可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法技术

本发明专利技术公开了一种可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法。本发明专利技术包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、电动可调光学衰减器、恒虚警衰减控制单元、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、高精度计时电路和计数电路。本发明专利技术引入基于恒虚警控制的全自动光学衰减控制原理，使盖革模式APD组件能在不同背景光条件下均保持极低的虚警率，从而可实现单激光脉冲测距工作，具有测距响应速度快、实时性好、作用距离远等特点，特别适用于高速动态目标的实时测距与成像。

【技术实现步骤摘要】
可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法
本专利技术涉及一种光子计数激光雷达，特别是可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法。
技术介绍
激光雷达是以激光作为信号载波的雷达系统，其在军事、天文、工业等诸多领域都有着广泛应用。随着应用范围的拓展，激光雷达对极弱光的探测提出了越来越高的要求，因此具有光子计数灵敏度的盖革模式APD探测技术首当其冲被用到了激光雷达技术中。专利申请号CN201710592023.X(申请公开号CN107272020A)报道了一种基于盖革模式APD的高灵敏偏振激光雷达系统,通过脉冲激光器、起偏器、1/4波片、窄带滤光片、和偏振分光器,将入射的激光信号分为两路激光信号并由两个单光子探测器接收,用信号处理模块将参考信号分别与两路探测信号进行相关,得到被测物上对应像素点的距离、强度等信息。该专利涉及的光子计数激光雷达工作在多脉冲累积累加统计方式，需要进行10^3～10^5次激光脉冲的发射和探测才能一次测距过程，因此实时性差，难以用于运动目标的测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达及恒虚警控制方法，提高了激光雷达光子检测灵敏度和实时性。实现本专利技术的技术解决方案为：一种可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达，包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、电动可调光学衰减器、恒虚警衰减控制单元、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、高精度计时电路和计数电路，其中测距管理终端与时序控制电路和计时电路相连；时序控制电路与激光器驱动电路、恒虚警衰减控制单元、控制传递器、计时电路和计数电路相连；激光器驱动电路与脉冲半导体激光器相连，脉冲半导体激光器的发光结设置在发射光学系统的焦点上；接收光学系统的焦点处设置盖革模式APD组件，接收光学系统发射光轴与盖革模式APD组件的接收接收光轴平行，盖革模式APD组件与计时电路、计数电路和控制传递器相连；在接收光学系统与盖革模式APD组件之间设置电动可调光学衰减器，电动可调光学衰减器与恒虚警衰减控制单元相连，恒虚警衰减控制单元与计数电路相连；控制传递器通过距离门电路与盖革模式APD组件相连。上述光子计数激光雷达的恒虚警控制方法，包括如下步骤：步骤1、工作前预恒虚警调控：在激光雷达工作前，时序控制电路控制传递器触发盖革模式APD组件检测噪声光子，计数电路记录噪声光子数，测距管理终端计算工作前的预虚警率，并与预期虚警率对比，若不一致，则通过恒虚警衰减控制单元驱动电动可调光学衰减器衰减入射光强，使得预虚警率达到预期虚警率，实现工作前预恒虚警调控；步骤2、单脉冲发射：预虚警率调控完毕后，时序控制电路通过激光器驱动电路驱动半导体脉冲激光器产生激光脉冲，激光脉冲经过发射光学系统扩束、准直后照射向待测目标；与此同时，时序控制电路根据设定的“距离门等待时间”和“距离门延时”控制距离门电路产生光电探测器使能信号，驱动盖革模式APD组件检测光子，计时电路同步计时，光子计数电路同步计数；步骤3、工作过程中虚警恒调控：当完成设定的探测周期后，测距管理终端根据回波信号峰值剔除信号探测时隙，统计纯噪声光子事件的计数次数之和，计算虚警率，并与预期虚警率对比，若不一致，则通过恒虚警衰减控制单元驱动电动可调光学衰减器衰减入射光强，使得虚警率达到预期虚警率，实现工作过程中虚警恒调控。本专利技术与现有技术相比，其显著优势为：1)本专利技术引入基于恒虚警控制的全自动光学衰减抑制背景光子产生的虚警，可在不同背景光条件下实现单激光脉冲测距工作，具有测距响应速度快、实时性好、作用距离远等特点，特别适用于高速动态目标的实时测距与成像；2)本专利技术采用发射脉冲宽度大于盖革模式APD组件死区时间设计方案，巧妙实现了单脉冲激光脉冲作用下的多触发工作模式，可显著提高单脉冲测距的作用距离和测距精度；3)本专利技术采用连续测距前的恒虚警衰减控制和全过程虚警率控制相结合的虚警控制策略，确保了激光雷达工作的稳定性、可靠性和环境适应性附图说明图1为本专利技术可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例进一步说明本专利技术方案。如图1所示，可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达，包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、电动可调光学衰减器、恒虚警衰减控制单元、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、高精度计时电路和计数电路，其中测距管理终端与时序控制电路和计时电路相连；时序控制电路与激光器驱动电路、恒虚警衰减控制单元、控制传递器、计时电路和计数电路相连；激光器驱动电路与脉冲半导体激光器相连，脉冲半导体激光器的发光结设置在发射光学系统的焦点上；接收光学系统的焦点处设置盖革模式APD组件，接收光学系统发射光轴与盖革模式APD组件的接收接收光轴平行，盖革模式APD组件与计时电路、计数电路和控制传递器相连；在接收光学系统与盖革模式APD组件之间设置电动可调光学衰减器，电动可调光学衰减器与恒虚警衰减控制单元相连，恒虚警衰减控制单元与计数电路相连；控制传递器通过距离门电路与盖革模式APD组件相连。作为一种具体实施方式，所述光子计数激光雷达采用905nm脉冲半导体激光器作为探测光源，使系统具有测距重复频率高、体积小、功耗低和成本低等突出优势。作为一种具体实施方式，脉冲半导体激光器的发射脉冲宽度大于盖革模式APD组件的死区时间，巧妙实现了单脉冲激光脉冲作用下的多触发工作，可显著提高单脉冲测距的作用距离和测距精度。本专利技术的光子计数激光雷达通过恒虚警控制的全自动光学衰减强力抑制背景光子产生的虚警，从而可保证光子计数激光雷达在单脉冲探测条件下能满足虚警率要求，恒虚警控制方法具体包括如下步骤：步骤1、工作前预恒虚警调控：在激光雷达工作前，时序控制电路控制传递器触发盖革模式APD组件检测噪声光子，计数电路记录噪声光子数，测距管理终端计算工作前的预虚警率，并与预期虚警率对比，若不一致，则通过恒虚警衰减控制单元驱动电动可调光学衰减器衰减入射光强，使得预虚警率达到预期虚警率，实现工作前预恒虚警调控。作为一种具体实施方式，步骤1计算预虚警率的公式为：式中，Pf-n为预虚警率，为每个死区时间内的噪声光子探测概率，Td为死区时间，Mn为背景光噪声事件数。步骤2、单脉冲发射：预虚警率调控完毕后，时序控制电路通过激光器驱动电路驱动半导体脉冲激光器产生激光脉冲，激光脉冲经过发射光学系统扩束、准直后照射向待测目标；与此同时，时序控制电路根据设定的“距离门等待时间”和“距离门延时”控制距离门电路产生光电探测器使能信号，驱动盖革模式APD组件检测光子，计时电路同步计时，光子计数电路同步计数；步骤3、工作过程中虚警恒调控：当完成设定的探测周期后，测距管理终端根据回波信号峰值剔除信号探测时隙，统计纯噪声光子事件的计数次数之和，计算虚警率，并与预期虚警率对比，若不一致，则通过恒虚警衰减控制单元驱动电动可调光学衰减器衰减入射光强，使得虚警率达到预期虚警率，实现工作过程中虚警恒调控。作为一种具体实施方式，步骤3选择设定选择探测周期内回波信号峰值的时间点为基准，向前退一个脉冲宽度，计算该时间点领域内的平均噪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达，其特征在于，包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、电动可调光学衰减器、恒虚警衰减控制单元、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、高精度计时电路和计数电路，其中测距管理终端与时序控制电路和计时电路相连；时序控制电路与激光器驱动电路、恒虚警衰减控制单元、控制传递器、计时电路和计数电路相连；激光器驱动电路与脉冲半导体激光器相连，脉冲半导体激光器的发光结设置在发射光学系统的焦点上；接收光学系统的焦点处设置盖革模式APD组件，接收光学系统发射光轴与盖革模式APD组件的接收接收光轴平行，盖革模式APD组件与计时电路、计数电路和控制传递器相连；在接收光学系统与盖革模式APD组件之间设置电动可调光学衰减器，电动可调光学衰减器与恒虚警衰减控制单元相连，恒虚警衰减控制单元与计数电路相连；控制传递器通过距离门电路与盖革模式APD组件相连。

【技术特征摘要】
1.一种可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达，其特征在于，包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、电动可调光学衰减器、恒虚警衰减控制单元、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、高精度计时电路和计数电路，其中测距管理终端与时序控制电路和计时电路相连；时序控制电路与激光器驱动电路、恒虚警衰减控制单元、控制传递器、计时电路和计数电路相连；激光器驱动电路与脉冲半导体激光器相连，脉冲半导体激光器的发光结设置在发射光学系统的焦点上；接收光学系统的焦点处设置盖革模式APD组件，接收光学系统发射光轴与盖革模式APD组件的接收接收光轴平行，盖革模式APD组件与计时电路、计数电路和控制传递器相连；在接收光学系统与盖革模式APD组件之间设置电动可调光学衰减器，电动可调光学衰减器与恒虚警衰减控制单元相连，恒虚警衰减控制单元与计数电路相连；控制传递器通过距离门电路与盖革模式APD组件相连。2.根据权利要求1所述的可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达，其特征在于，采用905nm脉冲半导体激光器作为探测光源。3.根据权利要求1所述的可实现单脉冲测距的光子计数激光雷达，其特征在于，脉冲半导体激光器的发射脉冲宽度大于盖革模式APD组件的死区时间。4.基于权利要求1-3任意一项所述的光子计数激光雷达的恒虚警控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、工作前预恒虚警调控：在激光雷达工作前，时序控制电路控制传递器触发盖革模式APD组件检测噪声光子，计数电路记录噪声光子数，测距管理终端计算工作前的预虚警率，并与预期虚警率对比，若不一致，则通过恒虚警衰减控制单元驱动电动可调光学衰减器衰减入射光强，使得预虚警率达到预期虚警率，实现工作前预恒虚警调控；步骤2、单脉冲发射：预虚警率调控完毕后，时序控制电路通过激光器驱动电路驱动半导体脉冲激光器产生激光脉冲，激光脉冲经过发射光学系统扩束、准直...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振华，马一然，来建成，王春勇，严伟，纪运景，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32