信号进行单光子检测。回波探测单元22进一步包括光学接收天线222，光学接收天线222为倒望远镜结构，用于接收回波信号，并将回波信号汇聚到单光子探测器221。具体为单光子探测器221对所检测的单光子进行计数并产生电脉冲，时间测量单元23根据电脉冲计算返回时间。该回波探测单元22进一步包括滤光片223，其中回波信号在光学接收天线222内部形成一段平行光路，滤光片223设置在平行光路上，并用于过滤背景光噪声，平行光路的发散角小于1度。

时间测量单元23，连接回波探测单元22，用于测量回波探测单元22所检测的光子的返回时间。可选地，时间测量单元23进一步可以包括计时器设备231，激光器211的触发信号提供计数开始信号，由单光子探测器提供光子返回时刻信息。时间测量单元23测得的光子返回时刻信息提供给信号处理和控制单元24。本实施例中，时间测量单元23可以采用时间数字转换器，输出数字信号，方便进行后续的信号处理。

信号处理和控制单元24，连接时间测量单元23，并根据返回时间计算目标物体的距离信息。

本实施例中的基于单光子探测器的提水下激光雷达系统和第一实施方式中相同之处，请参照第一实施方式的具体描述，此处不再赘述。

参照图2，下面就该水下激光雷达系统的原理做简单描述：

信号处理和控制单元24同步提供给激光器211和时间测量单元23激光触发信号和计时启动信号，时间测量单元23记录激光器211的发射时间。激光器211发出的光通过光学发射天线212，光学发射天线212对激光的光斑进行放大或者缩小处理，以使得激光的发散角压缩至微弧度量级，并进一步将压缩后的激光投射到扫描单元25中的扫描镜251上。其中，扫描驱动器252根据信号处理和控制单元24输出的扫描信号以改变扫描镜251相对于激光的倾角，可以实现对目标物体的不同位置进行扫描，且信号处理和控制单元24存储每次扫描后目标物体的参数信息。进一步，扫描镜251将激光反射至目标物体后，并进一步接收目标物体反射回的回波信号，并将该回波信号传输至回波探测单元22，回波探测单元22中的光学接收天线222接收该回波信号，且通过设置在光学接收天线222内部形成一段平行光路上的滤光片223过滤背景光噪声后，进一步将滤波后的回波信号汇聚到单光子探测器221的光敏面上。本实施例中采用的单光子探测器为硅基的盖格模式的雪崩光电二极管。单光子探测器221对该回波信号进行光电转换后传输给时间测量单元23的计时器设备，计时器设备进一步将测得的光子返回时刻信息提供给信号处理和控制单元24。信号处理和控制单元24接收来自时间测量单元23的光子返回时间，并根据计时启动信号，解算目标的距离信息，并进一步结合多次存储的目标物体的参数信息实现对物体进行三维重建。

上述实施方式中，通过在水下激光雷达系统加入单光子探测器，且进一步结合扫描单元对目标物体参数信息进行扫描，能够有效的增加水下测量系统的探测距离，实现远距离的水下探测以及实现目标物体的三维重建。

综上所述，本领域技术人员容易理解，本申请提供一种基于单光子探测技术的水下激光雷达系统，通过在水下激光雷达系统中加入单光子探测器，能够有效的增加水下测量系统的探测距离，实现远距离的水下探测。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于单光子探测技术的水下激光雷达系统，其特征在于，所述系统包括：

激光发射单元，用于发射激光；

回波探测单元，包括单光子探测器，用于对所述激光经目标物体反射的回波信号进行单光子检测；

时间测量单元，连接所述回波探测单元，用于测量所述回波探测单元所检测的光子的返回时间；

信号处理和控制单元，连接所述时间测量单元，并根据所述返回时间计算所述目标物体的距离信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号处理和控制单元进一步连接所述激光发射单元，并向所述激光发射单元和所述时间测量单元同步提供激光触发信号和计时启动信号，以使得所述激光发射单元响应所述激光触发信号发射所述激光，所述时间测量单元响应所述计时启动信号启动计时。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单光子探测器对所检测的单光子进行计数并产生电脉冲，所述时间测量单元根据所述电脉冲计算所述返回时间。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光发射单元包括：

激光器；

光学发射天线，设置于所述激光器的出射光路上，用于对所述激光的光斑进行调节；

其中，所述激光器为重复频率为千赫兹的窄脉冲激光器，中心波长为蓝绿波段，线宽为0.1nm以下，脉宽为10纳秒以内，所述光学发射天线为望远镜结构，进一步将所述激光的发散角压缩至微弧度量级。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述回波探测单元进一步包括光学接收天线，所述光学接收天线为倒望远镜结构，用于接收所述回波信号，并将所述回波信号汇聚到所述单光子探测器。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述回波探测单元进一步包括滤光片，其中所述回波信号在所述光学接收天线内部形成一段平行光路，所述滤光片设置在所述平行光路上，并用于过滤背景光噪声。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述平行光路的发散角小于1度。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括扫描单元，所述扫描单元设置于所述激光发射单元的出射光路上，用于改变所述激光的传输方向，以对所述目标物体的不同位置进行扫描，所述扫描单元进一步接收所述目标物体的回波信号并反射至所述回波探测单元，所述信号处理和控制单元进一步根据所述目标物体的不同位置的距离信息对所述目标物体进行三维重建。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述扫描单元包括：

扫描镜；

扫描驱动器，连接所述信号处理和控制单元，用于根据所述信号处理和控制单元所输出的扫描信号改变所述扫描镜相对于所述激光的倾角，以对所述目标物体的不同位置进行扫描。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述扫描镜为平面反射镜，所述激光发射单元和回波探测单元的光轴方向彼此平行设置。