CN110579773A - 基于多探测器的单光子激光雷达探测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多探测器的单光子激光雷达探测***及方法，属于激光雷达探测领域，该***包括：发射单元，接收单元和数据采集处理单元；发射单元，用于向目标探测区域发射激光脉冲，以使目标探测区域中的目标接收激光脉冲后，反射回波光信号；接收单元，用于收集回波光信号，并滤除杂散光和背景光的影响，再将滤波后的回波光信号进行聚焦后，分成若干路信号，然后分别对各路信号进行光电转换操作得到与各路信号对应的电信号；数据采集处理单元，用于接收若干路电信号，并对若干路电信号进行与操作，以获得目标的距离信息。通过本发明可准确的检测出目标信号。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达探测领域，更具体地，涉及一种基于多探测器的单光子激光雷达探测***以及其目标检测方法。
背景技术
脉冲式光子激光雷达使用的盖革模式雪崩光电二极管有极高的响应灵敏度，因而能够大大的增加激光雷达的极限探测距离和微弱信号探测能力。但同时，因为响应灵敏度的提高，单光子激光雷达极容易受噪声的影响。并且盖革模式雪崩光电二极管响应输出的为数字化的0/1信号，只要噪声光子触发事件就会输出与信号光子触发同样的响应脉冲，这会给信号光子脉冲的检测带来巨大的干扰。特别是在晴朗天气下，太阳背景光的噪声无法通过滤光等措施完全消除，从而导致单光子激光雷达产生大量的虚警，轻则需要经过大量周期的累计才能检测出目标，重则完全无法工作。因而如何降低光子激光雷达的虚警概率从而提升光子激光雷达的可用性成为了研究重点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于多探测器的单光子激光雷达探测***及方法，由此解决原有方案进行目标检测的过程中在噪声较强时导致高虚警率，从而导致目标检测效率不高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于多探测器的单光子激光雷达探测***，包括：发射单元，接收单元和数据采集处理单元；
所述发射单元，用于向目标探测区域发射激光脉冲，以使所述目标探测区域中的目标接收所述激光脉冲后，反射回波光信号；
所述接收单元，用于收集所述目标反射回来的所述回波光信号，并滤除杂散光和背景光的影响，再将滤波后的回波光信号进行聚焦后，分成若干路信号，然后分别对各路信号进行光电转换操作得到与各路信号对应的电信号；
所述数据采集处理单元，用于接收若干路电信号，并对所述若干路电信号进行与操作，以获得所述目标的距离信息，其中，所述电信号的数量与所述光电转换单元的数量相同。
优选地，所述接收单元包括：依次相连的接收望远镜、带通滤光片、窄带滤光片、聚焦透镜、耦合光纤、光纤分束器及光电转换单元；
所述接收望远镜，用于收集所述目标反射回来的所述回波光信号；
所述带通滤光片、所述窄带滤光片和所述聚焦透镜依次设置在所述接收望远镜的出光口处；所述带通滤光片，用于滤除可见光波段以外的杂散光和背景光；所述窄带滤光片，用于进一步滤除以目标波长为中心的目标带宽范围之外的杂散光和背景光；所述聚焦透镜，用于将滤波之后的回波光信号聚焦到所述耦合光纤的光纤端面上；
所述耦合光纤，用以将收集到的回波光信号传输到所述光纤分束器中；
所述光纤分束器，用以将回波光信号均匀的分成若干路后分别传导到若干个所述光电转换单元，以由各所述光电转换单元分别对各路信号进行光电转换操作得到与各路信号对应的电信号。
优选地，所述数据采集处理单元包括：时间相关单光子计数器及控制处理单元；
所述时间相关单光子计数器，用于通过若干个采集通道分别采集由各所述光电转换单元转换得到的电信号；
所述控制处理单元与所述时间相关单光子计数器相连，用于接收各路电信号，并对各路电信号进行与操作，以获得所述目标的距离信息。
优选地，所述发射单元与所述时间相关单光子计数器的触发通道连接，所述发射单元发射激光脉冲的同时发送一个触发电脉冲信号用以触发所述时间相关单光子计数器开始一个周期的数据采集。
优选地，所述发射单元与所述控制处理单元连接，由所述控制处理单元给所述发射单元设置目标参数，以使所述发射单元按照所述目标参数指定的需求发射激光光束。
优选地，所述***还包括：与所述控制处理单元相连的扫描镜；
所述扫描镜，用于同时调整发射光轴和接收视场光轴的指向，同时保证所述发射光轴和所述接收视场光轴的平行性。
优选地，所述光电转换单元包括盖格模式雪崩光电二极管。
优选地，所述若干路电信号包括四路电信号。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于多探测器的单光子激光雷达探测方法，包括：
向目标探测区域发射激光脉冲，以使所述目标探测区域中的目标接收所述激光脉冲后，反射回波光信号；
收集所述目标反射回来的所述回波光信号，并滤除杂散光和背景光的影响，再将滤波后的回波光信号进行聚焦后，分成若干路信号，然后分别对各路信号进行光电转换操作得到与各路信号对应的电信号；
接收若干路电信号，并对所述若干路电信号进行与操作，以获得所述目标的距离信息，其中，所述电信号的数量与所述光电转换单元的数量相同。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明使用了四个探测器同时采集回波信号，并在处理端对四路信号进行“与”运算，从而更有效的去除噪声的影响，一方面降低了虚警率，另一方面可以让单光子激光雷达***通过更少量的信号累计即可准确的检测出目标信号。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于多探测器少次累计探测的单光子激光雷达探测***的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种盖革模式雪崩光电二极管信号与噪声响应模型；
图3是本发明实施例提供的一种单探测器***与四探测器***探测概率对比；
图4是本发明实施例提供的一种单探测器***与四探测器***虚警概率对比；
图5是本发明实施例提供的一种基于多探测器的单光子激光雷达探测方法的流程示意图；
其中，1-激光器，2-接收望远镜，3-带通滤光片，4-窄带滤光片，5-聚焦透镜，6-耦合光纤，7-光纤分束器，8-第一盖格模式雪崩光电二极管，9-第二盖格模式雪崩光电二极管，10-第三盖格模式雪崩光电二极管，11-第四盖格模式雪崩光电二极管，12-时间相关单光子计数器，13-控制处理单元，14-扫描镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明从盖革模式雪崩光电二极管的泊松概率响应模型出发，分析光子激光雷达信号与噪声在时间相关性上的差别，提供了一种使用四个探测器同时采集回波信号，并在此基础上进行目标检测的方法。
本发明主要由三个部分组成：发射单元，接收单元和数据采集处理单元。***结构示意图如图1所示，主要包括的器件有激光器1，接收望远镜2，带通滤光片3，窄带滤光片4，聚焦透镜5，耦合光纤6，光纤分束器7，第一盖格模式雪崩光电二极管8，第二盖格模式雪崩光电二极管9，第三盖格模式雪崩光电二极管10，第四盖格模式雪崩光电二极管11，时间相关单光子计数器12，控制处理单元13，扫描镜14。
其中，在本发明实施例中，控制处理单元13在硬件实现上可以由计算机等终端设备实现。
其中，各个部件的连接关系以及作用分别如下：激光器1与控制处理单元13电连接，用于给激光器1设置设定的参数使激光器1按照预期发射激光光束。激光器1发射的532nm的激光光束经扫描镜14反射后入射到待测量场景中。激光器1与时间相关单光子计数器12的触发通道电连接，激光器1发射激光脉冲的同时发送一个触发电脉冲信号用以触发时间相关单光子计数器12开始一个周期的数据采集。接收望远镜2用于收集探测目标反射回来的光回波信号。带通滤光片3、窄带滤光片4和聚焦透镜5依次设置在接收望远镜2的出光口处，带通滤光片3用于滤除可见光波段以外的杂散光和背景光，窄带滤光片4用于进一步滤除532nm为中心带宽2nm范围之外的杂散光和背景光，聚焦透镜5用于将滤波之后的回波光信号聚焦到耦合光纤6的光纤端面上。耦合光纤6用以将回波光信号传输到光纤分束器7中，光纤分束器7用以将回波光信号均匀的分成4路后分别传输到第一盖格模式雪崩光电二极管8，第二盖格模式雪崩光电二极管9，第三盖格模式雪崩光电二极管10和第四盖格模式雪崩光电二极管11的光敏面上。
第一盖格模式雪崩光电二极管8，第二盖格模式雪崩光电二极管9，第三盖格模式雪崩光电二极管10和第四盖格模式雪崩光电二极管11分别与时间相关单光子计数器12的四个采集通道(CH1，CH2，CH3，CH4)电连接。
第一盖格模式雪崩光电二极管8，第二盖格模式雪崩光电二极管9，第三盖格模式雪崩光电二极管10和第四盖格模式雪崩光电二极管11用以将回波光信号转换成电信号后分别送到时间相关单光子计数器12的四个采集通道(CH1，CH2，CH3，CH4)进行目标信号采集。时间相关单光子计数器12与控制处理单元13通过USB连接。一方面控制处理单元13通过USB连接设置时间相关单光子计数器12，另一方面时间相关单光子计数器12将采集到的数据通过USB连接传输到控制处理单元13进行进一步的处理和存储。控制处理单元13与扫描镜14电连接，用以控制发射激光光束与接收视场光轴的指向。
在本发明实施例中，单光子激光雷达***可以采用发射波长为532nm的脉冲激光器作为光源的发射单元，通过开普勒接收望远镜和滤光片和透镜组成的接收光学单元来接收目标反射回来的回波光信号，并由光电转换单元转换后得到电信号，再经过数据采集处理单元对电信号进行采集与处理后，最终获得目标的距离信息。
在本发明实施例中，发射激光光束的发散角不大于0.5mrad，接收视场角不大于1mrad，以保证接收视场能够将激光光束在目标上照亮的光斑完全接收，同时在一定探测范围内保证较高的扫描成像分辨率。
在本发明实施例中，使用的光电探测器均为硅基雪崩光电二极管，在532nm波段量子效率超过70％，暗噪声小于100Hz。
在本发明实施例中，发射激光光束光轴与接收视场的光轴处于准平行设置。发射激光光束光轴与接收视场光轴之间的夹角不大于0.5mrad，以保证在无穷远处发射激光光斑在接收视场范围内。
在本发明实施例中，在发射单元的出光端和接收单元的接收端设置有扫描镜组，用于同时调整发射光轴和接收视场光轴的指向，同时保证两者的平行性。
本发明的单光子激光雷达探测***的具体工作过程如下：
在进行一次目标探测过程中，首先计算机控制扫描镜转动到指定角度，然后控制激光器1发射激光脉冲。激光器1向目标探测区域发射激光脉冲，该激光光束的波长为532nm。在发射激光脉冲的同时，激光器1发出一个同步脉冲传送到时间相关单光子计数器12的触发通道触发计数器开始采集。激光脉冲在照射到目标之后发生反射，而接收单元的接收光学***将目标反射回来的回波光子收集并通过滤光片滤除杂散光和背景光的影响，再由聚焦透镜5将回波光子聚焦到耦合光纤6的光纤端面上，并通过光纤分束器7将回波光子分成四份后分别传导到四个盖革模式雪崩光电二极管的光敏面上。盖革模式雪崩光电二极管将回波光子光电转换成对应的电脉冲，分别传输到时间相关单光子计数器12的四个采集通道，进行数据采集。采集的数据反映回波光子与时间的关系，采集带的四组数据传输到计算机中进行进一步处理获得目标距离信息并存储。完成一次测量之后，控制处理单元控制扫描镜转动到下一个角度重复上述过程。
相对于已有的单光子激光雷达***，本发明***在接收端同时使用四个探测器对回波光子进行光电转换，并在处理端对四路信号进行“与”运算，从而更有效的去除噪声的影响，一方面降低了虚警率，另一方面可以让单光子激光雷达***通过更少量的信号累计即可准确的检测出目标信号。多探测器少次累计降低虚警的原理如下：
当盖革模式雪崩光电二极管的偏置电压稍高于雪崩电压时，理论上雪崩因子M可以达到无穷大，此时如果有光子入射到其光敏面上时，将有一定概率发出光电子，并在电场的作用下触发雪崩光电二极管产生雪崩效应，产生的雪崩电流迅速达到饱和状态形成雪崩脉冲，其上升沿标志着光子的到来。信号与噪声相应模型如图2所示，盖革模式雪崩光电二极管的输出是0/1数字化概率事件，有雪崩时间就是1，无雪崩时间就是0。其中KS[m]是第m个采样探测的平均信号光子数，Kb是每个采样探测门中的背景噪声平均光子数。信号光子和背景光子经一定概率ηq(量子效率)转化成光电子，分别为NS[m]和Nb。再次同时还有暗噪声产生，记为Nd。
通常对于微弱信号探测的光子激光雷达，采用泊松分布来描述光子信号响应模型。给定一个采样时间段长度为ΔT，采样段内平均信号光子数为KS[m]，使用随机变量k来描述这个光子响应过程，其泊松分布的概率密度函数可以写为：
一个光子被转换成光电子的概率为ηq，所以NS[m]＝ηqKS[m]，则光电子数的泊松分布表示为：
同理，噪声光电子的泊松分布为：
其中，总噪声Nn＝Nb+Nd为背景噪声和暗噪声之和。而信号和噪声的和分布依然为泊松分布：
单光子探测具有极高的响应灵敏度，单次探测的结果极容易受虚警和漏警的影响。通常在实际使用中采取多次累计的方法来重复探测n次后，如果计数结果超过m次就认为是信号，否则为噪声。本发明中考虑到目标回波光子信号具有时间相关性，而噪声随机分布不具备相关性，所以本发明中将信号平均分成四路，分别用四个性能相近的盖革模式雪崩光电二极管进行探测，最终在计算机端对这四个信号进行“与”运算，噪声随机分布在整个时间轴，不具备时间相关性，同时触发多个探测器的概率很小。因而通过这种方法，可去除噪声的影响，同时经过少次累计之后可以弥补多探测器探测导致概率降低的影响，降低虚警率。
光子激光雷达的探测门宽度为Tg，探测门内判断段的见长度为Tb。对于本发明中的四探测器***，回波信号和噪声被平均分到四路，当第m段有回波信号，则探测概率为：
PD-4＝PD1PD2PD3PD4＝[exp(-Nnτd/4)]4{1-exp[-(Ns+NnTb)/4]}4
其中，PD1，PD2，PD3，PD4分别为四个探测器在第m段触发的概率，τd为探测器的死时间。而其虚警概率为第i≠m段上四个探测器同时被触发的总和，表示为：
根据***参数计算获得的常见的单探测器***与本发明中的四探测器***的探测概率与虚警概率的比较如图3和图4所示。通过本发明的四探测器***可以有效的降低传统单探测器光子激光雷达的虚警率，从而可以通过少次累计的方法实现快速的目标检测。
如图5所示使本发明提出的一种基于多探测器的单光子激光雷达探测方法的流程示意图，在图5所示的方法中，包括以下步骤：
S1：向目标探测区域发射激光脉冲，以使所述目标探测区域中的目标接收所述激光脉冲后，反射回波光信号；
S2：收集所述目标反射回来的所述回波光信号，并滤除杂散光和背景光的影响，再将滤波后的回波光信号进行聚焦后，分成若干路信号，然后分别对各路信号进行光电转换操作得到与各路信号对应的电信号；
S3：接收若干路电信号，并对所述若干路电信号进行与操作，以获得所述目标的距离信息，其中，所述电信号的数量与所述光电转换单元的数量相同。
其中，各步骤的具体实施方式可以参考上述实施例中的描述，本发明实施例将不再赘述。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于多探测器的单光子激光雷达探测***，其特征在于，包括：发射单元，接收单元和数据采集处理单元；
所述发射单元，用于向目标探测区域发射激光脉冲，以使所述目标探测区域中的目标接收所述激光脉冲后，反射回波光信号；
所述接收单元，用于收集所述目标反射回来的所述回波光信号，并滤除杂散光和背景光的影响，再将滤波后的回波光信号进行聚焦后，分成若干路信号，然后分别对各路信号进行光电转换操作得到与各路信号对应的电信号；
所述数据采集处理单元，用于接收若干路电信号，并对所述若干路电信号进行与操作，以获得所述目标的距离信息，其中，所述电信号的数量与所述光电转换单元的数量相同。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述接收单元包括：依次相连的接收望远镜、带通滤光片、窄带滤光片、聚焦透镜、耦合光纤、光纤分束器及光电转换单元；
所述接收望远镜，用于收集所述目标反射回来的所述回波光信号；
所述带通滤光片、所述窄带滤光片和所述聚焦透镜依次设置在所述接收望远镜的出光口处；所述带通滤光片，用于滤除可见光波段以外的杂散光和背景光；所述窄带滤光片，用于进一步滤除以目标波长为中心的目标带宽范围之外的杂散光和背景光；所述聚焦透镜，用于将滤波之后的回波光信号聚焦到所述耦合光纤的光纤端面上；
所述耦合光纤，用以将收集到的回波光信号传输到所述光纤分束器中；
所述光纤分束器，用以将回波光信号均匀的分成若干路后分别传导到若干个所述光电转换单元，以由各所述光电转换单元分别对各路信号进行光电转换操作得到与各路信号对应的电信号。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述数据采集处理单元包括：时间相关单光子计数器及控制处理单元；
所述时间相关单光子计数器，用于通过若干个采集通道分别采集由各所述光电转换单元转换得到的电信号；
所述控制处理单元与所述时间相关单光子计数器相连，用于接收各路电信号，并对各路电信号进行与操作，以获得所述目标的距离信息。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述发射单元与所述时间相关单光子计数器的触发通道连接，所述发射单元发射激光脉冲的同时发送一个触发电脉冲信号用以触发所述时间相关单光子计数器开始一个周期的数据采集。
5.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述发射单元与所述控制处理单元连接，由所述控制处理单元给所述发射单元设置目标参数，以使所述发射单元按照所述目标参数指定的需求发射激光光束。
6.根据权利要求3至5任意一项所述的***，其特征在于，所述***还包括：与所述控制处理单元相连的扫描镜；
所述扫描镜，用于同时调整发射光轴和接收视场光轴的指向，同时保证所述发射光轴和所述接收视场光轴的平行性。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述光电转换单元包括盖格模式雪崩光电二极管。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述若干路电信号包括四路电信号。
9.一种基于多探测器的单光子激光雷达探测方法，其特征在于，包括：
向目标探测区域发射激光脉冲，以使所述目标探测区域中的目标接收所述激光脉冲后，反射回波光信号；
收集所述目标反射回来的所述回波光信号，并滤除杂散光和背景光的影响，再将滤波后的回波光信号进行聚焦后，分成若干路信号，然后分别对各路信号进行光电转换操作得到与各路信号对应的电信号；
接收若干路电信号，并对所述若干路电信号进行与操作，以获得所述目标的距离信息，其中，所述电信号的数量与所述光电转换单元的数量相同。
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