CN115047482B - 一种基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测*** - Google Patents

一种基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其包括：发送模块，用于产生的激光束并经空气传播到被测物体表面，同时该激光束被用于产生定时开始脉冲信号；接收模块，用于接收激光束经被测物体表面反射后的反射波，形成脉冲信号作为定时结束信号；信号处理模块，用于控制所述发送模块和所述接收模块，同时用于将接收到的定时开始脉冲信号和定时结束信号做数字时间转换处理，并对转换后的信息存储并进行成像处理，得到探测数据并记录，以计算被测物体与参考位置之间的距离。本发明结构简单、分辨率高、价格低、体积小、质量轻；可以在激光探测领域中应用。

Description

一种基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***
技术领域
本发明涉及一种激光探测技术领域，特别是关于一种基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***。
背景技术
单光子雪崩二极管阵列探测器是一种工作在盖革模式下的阵列型光电转换器件，是近年来迅速发展起来的一种新型探测器。单光子雪崩二极管阵列探测器工作在击穿电压以上，表现出无限的增益，所以其优异性能特别适合于单光子的检测领域，如激光探测，使得它成为以往激光探测中使用的光电探测器件的一种替代选择。与其他光电探测器相比，它具有高增益（～106）和良好的时间分辨率（～几十ps），并且体积小、工作电压低（通常小于30V），且对电场和磁场不敏感，可以灵活地做成二维阵列。单光子雪崩二极管阵列探测器特点是在二极管中创建一个高场区，当一个光子被吸收时，该高场区会产生一个电荷雪崩，雪崩过程是自维持的，雪崩会一崩到底。一旦电流流过二极管，通过猝灭电阻将二极管的反向电压降低到低于其击穿电压的值，从而停止雪崩。然后二极管再充电回偏置电压，并可用于检测后续光子。与APD等探测器相比，单光子雪崩二极管阵列探测器优势在于其具有更高的增益，更高灵敏度，更快的响应速度，而且响应波形具有很好的一致性；而APD探测器在接收光强弱不同的情况下，产生的波形具有不同的上升沿且最终强度也不同，需要后端复杂电路的处理来补偿波形不一致带来的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其结构简单、分辨率高、价格低、体积小、质量轻。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其包括：发送模块，用于产生的激光束并经空气传播到被测物体表面，同时该激光束被用于产生定时开始脉冲信号；接收模块，用于接收激光束经被测物体表面反射后的反射波，形成脉冲信号作为定时结束信号；信号处理模块，用于控制所述发送模块和所述接收模块，同时用于将接收到的定时开始脉冲信号和定时结束信号做数字时间转换处理，并对转换后的信息存储并进行成像处理，得到探测数据并记录，以计算被测物体与参考位置之间的距离。
进一步，所述发送模块包括准直器、激光元件和激光驱动电路；
所述激光驱动电路，用于接收所述信号处理模块传输至的控制信号，并向所述激光元件传输稳定的电源驱动和控制信号；
所述激光元件，在所述激光驱动电路的驱动控制下发射出激光束；
所述准直器，将激光束汇聚发射到所述被测物体表面。
进一步，所述发送模块还包括第一单光子雪崩二极管阵列探测器、第一RF放大器和第一比较器；
所述第一单光子雪崩二极管阵列探测器，设置在靠近所述激光元件的位置，用于接收所述激光元件发射出的光信号，输出电脉冲信号；
所述第一RF放大器，用于接收电脉冲信号，并将电脉冲信号放大；
所述第一比较器，用于接收放大后的电脉冲信号，将该电脉冲信号与预设的参考电压信号进行比较，当超过预设参考电压则产生脉冲输出，作为定时开始脉冲信号。
进一步，所述接收模块包括透镜、带通滤波器、第二单光子雪崩二极管阵列探测器、第二RF放大器和第二比较器；
所述透镜将激光束汇聚入射到所述第二单光子雪崩二极管阵列探测器表面；位于所述透镜与所述第二单光子雪崩二极管阵列探测器之间设置有所述带通滤波器，通过所述带通滤波器选取所需波长的光波；
所述第二单光子雪崩二极管阵列探测器输出的电脉冲信号经所述第二RF放大器放大后，传输至所述第二比较器；
所述第二比较器将接收到的电脉冲信号与预设的参考电压信号进行比较，当电脉冲信号大于预设参考电压则产生脉冲输出，作为定时结束信号。
进一步，所述接收模块中还包括单光子雪崩二极管阵列探测器偏置电压控制模块；
所述单光子雪崩二极管阵列探测器偏置电压控制模块用于实时接收所述信号处理模块传输至的控制及偏置电压大小调节信号，根据接收到的信号控制第一、第二单光子雪崩二极管阵列探测器的工作及偏置电压。
进一步，所述信号处理模块包括微控制器，所述微控制器采用FPGA。
进一步，所述微控制器包括激光驱动控制模块、偏压控制模块、时间数字转换模块和成像模块；
所述激光驱动控制模块，用于以固定频率发射激光脉冲；
所述偏压控制模块，用于为单光子雪崩二极管阵列探测器偏置电压控制模块提供在线可调的偏压精细控制信号；
所述时间数字转换模块，用于计算参考位置到被测物体和被测物体返回到参考位置的飞行时间；
所述成像模块，用于将获得的飞行时间数据根据需求进行成像处理，在线得到激光探测的实时数据。
进一步，所述微控制器还包括存储模块和接口控制模块；
所述存储模块，用于接收所述成像模块传输至的实时数据，并对获得的时间数据临时存储；
所述接口控制模块，用于对控制命令的下行和激光探测的数据的上行存储，与控制计算机进行实时交互。
进一步，在所述时间数字转换模块中，利用发送模块和接收模块得到起始时间信号和停止时间信号后，计算光子的飞行时间。
进一步，所述计算光子的飞行时间，包括：在FPGA中设计时间数字转换逻辑，以精确测量飞行时间，并根据环境温度实现在线的进行时间数字转换校准。
进一步，所述计算光子的飞行时间，包括：直接使用时间数字转换集成电路来测量飞行时间。
进一步，所述第一RF放大器、所述第二RF放大器都采用高带宽RF放大器。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明具有结构简单、分辨率高、抗干扰能力强、体积小、质量轻等优点，并且功耗低和成本低。
2、本发明能够为使用激光探测相关领域提供一种可行的、极具竞争力的新型方案，为激光探测领域中的新一代核心探测技术。
附图说明
图1是本发明实施例中的激光探测***结构示意图；
图2是本发明实施例中单光子雪崩二极管阵列探测器开始停止脉冲信号示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在激光探测领域单光子雪崩二极管阵列探测器中扮演模拟转数字的角色，即将模拟的光信号转换为可以识别的数字信号，标记信号到来的时间。单光子雪崩二极管阵列探测器优异的性能特别适合应用于激光探测中，激光元件发射激光束并经空气传播到被测物体表面，再经表面反射，反射能量被设备中的信号接收并记录为一个电信号。本发明将发射时刻和接收时刻的时间精确记录，那么参考位置到被测物体表面的距离就可以精确计算出来，R（距离）= c×T/2，c为光速，T为发射时刻和接受时刻的时间差。本发明提出的基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其包括发送模块、接收模块和信号处理模块。本发明可以实现单光子雪崩二极管阵列探测器技术在激光探测领域的稳定及广泛应用，为激光探测领域中的新一代核心探测技术。
本发明涉及的基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其发射模块的功能是一方面利用激光元件发射激光束并经空气传播到被测物体表面，另一方面激光元件发射的激光束被放置在激光元件旁边的单光子雪崩二极管阵列探测器接收，产生定时开始脉冲信号。接收模块的功能是激光束经被测物体表面反射，反射波被单光子雪崩二极管阵列探测器接收输出为脉冲信号作为定时结束信号。信号处理模块的功能是对激光元件、单光子雪崩二极管阵列探测器等进行控制，对记录下来的定时开始和定时结束信号做数字时间转换，并对转换后的信息存储及成像处理，得出探测数据并记录。本发明能够为使用激光探测相关领域提供一种可行的、极具竞争力的新型方案，其具有结构简单、分辨率高、价格低、体积小、质量轻等优点。
在本发明的一个实施例中，提供一种基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***。本实施例中，如图1所示，该***包括：
发送模块，用于产生的激光束并经空气传播到被测物体表面，同时该激光束被用于产生定时开始脉冲信号；
接收模块，用于接收激光束经被测物体表面反射后的反射波，形成脉冲信号作为定时结束信号；
信号处理模块，用于控制发送模块和接收模块，同时用于将接收到的定时开始脉冲信号和定时结束信号做数字时间转换处理，并对转换后的信息存储并进行成像处理，得到探测数据并记录，通过探测数据计算得到被测物体与参考位置之间的距离。
上述实施例中，发送模块包括准直器、激光元件和激光驱动电路。其中：
激光驱动电路，与信号处理模块连接，用于接收信号处理模块传输至的控制信号，并向激光元件传输稳定的电源驱动和控制信号；
激光元件，在激光驱动电路的驱动控制下发射出激光束；
准直器，将激光束汇聚发射到被测物体表面。
在本实施例中，发送模块还包括第一单光子雪崩二极管阵列探测器、第一RF放大器和第一比较器。
第一单光子雪崩二极管阵列探测器，设置在靠近激光元件的位置，用于接收激光元件发射出的光信号，输出电脉冲信号；
第一RF放大器，用于接收电脉冲信号，并将电脉冲信号放大；
第一比较器，用于接收放大后的电脉冲信号与预设的参考电压进行比较，产生脉冲输出，作为定时开始脉冲信号；具体的，在本实施例中，参考电压设置为基线值加上3倍的噪声均方根，当获得的电脉冲信号超过预设参考电压则产生脉冲输出，作为定时开始的脉冲信号。
上述实施例中，接收模块包括透镜、带通滤波器、第二单光子雪崩二极管阵列探测器、第二RF放大器和第二比较器。透镜用于汇聚光线，将激光束汇聚入射到第二单光子雪崩二极管阵列探测器表面；位于透镜与第二单光子雪崩二极管阵列探测器之间设置有带通滤波器，通过带通滤波器选取所需波长的光波，如905 nm波长光波。第二单光子雪崩二极管阵列探测器输出的电脉冲信号经第二RF放大器放大后，传输至第二比较器；第二比较器将接收到的电脉冲信号与预设的参考电压信号进行比较，在本实施例中，预设的参考电压通常也为基线加上3倍的噪声均方根，当电脉冲信号大于预设参考电压则产生脉冲输出，作为定时结束信号。
上述各实施例中，接收模块中还包括单光子雪崩二极管阵列探测器偏置电压控制模块。单光子雪崩二极管阵列探测器偏置电压控制模块用于实时接收信号处理模块传输至的控制及偏置电压大小调节信号，根据接收到的信号控制第一、第二单光子雪崩二极管阵列探测器的工作及偏置电压。
在本实施例中，第一RF放大器、第二RF放大器都采用高带宽RF放大器。
上述实施例中，信号处理模块由微控制器及***电路构成。优选的，微控制器采用FPGA，其时序控制精准。
微控制器包括激光驱动控制模块、偏压控制模块、时间数字转换模块、成像模块、存储模块和接口控制模块。以微控制器采用FPGA为例进行详细说明。
激光驱动控制模块，用于以固定频率发射激光脉冲；
偏压控制模块，用于为单光子雪崩二极管阵列探测器偏置电压控制模块提供在线可调的偏压精细控制信号。也可以根据环境温度实时调节偏压大小。
时间数字转换模块，用于计算参考位置到被测物体和被测物体返回到参考位置的飞行时间；
成像模块，用于将获得的飞行时间数据根据需求进行成像处理，在线得到激光探测的实时数据；
存储模块，用于接收成像模块传输至的实时数据，并对获得的时间数据临时存储；
接口控制模块，用于对控制命令的下行和激光探测的数据的上行存储，可以通过USB、蓝牙或者其他通用接口与控制计算机进行实时交互。
上述实施例中，在时间数字转换模块中，如图2所示，利用发送模块和接收模块得到起始时间信号和停止时间信号后，就可以计算光子的飞行时间。计算飞行时间可以采用以下两种方法中的一种：
一是在FPGA中设计时间数字转换逻辑，来实现精确测量飞行时间。并且可以方便的根据环境温度实现在线的进行时间数字转换校准。利用FPGA实现的方案相对灵活可配置，时间分辨精度一般可以做到20ps以内。
其中，设计时间数字转换逻辑可以采用现有技术中公开的方法进行设计。在本实施例中，优选以“粗”计数+“细”计数的时间内插方法实现，具体为：采用FPGA***时钟对脉冲信号进行计数获得“粗”计数，“细”计数则基于FPGA内部带有延迟功能的基础逻辑单元，构建延迟链，将得到的温度计码经折半查找法转换为二进制码，再由查找表获得相应的“细”计数，二者结合得到精准的飞行时间。
另外一种是直接使用时间数字转换集成电路来测量飞行时间，该方法简单，时间分辨精度一般可以实现在约50ps。
上述实施例中，第一、第二单光子雪崩二极管阵列探测器采用具有高响应性、快信号响应和低温度系数的光电探测器件，其具有高增益和单光子灵敏度，使得在激光探测应用中可以在很远的距离上检测低反射率的目标。
上述实施例中，第一、第二单光子雪崩二极管阵列探测器工作需要的低噪声、高稳定度的偏置电压，可以通过FPGA等微控制器实时控制和调节偏置电压大小。
综上，本发明具有结构简单、分辨率高、抗干扰能力强、体积小、质量轻等优点，并且功耗低和成本低。本发明能够为使用激光探测相关领域提供一种可行的、极具竞争力的新型方案，为激光探测领域中的新一代核心探测技术，具有极为重要的地位。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其特征在于，包括：发送模块、接收模块和信号处理模块；
所述发送模块包括激光元件、第一单光子雪崩二极管阵列探测器、第一RF放大器和第一比较器；
所述激光元件用于产生的激光束并经空气传播到被测物体表面；
所述第一单光子雪崩二极管阵列探测器，设置在靠近所述激光元件的位置，用于接收所述激光元件发射出的光信号，输出电脉冲信号；
所述第一RF放大器，用于接收电脉冲信号，并将电脉冲信号放大；
所述第一比较器，用于接收放大后的电脉冲信号，将该电脉冲信号与预设的参考电压信号进行比较，当超过预设参考电压则产生脉冲输出，作为定时开始脉冲信号；
所述接收模块包括透镜、带通滤波器、第二单光子雪崩二极管阵列探测器、第二RF放大器和第二比较器；
所述透镜用于接收激光束经被测物体表面反射后的反射波，所述透镜将激光束汇聚入射到所述第二单光子雪崩二极管阵列探测器表面；位于所述透镜与所述第二单光子雪崩二极管阵列探测器之间设置有所述带通滤波器，通过所述带通滤波器选取所需波长的光波；
所述第二单光子雪崩二极管阵列探测器输出的电脉冲信号经所述第二RF放大器放大后，传输至所述第二比较器；
所述第二比较器将接收到的电脉冲信号与预设的参考电压信号进行比较，当电脉冲信号大于预设参考电压则产生脉冲输出，作为定时结束信号；
所述信号处理模块，用于控制所述发送模块和所述接收模块，同时用于将接收到的定时开始脉冲信号和定时结束信号做数字时间转换处理，并对转换后的信息存储并进行成像处理，得到探测数据并记录，以计算被测物体与参考位置之间的距离。
2.如权利要求1所述基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其特征在于，所述发送模块还包括准直器和激光驱动电路；
所述激光驱动电路，用于接收所述信号处理模块传输至的控制信号，并向所述激光元件传输稳定的电源驱动和控制信号；
所述激光元件，在所述激光驱动电路的驱动控制下发射出激光束；
所述准直器，将激光束汇聚发射到所述被测物体表面。
3.如权利要求1所述基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其特征在于，所述接收模块中还包括单光子雪崩二极管阵列探测器偏置电压控制模块；
所述单光子雪崩二极管阵列探测器偏置电压控制模块用于实时接收所述信号处理模块传输至的控制及偏置电压大小调节信号，根据接收到的信号控制第一、第二单光子雪崩二极管阵列探测器的工作及偏置电压。
4.如权利要求1所述基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其特征在于，所述信号处理模块包括微控制器，所述微控制器采用FPGA。
5.如权利要求4所述基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其特征在于，所述微控制器包括激光驱动控制模块、偏压控制模块、时间数字转换模块和成像模块；
所述激光驱动控制模块，用于以固定频率发射激光脉冲；
所述偏压控制模块，用于为单光子雪崩二极管阵列探测器偏置电压控制模块提供在线可调的偏压精细控制信号；
所述时间数字转换模块，用于计算参考位置到被测物体和被测物体返回到参考位置的飞行时间；
所述成像模块，用于将获得的飞行时间数据根据需求进行成像处理，在线得到激光探测的实时数据。
6.如权利要求5所述基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其特征在于，所述微控制器还包括存储模块和接口控制模块；
所述存储模块，用于接收所述成像模块传输至的实时数据，并对获得的时间数据临时存储；
所述接口控制模块，用于对控制命令的下行和激光探测的数据的上行存储，与控制计算机进行实时交互。
7.如权利要求5所述基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其特征在于，在所述时间数字转换模块中，利用发送模块和接收模块得到定时开始脉冲信号和定时结束信号后，计算光子的飞行时间。
8.如权利要求7所述基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其特征在于，所述计算光子的飞行时间，包括：在FPGA中设计时间数字转换逻辑，以精确测量飞行时间，并根据环境温度实现在线的进行时间数字转换校准。
9.如权利要求7所述基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其特征在于，所述计算光子的飞行时间，包括：直接使用时间数字转换集成电路来测量飞行时间。
10.如权利要求1所述基于单光子雪崩二极管阵列探测器的激光探测***，其特征在于，所述第一RF放大器、所述第二RF放大器都采用高带宽RF放大器。
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