可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达及其测距方法技术

本发明专利技术公开了一种可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达及其测距方法，该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、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、计时电路和计数电路，通过组合激光脉冲发射与接收，结合低通滤波和组合脉冲相关识别，实现光子计数高精度测距。本发明专利技术可实现组合脉冲相关光子计数测距，具有作用距离远、测距精准度高和实时性好等突出优势，特别适用于近程高速目标的测距与成像。

【技术实现步骤摘要】
可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达及其测距方法
本专利技术涉及光子计数激光雷达技术，具体是涉及一种可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达及其测距方法。
技术介绍
激光雷达具有高角度分辨率、高距离分辨率、小发散角等优点，在工业生产、航天、军事等方面都有广泛的应用。基于时间相关单光子计数激光雷达具有更高的时间分辨精度和探测灵敏度，是当代激光雷达主要的发展方向之一。中国专利201510477918.X公开了一种基于复合调制脉冲编码的4D成像光子计数激光雷达。通过信号发生器、激光器、发射光学系统、接收光学系统、窄带滤波片、Gm-APD单光子探测器、信号处理模块，实现了多组合脉冲的测距并获得了目标的强度信息。该专利通过信号发生器驱动单个激光器产生脉冲序列，其缺点在于需要大量的累加次数以实现光子计数值的幅值差异，无法针对少量累加次数后光子计数值为1情况下的测距。同时，该方法对激光器的性能要求较高，脉冲序列的间隔较长且不可调节，激光器无法以较短的脉冲间隔连续发射激光脉冲。其次，在近距离测距时，后续发射脉冲的电磁干扰及后向散射会造成很高的虚警率，不能实现强背景噪声条件下虚警率控制。因此实时性不足，难以在较强背景噪声条件下实现运动目标的精准动态测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达及其测距方法，提高了激光雷达光子检测的测距效率和精度。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种可实现组合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、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、计时电路和计数电路，所述激光器驱动电路和脉冲半导体激光器个数相等，均不少于一个；所述测距管理终端与时序控制电路相连；所述时序控制电路与激光器驱动电路、控制传递器、计数电路和计时电路相连，其中激光器驱动电路与脉冲半导体激光器一一对应相连，驱动的半导体激光器间断发射，组成组合脉冲，照射向发射光学系统；所述控制传递器一方面通过距离门电路与盖革模式APD组件相连，另一方面直接与盖革模式APD组件相连；所述盖革模式APD组件设置在接收光学系统的焦点处，一方面通过计时电路和测距管理终端相连，另一方面通过计数电路与测距管理终端相连。一种可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达的测距方法，包括如下步骤：步骤1、工作前噪声的采集与评估：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并将结果发送给测距管理终端，测距管理终端对噪声强度进行评估；步骤2、控制虚警率的初始参数设置：测距管理终端根据噪声强度评估结果进行初始参数设置，包括决策脉冲探测累计次数、组合脉冲判别宽度、测探周期、组合脉冲发射延时、距离门等待时间和距离门持续时间；步骤3、组合脉冲发射：实现虚警率调控后，光子计数激光雷达开始测距工作，时序控制电路采纳由测距管理终端发送的组合脉冲发射延时，设置三个子脉冲的产生时刻，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“距离门持续时间”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，计时和计数数据同步发送到测距管理终端等待处理；步骤4、光子计数激光雷达相关测距数据处理：当完成设定的探测周期后，测距管理终端根据周期内采集到的光子信号序列，用组合三脉冲测量后的结果作为一个数据包，统计所有探测周期的光子事件的分布A，提取回波目标的相应位置，即得测距数据；步骤5、测距过程中的噪声评估和虚警率控制：当完成若干个大探测周期后，统计组合三脉冲测量后的结果得出当前的虚警率，根据恒虚警率控制要求，调节脉冲探测累计次数和判别宽度，若当前虚警率高于要求值，则增加脉冲探测累计次数并且缩短判别宽度，以实现测距过程中的虚警率控制。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)本专利技术采用发射间隔大于盖革模式APD死区时间，激光脉宽小于盖革模式APD死区时间的组合脉冲发射方案，间隔时间可以根据不同的噪声强度灵活调节，克服了常规激光器无法在极短时间内连续发射的缺点，提高测距的作用距离和测距精度；2)本专利技术提出了用宽度等于两倍发射脉宽的矩形窗函数对信号进行局域算数平均以实现低通滤波，抑制变化迅速又无序的噪声信号克服了少量光子计数信号无法和发射脉冲相关的重大难题；3)本专利技术利用互相关算法测距，在相同的测距精度下可大幅减少测距所需的计数周期数，提高了距离鉴别算法的计算效率，降低了测距控制终端的响应时间，满足激光雷达对测距系统的实时性要求；4)本专利技术针对不同噪声强度，设置相应的系统工作参数及判别参数从而抑制背景光子产生的虚警，可在不同背景光条件下实现组合激光脉冲测距工作，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。附图说明图1为本专利技术可实现组合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，可实现组合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、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、计时电路和计数电路，所述激光器驱动电路和脉冲半导体激光器个数相等，均不少于一个；所述测距管理终端与时序控制电路相连；所述时序控制电路与激光器驱动电路、控制传递器、计数电路和计时电路相连，其中激光器驱动电路与脉冲半导体激光器一一对应相连，驱动的半导体激光器间断发射，组成组合脉冲，照射向发射光学系统；所述控制传递器一方面通过距离门电路与盖革模式APD组件相连，另一方面直接与盖革模式APD组件相连；所述盖革模式APD组件设置在接收光学系统的焦点处，一方面通过计时电路和测距管理终端相连，另一方面通过计数电路与测距管理终端相连。作为一种具体实施方式，本专利技术采用三个激光器驱动电路驱动三个脉冲半导体激光器组成组合光源作为探测光源进行测距探测。本专利技术的光子计数激光雷达通过恒虚警控制的系统工作参数及判别参数设置方案抑制背景光子产生的虚警，可在不同背景光条件下实现组合激光脉冲测距工作并满足虚警率要求，具体包括如下步骤：步骤1、工作前噪声的采集与评估：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并将结果发送给测距管理终端，测距管理终端对噪声强度(即噪声速率)进行评估。步骤2、控制虚警率的初始参数设置：测距管理终端根据噪声强度评估结果进行初始参数设置，包括决策脉冲探测累计次数、组合脉冲判别宽度、测探周期、组合脉冲发射延时、距离门等待时间和距离门持续时间。步骤3、组合脉冲发射：实现虚警率调控后，光子计数激光雷达开始测距工作，时序控制电路采纳由测距管理终端发送的组合脉冲发射延时，设置三个子脉冲的产生时刻分别为ts，ts+Δt1和ts+Δt1+Δt2其中Δt1和Δt2为大于死区时间且不相等的两个延时，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、准直后照射向待本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.可实现组合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、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、计时电路和计数电路，所述激光器驱动电路和脉冲半导体激光器个数相等，均不少于一个；所述测距管理终端与时序控制电路相连；所述时序控制电路与激光器驱动电路、控制传递器、计数电路和计时电路相连，其中激光器驱动电路与脉冲半导体激光器一一对应相连，驱动的半导体激光器间断发射，组成组合脉冲，照射向发射光学系统；所述控制传递器一方面通过距离门电路与盖革模式APD组件相连，另一方面直接与盖革模式APD组件相连；所述盖革模式APD组件设置在接收光学系统的焦点处，一方面通过计时电路和测距管理终端相连，另一方面通过计数电路与测距管理终端相连。

【技术特征摘要】
1.可实现组合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、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、计时电路和计数电路，所述激光器驱动电路和脉冲半导体激光器个数相等，均不少于一个；所述测距管理终端与时序控制电路相连；所述时序控制电路与激光器驱动电路、控制传递器、计数电路和计时电路相连，其中激光器驱动电路与脉冲半导体激光器一一对应相连，驱动的半导体激光器间断发射，组成组合脉冲，照射向发射光学系统；所述控制传递器一方面通过距离门电路与盖革模式APD组件相连，另一方面直接与盖革模式APD组件相连；所述盖革模式APD组件设置在接收光学系统的焦点处，一方面通过计时电路和测距管理终端相连，另一方面通过计数电路与测距管理终端相连。2.根据权利要求1所述的可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达，其特征在于，采用三个激光器驱动电路驱动三个脉冲半导体激光器组成组合光源作为探测光源进行测距探测。3.可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达的测距方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、工作前噪声的采集与评估：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并将结果发送给测距管理终端，测距管理终端对噪声强度进行评估；步骤2、控制虚警率的初始参数设置：测距管理终端根据噪声强度评估结果进行初始参数设置，包括决策脉冲探测累计次数、组合脉冲判别宽度、测探周期、组合脉冲发射延时、距离门等待时间和距离门持续时间；步骤3、组合脉冲发射：实现虚警率调控后，光子计数激光雷达开始测距工作，时序控制电路采纳由测距管理终端发送的组合脉冲发射延时，设置三个子脉冲的产生时刻，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“距离门持续时间”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，计时和计数数据同步发送到测距管理终端等待处理；步骤4、光子计数激光雷达相关测距数据处理：当完成设定的探测周期后，测距管理终端...

【专利技术属性】
技术研发人员：来建成，马一然，李志健，李振华，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