一种单光子激光雷达成像探测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种单光子激光雷达成像探测系统，包括：激光发射分系统、激光接收分系统、时序控制及数据处理分系统；激光发射分系统用于实现脉冲激光发射，并同时输出出光同步信号；时序控制和数据处理分系统用于接收激光发射分系统输出的出光同步信号，并为激光接收分系统输出触发信号，同时处理激光接收分系统输出的探测数据；激光接收分系统按照预设频率或基于时序控制和数据处理分系统输出的触发信号进行信号接收；光子激光雷达成像探测系统以快速扫描工作模式或自适应距离选通工作模式进行成像探测。将快速扫描与自适应距离选通相结合，提高了系统的空间扫描效率，弥补现有盖革焦平面探测器死时间长，探测效率低的不足问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种单光子激光雷达成像探测系统


[0001]本专利技术属于雷达成像探测领域，尤其涉及一种单光子激光雷达成像探测系统。

技术介绍

[0002]单光子探测器(SPD,single
‑
photon detector)是一种能够响应光子量级信号的高灵敏度光电探测器，是单光子雷达探测、量子通信等领域的基础。随着基础软硬件技术的不断发展，以盖革焦平面相机为基础的单光子激光非扫描激光雷达三维成像探测技术越来越受到人们的关注，并推出了较多的研究成果，在作用距离、成像效果等方面都有了较大的提升，具有较高的应用价值。
[0003]现有单光子探测器死时间较长，严重限制了其探测效率。以一套探测范围为0～150km的单光子激光雷达为例，系统在发射一发激光脉冲信号后的1ms时间内，目标反射的激光回波信号可能随时到达，这就要求单光子探测器必须在这1ms的时间段中时刻处于时刻待命状态。然而盖革焦平面相机工作于门控状态，且探测器机死时间较长，无法实现实时准备探测目标反射的光子回波信号。以现有的某款盖革焦平面相机机为例，其最大工作频率为25kHz，最长有效探测时间为4us，即在最短40us的帧周期中，只有1/10的时间可以正常接收信号，其余时间都为死时间，无法接收光子回波信号，因此也无法满足前述在1ms的时间内实时待命的需求。
[0004]为解决上述矛盾，亟需设计了一种新的单光子激光雷达成像探测系统。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种新的单光子激光雷达成像探测系统，通过将快速扫描与自适应距离选通相结合，提高了系统的空间扫描效率，弥补现有盖革焦平面探测器死时间长，探测效率低的不足问题。
[0006]本专利技术目的通过下述技术方案来实现：
[0007]一种单光子激光雷达成像探测系统，所述单光子激光雷达成像探测系统包括：激光发射分系统、激光接收分系统、时序控制及数据处理分系统；其中，所述激光发射分系统用于实现脉冲激光发射，并同时输出出光同步信号；所述时序控制和数据处理分系统用于接收激光发射分系统输出的出光同步信号，并为激光接收分系统输出触发信号，同时处理激光接收分系统输出的探测数据；所述激光接收分系统按照预设频率或基于时序控制和数据处理分系统输出的触发信号进行信号接收；所述光子激光雷达成像探测系统以快速扫描工作模式或自适应距离选通工作模式进行成像探测。
[0008]根据一个优选的实施方式，当所述光子激光雷达成像探测系统以快速扫描工作模式进行成像探测时按如下步骤进行：
[0009]S1：激光发射模块发射一次激光脉冲，同时输出一个出光同步信号给时序控制和数据处理分系统，作为脉冲飞行时间计时的起点；
[0010]S2：时序控制和数据处理分系统接收到出光同步信号上升沿后，主动延时预设脉
冲相位d
x
，再向激光接收分系统输出n个周期性脉冲串，作为激光接收分系统中探测器的外触发信号，探测器在n个外触发脉冲的作用下，完成n个探测周期，并输出n帧探测数据，并将数据输入时序控制及数据处理分系统中进行目标检测；
[0011]S3：改变脉冲相位d
x
，从d1～d
m
进行m种延时循环遍历，完成一次对待测空间的完整扫描；
[0012]S4：将探测数据送入时序控制及数据处理分系统中进行目标检测，并从检测结果中反演出目标距离和目标三维成像。
[0013]根据一个优选的实施方式，m的取值为：m＝T
f
/T
w
，其中T
f
为激光接收分系统中探测器的测量周期，T
w
为激光接收分系统中探测器的测量周期中的有效工作时间。
[0014]根据一个优选的实施方式，脉冲相位d
x
的计算方式为：
[0015]d
x
＝D+(x
‑
1)T
w
；x＝1,2,
…
m
[0016]D为固有时间延时，由待探测空间距系统的最小距离L
min
决定，计算方式为：
[0017][0018]其中，c代表光速，通过延时d
x
递增的方式，实现对目标区域的从近至远的扫描。
[0019]根据一个优选的实施方式，脉冲相位d
x
的计算方式为：
[0020]d
x
＝D+(m
‑
x)T
w
；x＝1,2,
…
m
[0021]D为固有时间延时，由待探测空间距系统的最小距离L
min
决定，计算方式为：
[0022][0023]其中，c代表光速，通过延时d
x
递减的方式，实现对目标区域的从远至近的扫描。
[0024]根据一个优选的实施方式，光子激光雷达成像探测系统以快速扫描工作模式时，各脉冲相位d
x
对应的测量次数为N，N为正整常数。
[0025]根据一个优选的实施方式，当所述光子激光雷达成像探测系统以自适应距离选通工作模式进行成像探测时按如下步骤进行：
[0026]在光子激光雷达成像探测系统以快速扫描工作模式扫描待测空间全空间时，在脉冲相位d
x
改变过程中当未检测到目标时，则完成从d1向dm的m种延时循环遍历，直至完成对待测空间的完整扫描；
[0027]当在脉冲相位d
x
改变过程中检测到目标，则根据检测到的目标距离，更新下个测量周期的延迟脉冲相位为P，使得目标反射的光子回波信号到达时，激光接收分系统中探测器处于有效工作状态；
[0028]当在跟踪探测过程中，连续超过k次未检测到目标，k为预设值，则表示目标丢失，系统则进入快速扫描工作模式，重新对待探测空域进行遍历，直到再次检测到目标，系统即切换到自适应距离选通工作模式。
[0029]前述本专利技术主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本专利技术可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本专利技术方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本专利技术所要保护的技术方案，在此不做穷举。
[0030]本专利技术的有益效果：本专利技术单光子激光雷达成像探测系统利用单光子探测器帧频高的优势，通过严密的时序配合，弥补探测器死时间较长的不足，有效提高系统探测效率。
并通过快速扫描模式和自适应距离选通模式相结合，可有效适应对空中高速运动目标的探测。
附图说明
[0031]图1是本专利技术单光子激光雷达成像探测系统的结构示意图；
[0032]图2是本专利技术单光子激光雷达成像探测系统的快速扫描时序关系示意图。
具体实施方式
[0033]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光子激光雷达成像探测系统，其特征在于，所述单光子激光雷达成像探测系统包括：激光发射分系统、激光接收分系统、时序控制及数据处理分系统；其中，所述激光发射分系统用于实现脉冲激光发射，并同时输出出光同步信号；所述时序控制和数据处理分系统用于接收激光发射分系统输出的出光同步信号，并为激光接收分系统输出触发信号，同时处理激光接收分系统输出的探测数据；所述激光接收分系统按照预设频率或基于时序控制和数据处理分系统输出的触发信号进行信号接收；所述光子激光雷达成像探测系统以快速扫描工作模式或自适应距离选通工作模式进行成像探测。2.如权利要求1所述的单光子激光雷达成像探测系统，其特征在于，当所述光子激光雷达成像探测系统以快速扫描工作模式进行成像探测时按如下步骤进行：S1：激光发射模块发射一次激光脉冲，同时输出一个出光同步信号给时序控制和数据处理分系统，作为脉冲飞行时间计时的起点；S2：时序控制和数据处理分系统接收到出光同步信号上升沿后，主动延时预设脉冲相位d
x
，再向激光接收分系统输出n个周期性脉冲串，作为激光接收分系统中探测器的外触发信号，探测器在n个外触发脉冲的作用下，完成n个探测周期，并输出n帧探测数据，并将数据输入时序控制及数据处理分系统中进行目标检测；S3：改变脉冲相位d
x
，从d1～d
m
进行m种延时循环遍历，完成一次对待测空间的完整扫描；S4：将探测数据送入时序控制及数据处理分系统中进行目标检测，并从检测结果中反演出目标距离和目标三维成像。3.如权利要求2所述的单光子激光雷达成像探测系统，其特征在于，m的取值为：m＝T
f
/T
w
，其中T
f
为激光接收分系统中探测器的测量周期，T
w
为激光接收分系统中探测器的测量周期中的有效工作时间。4.如权利要求3所述的单光子激光雷达成像探测系统，其特征在于，脉冲相位d
x
的计算方式为：d
x
＝D+(x
‑
1)T
w
；x＝1,2,
…
mD为固有时间延时，由待探测空间距系统的最小距离L
min
决定，计算方式为：其中，c代表光速，通过延时d
x
递增的方式，实现对目标区域的从近至远的扫描。5.如权利要求3所述的单光子激光雷达成像探测系统，其特征在于，脉冲相位d
x
的计算方式为：d
x
＝D+(m
‑
x)T
w
；x＝1,2,
…
mD为...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝月兵，任瑞，冯波，叶鹏，刘志辉，
申请(专利权)人：四川九洲电器集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：