一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，包括聚光透镜、光子计数探测器、信号比较电路、计数电路、激光雷达信号处理器、步进电机控制器、步进电机、导轨以及时序电路；激光雷达信号处理器根据光子计数次数与周期性激光脉冲总数产生步进电机的控制信号，步进电机在导轨的一端用以驱动光子计数探测器的移动。本发明专利技术通过光敏面离焦控制实施接收光通量调节，相比于插入式衰减片调节原理，具有无插入损耗、可实施衰减量连续调节以及便于实施自动闭环调节等突出优势。节以及便于实施自动闭环调节等突出优势。节以及便于实施自动闭环调节等突出优势。

【技术实现步骤摘要】
一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统及方法


[0001]本专利技术属于激光雷达接收系统，具体为一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统及方法。

技术介绍

[0002]随着激光雷达技术的发展，激光雷达在无人驾驶、灵敏弹药等军用、民用领域中有了较为广泛的应用。而随着光探测器技术的进步，具有单光子灵敏度的探测器因其具有显著的高灵敏度、高集成度、低功耗等优势，日益成为了激光雷达研究的前沿领域。在单光子探测器中，雪崩光电二极管探测器(简称SPAD)由于具有光子响应时间精度高、易集成等优势，获得了大部分研究者的关注。但由于SPAD自身存在死区时间的缺陷，会造成光子计数事件的丢失，导致“事件相关光子计数直方图”相对真实回波信号产生畸变，为此，TCSPC制造商提出了经典的低通量的“5％准则”，即如果系统的光子计数次数小于周期性激光脉冲总数的5％，则认为未发生计数丢失与信号畸变。
[0003]现有光子计数激光雷达没有自适应调节过程，为满足低通量的“5％准则”只能以最大的背景光为基准来设置接收系统的光通量，使得其在背景光较弱的情况下无法发挥探测器的最大性能。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本专利技术提出了一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案为：一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，包括聚光透镜、光子计数探测器、信号比较电路、计数电路、激光雷达信号处理器、步进电机控制器、步进电机、导轨以及时序电路；其中,聚光透镜用于收集光线入射到光子计数探测器上；所述光子计数探测器固定在导轨上，且光子计数探测器的中心位于聚光透镜的光轴上，导轨与聚光透镜的光轴平行；光子计数探测器的输出与信号比较电路的输入相连，信号比较电路的输出和计数电路的输入相连，计数电路的输出与激光雷达信号处理器的输入相连，激光雷达信号处理器的输出与步进电机控制器的输入端相连，步进电机控制器的输出端与步进电机相连，步进电机在导轨的一端用以驱动光子计数探测器的移动，时序电路分别与计数电路和激光雷达信号处理器相连，激光雷达信号处理器用于根据光子计数次数与周期性激光脉冲总数产生步进电机的控制信号。
[0006]优选地，激光雷达信号处理器根据光子计数次数与周期性激光脉冲总数产生步进电机的控制信号的具体方法为：
[0007]将光子计数次数与周期性激光脉冲总数的比值作为光通量衰减率；
[0008]将光通量衰减率与阈值进行比较，若光子计数探测器光敏面处的衰减率>所设阈值，步进电机带动光子计数探测器向远离焦点方向移动；
[0009]若光子计数探测器光敏面处的衰减率<所设阈值，步进电机带动光子计数探测器向靠近焦点方向移动；
[0010]若光子计数探测器光敏面处的衰减率＝所设阈值，步进电机停止工作。
[0011]优选地，阈值R0具体为：
[0012][0013]式中，x0为当光子计数探测器符合5％准则时的离焦量；d为探测器光敏面面的直径；F为透镜的F数。
[0014]本专利技术还提出了一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收方法，具体步骤如下：
[0015]步骤1、聚光透镜收集光线入射到光子计数探测器上，引起光子计数探测器的输出；
[0016]步骤2、光子计数探测器的输出信号输入至信号比较电路；
[0017]步骤3、信号比较电路对接收到的光子计数探测器的输出信号进行回波有无的鉴别，再将回波信号有无对应的二进制脉冲信号输出至计数电路中；
[0018]步骤4、计数电路受到时序电路控制，统计周期内接收到的二进制脉冲信号的脉冲数，即光子计数次数，将统计结果输出至同样受时序电路控制的激光雷达信号处理器中；
[0019]步骤5：激光雷达信号处理器将系统的光子计数次数与周期性激光脉冲总数的比值作为光子计数探测器光敏面的光通量衰减率，并设置阈值作为基准产生控制步进电机的信号，将信号输出至步进电机控制器。
[0020]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本专利技术创新提出探测器光敏面高精度离焦控制接收光通量，实施虚警控制方法，是一种全新的激光雷达自动增益控制方法； (2)本专利技术通过光敏面离焦控制实施接收光通量调节，相比于插入式衰减片调节原理，具有无插入损耗、可实施衰减量连续调节以及便于实施自动闭环调节等突出优势；(3) 本专利技术具有原理明确、装置简单、光通量控制灵敏度高、环境适应能力好等突出优势，在光子计数激光雷达领域具有重要应用前景。
[0021]本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0022]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0023]图1为本专利技术一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统的装置结构框图。
[0024]图2为本专利技术的光通量控制电路模块工作流程示意图。
[0025]图3为实例所述的步进电机控制器控制步进电机移动的控制曲线。
具体实施方式
[0026]容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本专利技术的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本专利技术。下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本专利技术的实施例一起用于阐释本专利技术的创新构思。
[0027]如图1所示，一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，包含聚光透镜1，光子计数探测器2，信号比较电路3，计数电路4，激光雷达信号处理器5，步进电机控制器6，步进电机7，高精度微位移导轨8，时序电路9；其中聚光透镜1用于收集光线入射到光子计数探测器上；光子计数探测器2固定在高精度微位移导轨8上，且光子计数探测器2的中心位于聚光透镜1的光轴上，导轨8与聚光透镜1的光轴严格平行；光子计数探测器2的输出与信号比较电路3的输入相连，信号比较电路3的输出和计数电路4的输入相连，计数电路4的输出与激光雷达信号处理器5的输入相连，激光雷达信号处理器5的输出与步进电机控制器6的输入端相连，步进电机控制器6的输出端与步进电机7相连，步进电机7在高精度微位移导轨8的一端，时序电路9分别与计数电路4和激光雷达信号处理器5相连，激光雷达信号处理器5用于根据光子计数次数与周期性激光脉冲总数产生步进电机7的控制信号。
[0028]下面结合实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。
[0029]一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收方法，具体步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，其特征在于，包括聚光透镜(1)、光子计数探测器(2)、信号比较电路(3)、计数电路(4)、激光雷达信号处理器(5)、步进电机控制器(6)、步进电机(7)、导轨(8)以及时序电路(9)；其中,聚光透镜(1)用于收集光线入射到光子计数探测器(2)上；所述光子计数探测器(2)固定在导轨(8)上，且光子计数探测器(2)的中心位于聚光透镜(1)的光轴上，导轨(8)与聚光透镜(1)的光轴平行；光子计数探测器(2)的输出与信号比较电路(3)的输入相连，信号比较电路(3)的输出和计数电路(4)的输入相连，计数电路(4)的输出与激光雷达信号处理器(5)的输入相连，激光雷达信号处理器(5)的输出与步进电机控制器(6)的输入端相连，步进电机控制器(6)的输出端与步进电机(7)相连，步进电机(7)在导轨(8)的一端用以驱动光子计数探测器(2)的移动，时序电路(9)分别与计数电路(4)和激光雷达信号处理器(5)相连，激光雷达信号处理器(5)用于根据光子计数次数与周期性激光脉冲总数产生步进电机(7)的控制信号。2.根据权利要求1所述的背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，其特征在于，激光雷达信号处理器(5)根据光子计数次数与周期性激光脉冲总数产生步进电机(7)的控制信号的具体方法为：将光子计数次数与周期性激光脉冲总数的比值作为光通量衰减率；将光通量衰减率与阈值进行比较，若光子计数探测器光敏面处的衰减率>所设阈值，步进电机带动光子计数探测器向远离焦点方向移动；若光子计数探测器光敏面处的衰减率<所设阈值，步进电机带动光子计数探测器向靠近焦点方向移动；若光子计数探测器光敏面处的衰减率＝所设阈值，步进电机停止工作。3.根据权利要求1所述的背景光通量自适应控制的光子计数激光雷达接收系统，其特征在于，阈值R0具体为：式中，x0为当光子计数探测器符合5％准则时的离焦量；d为探测器光敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：严伟，张子睿，吴志祥，来建成，王春勇，李振华，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：