基于Gm‑APD的高灵敏偏振激光雷达系统技术方案

基于Gm‑APD的高灵敏偏振激光雷达系统，涉及激光雷达技术领域，为了解决现有技术无法探测微弱信号，且无法区分目标和遮蔽物的问题。脉冲编码发生器驱动调制脉冲激光器产生激光信号脉冲序列，激光信号脉冲序列经起偏器和第一1/4波片调制，再经扫描器照射目标；返回的激光信号通过扫描器依次入射至窄带滤光片、第二1/4波片和偏振分光器，偏振分光器将入射的激光信号分为两路激光信号，两路激光信号分别由两个单光子探测器接收，两个单光子探测器输出的探测信号均输入给信号处理模块；信号处理模块用于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、强度和偏振度。本发明专利技术适用于探测微弱信号。

【技术实现步骤摘要】
基于Gm-APD的高灵敏偏振激光雷达系统
本专利技术涉及激光雷达
，特别涉及一种基于Gm-APD单光子探测器的高灵敏度微弱信号探测技术。
技术介绍
近几十年来，激光雷达以其方向性好，精度高，分辨率高，小型化等优点广泛地应用于国防以及工业的各个领域中。如今很多领域对于激光雷达探测距离的要求越来越大，另外还有大雾、沙尘等各种特殊环境中的应用等等，这些都导致回波信号极其微弱。除此之外，出于人眼安全和反侦察等方面的考虑，微弱信号的探测逐渐的成为了激光雷达的研究热点。现有的CCD、PIN等探测器无法满足其灵敏度的要求。然而考虑遮蔽目标的探测，3D距离像无法分别哪些像素点回波是目标的哪些是遮蔽物的，这会造成目标识别的模糊和不确定。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术无法探测微弱信号，且无法区分目标和遮蔽物的问题，从而提供基于Gm-APD的高灵敏偏振激光雷达系统。本专利技术所述的基于Gm-APD的高灵敏偏振激光雷达系统，包括脉冲编码发生器1、脉冲激光器2、起偏器3、第一1/4波片4、扫描器5、窄带滤光片6、第二1/4波片7、偏振分光器8、全反镜9、Gm-APD1单光子探测器10、Gm-APD2单光子探测器11和信号处理模块12；脉冲编码发生器1产生随机编码的脉冲序列电信号，该电信号用于作为参考信号输入给信号处理模块12，还用于作为外加驱动调制脉冲激光器2产生激光信号脉冲序列，激光信号脉冲序列经起偏器3和第一1/4波片4调制加载设定的偏振态，再经扫描器5照射目标；返回的激光信号通过扫描器5入射至窄带滤光片6，经窄带滤光片6滤光后入射至第二1/4波片7，第二1/4波片7透射的激光信号入射至偏振分光器8，偏振分光器8将入射的激光信号分为两路激光信号，两路激光信号分别由Gm-APD1单光子探测器10和Gm-APD2单光子探测器11接收，Gm-APD1单光子探测器10输出的探测信号和Gm-APD2单光子探测器11输出的探测信号均输入给信号处理模块12；信号处理模块12用于将参考信号分别与两路探测信号进行相关，得到相关峰的时间位置和相关峰的幅度，并根据相关峰的时间位置和相关峰的幅度得到被测物上对应像素点的距离、强度和偏振度；扫描器5进行逐点扫描，最终获得被测物上每个像素点的距离、强度和偏振度，得到目标的像。优选的是，起偏器3的偏振方向为90°，第一1/4波片4的光轴方向为17.632°，第二1/4波片7的光轴方向为17.632°+90°。优选的是，信号处理模块12根据相关峰的时间位置得到被测物的对应像素点的距离，具体为：相关峰的时间分别为tΙ和tΙΙ，激光信号脉冲序列往返于雷达系统和被测物的时间τ为，则被测物的对应像素点的距离R可以表示为其中，c为光速。优选的是，信号处理模块12根据相关峰的幅度得到被测物的对应像素点的强度，具体为：根据相关峰的幅度得到经偏振分光器8分光后的两探测光路的计数结果；则对应像素点的强度Ns为：Ns＝-ln(1-K1/K)-ln(1-K2/K)(3)其中，K为激光信号脉冲序列的脉冲数，K1和K2分别为两探测光路的计数结果。优选的是，信号处理模块12根据相关峰的幅度得到被测物的对应像素点的偏振度，具体为：根据相关峰的幅度得到经偏振分光器8分光后的两探测光路的计数结果；则对应像素点的偏振度DOP为：其中，K为激光信号脉冲序列的脉冲数，K1和K2分别为两探测光路的计数结果。Gm-APD具有极高的响应灵敏度，甚至能够对单个到来的光子进行响应，基于Gm-APD的光子计数激光雷达成为了微弱信号探测的理想系统。本专利技术提出了一个基于Gm-APD的光子计数偏振激光雷达系统，该系统可以对极微弱回波光信号(每个脉冲回波光子数远小于1)进行探测，同时获得回波信号的距离、强度、偏振信息，通过偏振信息的比对可以更加有效地对遮蔽物和目标进行分辨。附图说明图1是具体实施方式一所述的基于Gm-APD的高灵敏偏振激光雷达系统的结构示意图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于Gm-APD的高灵敏偏振激光雷达系统，包括脉冲编码发生器1、脉冲激光器2、起偏器3、第一1/4波片4、扫描器5、窄带滤光片6、第二1/4波片7、偏振分光器8、全反镜9、Gm-APD1单光子探测器10、Gm-APD2单光子探测器11和信号处理模块12；由脉冲编码发生器1产生随机编码的脉冲序列电信号，然后该电信号作为外加驱动调制脉冲激光器2产生激光信号脉冲序列。激光信号脉冲序列再经过起偏器3和第一1/4波片4，通过调节起偏器3和第一1/4波片4的光轴角度可以调制加载任意偏振态。本实施方式中起偏器的偏振方向设为90°，第一1/4波片4的光轴方向设为17.632°。这样发射信号的偏振态为已知的，可以表示为斯托克斯矢量已知发射偏振态已知编码序列的激光脉冲序列经过双摆镜的扫描器5照射目标。经过一定的往返时间，激光信号回到雷达系统接受部分的扫描器5。窄带滤光片6用于去滤除背景噪声，回波信号经过一个光轴方向为17.632°+90°的第二1/4波片7，再由偏振分光器8将偏振方向为90°和0°的两部分光分到两个Gm-APD单光子探测器上。两个Gm-APD单光子探测器的探测结果被记录，和初始的脉冲编码发生器1调制的脉冲序列一起送入信号处理模块12。两路探测结果分别和参考信号进行相关，得到相关峰的时间位置以及相关峰的幅度，最后通过数据的处理给出一个像素点的距离、强度以及偏振度。通过扫描的方法，获得被测物上每个像素点的信息，从而得到目标的像。1、距离信息两路探测信号分别与参考信号的相关处理，得到相关峰的时间分别为tΙ,tΙΙ，激光信号脉冲序列往返于雷达系统和被测物的时间τ为，则被测物的对应像素点的距离R可以表示为其中，c为光速。2、强度和偏振度发射信号的偏振态调制为已知的回波信号经过方向为17.632°+90°的第二1/4波片7，再由偏振分光器将偏振方向90°和0°的两部光分别分配到Gm-APD1单光子探测器10、Gm-APD2单光子探测器11两个探测器上，这两路信号偏振态的变化可以用米勒矩阵表示，为和假设目标的米勒矩阵为M，两路回波信号的偏振态可以分别表示为和则两路信号的强度分别可以表示为和M11为位于矩阵M第一行第一列的元素，M33为位于矩阵M第三行第三列的元素。Is是平均每个回波信号脉冲的能量，Is＝I1+I2，将其写为光电子的形式为λ为激光工作波长，h为普朗克常量，c为光速，η为量子效率。这样两路探测光路上平均每个脉冲接收到的信号光子数分别为和根据泊松概率响应模型，两路探测器被信号触发的概率分别为P1＝1-exp(-N1)和P2＝1-exp(-N2)。采用激光信号脉冲的编码序列进行探测，一次探测使用的脉冲序列脉冲数为K，则两探测光路的计数结果分别为K1和K2，这样两探测光路的探测概率就可以统计为P1＝K1/K和P2＝K2/K，因此可以得到两探测光路光电子形式的强度。N1＝-ln(1-P1)＝-ln(1-K1/K)(2a)N2＝-ln(1-P2)＝-ln(1-K2/K)(2b)这样一个脉冲回波强度即一个像素点的强度Ns为Ns＝N1+N2＝-ln(1-K1/K)-ln(1-K2/K)(3)偏振度DOP为Gm-APD不同于传统探测器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于Gm‑APD的高灵敏偏振激光雷达系统，其特征在于，包括脉冲编码发生器(1)、脉冲激光器(2)、起偏器(3)、第一1/4波片(4)、扫描器(5)、窄带滤光片(6)、第二1/4波片(7)、偏振分光器(8)、全反镜(9)、Gm‑APD1单光子探测器(10)、Gm‑APD2单光子探测器(11)和信号处理模块(12)；脉冲编码发生器(1)产生随机编码的脉冲序列电信号，该电信号用于作为参考信号输入给信号处理模块(12)，还用于作为外加驱动调制脉冲激光器(2)产生激光信号脉冲序列，激光信号脉冲序列经起偏器(3)和第一1/4波片(4)调制加载设定的偏振态，再经扫描器(5)照射目标；返回的激光信号通过扫描器(5)入射至窄带滤光片(6)，经窄带滤光片(6)滤光后入射至第二1/4波片(7)，第二1/4波片(7)透射的激光信号入射至偏振分光器(8)，偏振分光器(8)将入射的激光信号分为两路激光信号，两路激光信号分别由Gm‑APD1单光子探测器(10)和Gm‑APD2单光子探测器(11)接收，Gm‑APD1单光子探测器(10)输出的探测信号和Gm‑APD2单光子探测器(11)输出的探测信号均输入给信号处理模块(12)；信号处理模块(12)用于将参考信号分别与两路探测信号进行相关，得到相关峰的时间位置和相关峰的幅度，并根据相关峰的时间位置和相关峰的幅度得到被测物上对应像素点的距离、强度和偏振度；扫描器(5)进行逐点扫描，最终获得被测物上每个像素点的距离、强度和偏振度，得到目标的像。...

【技术特征摘要】
1.基于Gm-APD的高灵敏偏振激光雷达系统，其特征在于，包括脉冲编码发生器(1)、脉冲激光器(2)、起偏器(3)、第一1/4波片(4)、扫描器(5)、窄带滤光片(6)、第二1/4波片(7)、偏振分光器(8)、全反镜(9)、Gm-APD1单光子探测器(10)、Gm-APD2单光子探测器(11)和信号处理模块(12)；脉冲编码发生器(1)产生随机编码的脉冲序列电信号，该电信号用于作为参考信号输入给信号处理模块(12)，还用于作为外加驱动调制脉冲激光器(2)产生激光信号脉冲序列，激光信号脉冲序列经起偏器(3)和第一1/4波片(4)调制加载设定的偏振态，再经扫描器(5)照射目标；返回的激光信号通过扫描器(5)入射至窄带滤光片(6)，经窄带滤光片(6)滤光后入射至第二1/4波片(7)，第二1/4波片(7)透射的激光信号入射至偏振分光器(8)，偏振分光器(8)将入射的激光信号分为两路激光信号，两路激光信号分别由Gm-APD1单光子探测器(10)和Gm-APD2单光子探测器(11)接收，Gm-APD1单光子探测器(10)输出的探测信号和Gm-APD2单光子探测器(11)输出的探测信号均输入给信号处理模块(12)；信号处理模块(12)用于将参考信号分别与两路探测信号进行相关，得到相关峰的时间位置和相关峰的幅度，并根据相关峰的时间位置和相关峰的幅度得到被测物上对应像素点的距离、强度和偏振度；扫描器(5)进行逐点扫描，最终获得被测物上每个像素点的距离、强度和偏振度，得到目标的像。2.根据权利要求1所述的基于Gm-APD的高灵敏偏振激光雷达系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子静，赵远，宋杰，孙怿飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23