CN214669607U - 基于mcp-pmt的光子计数激光雷达成像系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于MCP‑PMT的光子计数激光雷达成像系统，其包括激光器、单光子探测器、收发光学系统、振镜模块和控制与数据处理器，所述单光子探测器为多阳极MCP‑PMT阵列，本实用新型基于MCP‑PMT的光子计数激光雷达成像系统应用激光器主动照明成像方式，结合振镜扫描方式能完成对大范围目标场景的扫描获取，并采用多阳极MCP‑PMT阵列作为单光子探测器，具有单光子探测灵敏度、高时间分辨率、高量子效率、大探测面阵、较小时间弥散等优点，因此能够实现更远距离的暗弱目标的探测，使得整个系统性能、灵敏度以及探测效率有很大的提升，特别适合于极微弱光信号、光子信号的探测成像，适用范围广。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光雷达成像技术领域，特别涉及一种基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统。
背景技术
对于单光子成像，容易受到多种噪声的影响，通常为了有效提取信号，需要抑制噪声，即在每个像素上累积成百上千个光子，通过光子到达的时间分布直方图获得精确的图像估计。然而在极其微弱的照明条件下对远距离目标成像时，回波能量太少以至于需要非常多的积分时间，甚至无法满足这种大量光子累积的时间分布直方图。故如何提高回波光子的利用效率，通过少量回波光子来准确重建3D图像将成为本领域的研究重点和热点。
应用光电倍增管(PMT)作为单光子探测器具有很高的增益，但量子效率低；应用雪崩光电二极管(APD)作为单光子探测器量子效率高，但增益较低且较难实现；近年来单光子雪崩光电二极管阵列的发展突破了单管APD的瓶颈，但集成工艺复杂，价格昂贵，国外民用最多32x32阵列，国内民用仅8x8阵列，小面阵对于大场景目标或者暗弱目标的探测存在一定的局限性；随着技术的发展，PMT的一个扩展形式——微通道板光电倍增管(MCP-PMT)应运而生，以连续的打拿级将PMT集成起来，提升了量子探测效率，又因为微通道板的通道长度较短，电子倍增的渡越时间弥散较小，可达到皮秒量级。除此之外MCP-PMT可集成的大面阵光子探测器更适合于极微弱目标、光子量级、远距离的探测。
MCP-PMT作为单光子探测器有其独有的优势，它的超快时间响应、抗强磁场干扰等优点，使其在航空航天、超快诊断等多种领域得到广泛应用。目前国内的光子计数激光雷达成像系统大多采用单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)作为系统的单光子探测器，32x32阵列的SPAD的量子效率仅为22％，增益为10^5，成像距离仅在100m范围内，而且整体系统结构较为复杂，体积大，价格昂贵，不利于广泛推广应用。
实用新型内容
针对上述不足，本实用新型的目的在于，提供一种精确度高，成像效果好的基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案是：
一种基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统，其包括激光器、单光子探测器、收发光学系统、振镜模块和控制与数据处理器，所述单光子探测器为多阳极MCP-PMT阵列，所述收发光学系统分别与激光器、振镜模块和多阳极MCP-PMT阵列相连接，所述控制与数据处理器与多阳极MCP-PMT阵列相连接。激光器发出激光脉冲，收发光学系统将激光器发出的激光脉冲处理成均匀的平行激光，并将平行激光分成两束激光，其中一束激光入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个开始计时信号，另一束激光经过振镜模块照射到目标表面；照射到目标表面的激光回波经过振镜模块的收集返回到收发光学系统处理后入射到多阳极MCP-PMT阵列形成一个结束计时信号；控制与数据处理器对多阳极MCP-PMT阵列所反馈的开始计时信号和结束计时信号进行分别处理获得光子计数激光雷达的3D成像。
作为本实用新型的一种优选方案，所述激光器为高重频脉冲激光器。
作为本实用新型的一种优选方案，所述收发光学系统包括扩束器、第一半波片、第二半波片、四分之一波片、偏振分束棱镜和光纤耦合器，所述扩束器、第一半波片和偏振分束棱镜沿第一光轴方向依次排列设置，所述光纤耦合器、偏振分束棱镜、四分之一波片和第二半波片沿第二光轴方向依次排列设置，所述第一光轴和第二光轴之间呈一定夹角。由激光器发出激光脉冲进入扩束器，通过该扩束器将该激光脉冲处理成为均匀的平行激光，然后通过第一半波片的旋转来调整激光的偏振方向，以配合后端的偏振分束棱镜。平行激光进入偏振分束棱镜被分成两束激光，即把发射出去的光和接收回来的光进行区分开来，其中一束激光通过光纤耦合器入射到多阳极MCP-PMT阵列；另一束激光依次经过四分之一波片、第二半波片以及振镜模块才照射到目标表面；照射到目标表面的激光回波经过目标前方的振镜模块的收集，原路返回到收发光学系统内部，然后经过偏振分束棱镜和光纤耦合器入射到多阳极MCP-PMT阵列上。
作为本实用新型的一种优选方案，所述第一光轴和第二光轴的之间夹角为90度。
作为本实用新型的一种优选方案，所述光纤耦合器和多阳极MCP-PMT阵列通过光纤进行连接。
作为本实用新型的一种优选方案，所述振镜模块包括扫描振镜和设置在该扫描振镜前方的镜头。
作为本实用新型的一种优选方案，所述控制与数据处理器包括相连接的MCP-PMT后置电路模块、光子计数电路模块和控制与数据处理模块。所述MCP-PMT后置电路模块对多阳极MCP-PMT阵列所反馈的开始计时信号和结束计时信号进行处理得到TTL电平信号以适合于后端电路模块的读取，使得光子计数电路模块准确识别开始与结束的脉冲信号；应用光子飞行时间TOF原理，通过光子计数电路模块处理计算出每个信号光子的飞行时间和光子数目，实现激光雷达点云数据的获取，再经过控制与数据处理模块的分析处理进而实现光子计数激光雷达的3D成像。
作为本实用新型的一种优选方案，所述激光器、收发光学系统、振镜模块、多阳极MCP-PMT阵列和控制与数据处理器设置在工作台上，并在工作台上设有能将激光器、收发光学系统、振镜模块、多阳极MCP-PMT阵列和控制与数据处理器罩住的隔光罩。通过隔光罩来减小外界杂光的影响。
作为本实用新型的一种优选方案，所述多阳极MCP-PMT阵列的阵列为4x4，量子效率达24％，增益为10^6，可实现更微弱或者更远距离的目标探测。
本实用新型的有益效果为：本实用新型结构设计合理，应用激光器主动照明成像方式，结合振镜扫描方式能完成对大范围目标场景的扫描获取，并采用多阳极MCP-PMT阵列作为单光子探测器，具有单光子探测灵敏度、高时间分辨率、高量子效率、大探测面阵、较小时间弥散等优点，因此能够实现更远距离的暗弱目标的探测，使得整个系统性能、灵敏度以及探测效率有很大的提升，适合于极微弱光信号、光子信号的探测成像，适用范围广。另外整体结构简单、紧凑，体积小，成本低，易于实现，能实现更高效率更远距离的光子探测成像，利于广泛推广使用。
下面结合附图与实施例，对本实用新型进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型的系统结构示意图。
图2为本实用新型的系统模块示意图。
具体实施方式
参见图1和图2，本实施例提供的一种基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统，其包括激光器1、单光子探测器、收发光学系统、振镜模块和控制与数据处理器。所述单光子探测器选为多阳极MCP-PMT阵列2，该多阳极MCP-PMT阵列2采用方形4x4阵列，量子效率达24％，增益为10^6，能实现更微弱或者更远距离的目标探测。
为方便操作，可以同时将所述激光器1、收发光学系统、振镜模块、多阳极MCP-PMT阵列2和控制与数据处理器设置在工作台上，并在工作台上设有能将激光器1、收发光学系统、振镜模块、多阳极MCP-PMT阵列2和控制与数据处理器罩住的隔光罩。通过隔光罩来减小外界杂光的影响。
所述收发光学系统分别与激光器1、振镜模块和多阳极MCP-PMT阵列2相连接，所述控制与数据处理器与多阳极MCP-PMT阵列2相连接。
所述激光器1优选为高重频脉冲激光器，能满足较高的能量和较高的重复频率。
具体的，所述收发光学系统包括扩束器3、第一半波片4、第二半波片5、四分之一波片6、偏振分束棱镜7和光纤耦合器8，所述扩束器3、第一半波片4和偏振分束棱镜7沿第一光轴方向依次排列设置，所述光纤耦合器8、偏振分束棱镜7、四分之一波片6和第二半波片5沿第二光轴方向依次排列设置，所述第一光轴和第二光轴之间呈一定夹角。所述第一光轴和第二光轴的之间夹角优选为90度。所述光纤耦合器8和多阳极MCP-PMT阵列2通过光纤9进行连接。
所述振镜模块包括扫描振镜10和设置在该扫描振镜10前方的镜头11。通过扫描振镜10和镜头11相配合，能实现通过振镜扫描方式完成对大范围目标场景的扫描获取。
所述控制与数据处理器包括相连接的MCP-PMT后置电路模块12、光子计数电路模块13和控制与数据处理模块14。
工作时，由激光器1发出激光脉冲进入扩束器3，通过该扩束器3将该激光脉冲处理成为均匀的平行激光，然后通过第一半波片4的旋转来调整激光的偏振方向，以配合后端的偏振分束棱镜7。平行激光进入偏振分束棱镜7被分成两束激光，即把发射出去的光和接收回来的光进行区分开来，其中一束激光通过光纤耦合器8入射到多阳极MCP-PMT阵列2形成一个开始计时信号；另一束激光依次经过四分之一波片6、第二半波片5以及振镜模块才照射到目标表面；照射到目标表面的激光回波经过目标前方的振镜模块的收集，原路返回到收发光学系统内部，然后经过偏振分束棱镜7和光纤耦合器8入射到多阳极MCP-PMT阵列2上形成一个结束计时信号。所述MCP-PMT后置电路模块12对多阳极MCP-PMT阵列2所反馈的开始计时信号和结束计时信号进行处理得到TTL电平信号以适合于后端电路模块的读取，使得光子计时电路模块13准确识别开始与结束的脉冲信号；应用光子飞行时间TOF原理，通过光子计数电路模块13处理计算出每个信号光子的飞行时间和光子数目，实现激光雷达点云数据的获取，再经过控制与数据处理模块14的分析处理进而实现光子计数激光雷达的3D成像。
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制，采用与其相同或相似的其它结构的系统，均在本实用新型保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统，其包括激光器和单光子探测器，其特征在于，其还包括收发光学系统、振镜模块和控制与数据处理器，所述单光子探测器为多阳极MCP-PMT阵列，所述收发光学系统分别与激光器、振镜模块和多阳极MCP-PMT阵列相连接，所述控制与数据处理器与多阳极MCP-PMT阵列相连接。
2.根据权利要求1所述的基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统，其特征在于，所述激光器为高重频脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统，其特征在于，所述收发光学系统包括扩束器、第一半波片、第二半波片、四分之一波片、偏振分束棱镜和光纤耦合器，所述扩束器、第一半波片和偏振分束棱镜沿第一光轴方向依次排列设置，所述光纤耦合器、偏振分束棱镜、四分之一波片和第二半波片沿第二光轴方向依次排列设置，所述第一光轴和第二光轴之间呈一定夹角。
4.根据权利要求3所述的基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统，其特征在于，所述第一光轴和第二光轴的之间夹角为90度。
5.根据权利要求3所述的基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统，其特征在于，所述光纤耦合器和多阳极MCP-PMT阵列通过光纤进行连接。
6.根据权利要求1所述的基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统，其特征在于，所述振镜模块包括扫描振镜和设置在该扫描振镜前方的镜头。
7.根据权利要求1所述的基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统，其特征在于，所述控制与数据处理器包括相连接的MCP-PMT后置电路模块、光子计数电路模块和控制与数据处理模块。
8.根据权利要求1所述的基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统，其特征在于，所述激光器、收发光学系统、振镜模块、多阳极MCP-PMT阵列和控制与数据处理器设置在工作台上，并在工作台上设有能将激光器、收发光学系统、振镜模块、多阳极MCP-PMT阵列和控制与数据处理器罩住的隔光罩。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的基于MCP-PMT的光子计数激光雷达成像系统，其特征在于，所述多阳极MCP-PMT阵列的阵列为4x4。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114137550A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-03-04 | 西安工业大学 | 一种大视场中搜索和跟踪低小慢目标的探测系统及方法 |
| CN116804760A (zh) * | 2023-08-21 | 2023-09-26 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | 一种高重频正交偏振光子计数测深系统及方法 |
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| CN116804760B (zh) * | 2023-08-21 | 2023-11-21 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | 一种高重频正交偏振光子计数测深系统及方法 |
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