专利名称：基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达，是一种基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统。
背景技术：
目前常用的激光测距方式主要有基于飞行时间的脉冲直接测距法和相位测量法等。基于飞行时间的脉冲直接测距方式应用的最为广泛，测距原理是通过测量发射端和测量点之间的时间间隔得到距离信息。该方法实现简单，但是测距精度低。当该方法用于远程激光测距时通常采用高峰值功率、窄脉冲的固体激光器和大口径的接收望远镜。激光器长时间工作在高峰值功率高能量下，会降低系统的稳定性，同时会增大系统的体积和功耗。而为了避免距离模糊，系统只能工作在低重频下，造成测量点稀疏，距离分辨率低等问题。相位测量法相比直接测距方式结构复杂，对发射激光光源的相干性要求比较高，适用于短距离、高精度的测量场合，不适合远程测距。目前在远程测距和三维成像系统中多采用脉冲直接测距方式，在高峰值功率和低重频的工作模式下，距离分辨率和测距精度都较低，不能满足高精度激光测距测绘的要求。发明内容
本发明的目的在于改进上述目前远程激光测距中的问题，提供一种基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，
本发明的工作原理是采用高速率伪随机码对连续的光纤激光器进行调制，调制后的信号光经发射望远镜系统发射，目标反射光经接收望远镜系统接收后进入高灵敏度的单光子探测器。光子计数卡对探测器输出的信号进行脉冲鉴别和阈值判定后获得回波码元序列，将其与原始伪随机码序列进行互相关运算后得到距离信息。
本发明的技术解决方案如下
一种基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，其特征在于包括种子光源、伪随机码发生器、伪随机码调制器、光纤放大系统、发射望远镜、45°全反射镜组、滤光片、接收望远镜，单光子探测器、光子计数卡和计算机，所述的种子光源与伪随机码调制器的输入端相连，所述的伪随机码发生器生成M序列伪随机码，提供给所述的伪随机码调制器和所述的计算机，所述的种子光源输出的激光经伪随机码调制器调制后的信号光,经光纤放大系统放大后入射至发射望远镜,从该发射望远镜输出后的水平光经过45° 全反射镜组后水平发射到目标，经目标的返回光依次经过所述的滤光片、接收望远镜、进入单光子探测器，该单光子探测器输出的脉冲信号经光子计数卡的脉冲鉴别和阈值判定，得到的信号码元序列输入所述的计算机，与所述的伪随机码发生器提供的原始伪随机码在所述的计算机中进行相关运算。
所述的种子光源是连续光纤激光器。
所述的伪随机码发生器是任意波形发生器，用于产生M序列伪随机码。
所述的伪随机码调制器为调制速率高于IGHz的铌酸锂电光调制器，用于实现对种子光源进行高速伪随机码调制。
所述的光纤放大系统是采用MOPA结构的三级光纤放大系统。
所述的45°全反射镜组是两块中心波长为种子光源波长与光路成45°的全反射镜构成。
所述的单光子探测器是探测灵敏度达到单光子量级的硅雪崩光电二极管或铟镓砷雪崩光电二极管，所述的硅雪崩光电二极管主要工作在400nm-1100nm ;所述的铟镓砷雪崩光电二极管主要工作在900nm-1700nm。
所述的发射望远镜是能实现将光纤放大系统放大后的光纤输出光平行发射的透镜。
所述的滤光片是窄带干涉滤光片，中心波长为种子光源波长，其功能是通过从目标返回的回波信号，滤除背景光和杂散光，带宽小于3nm，透过率大于90%。
为了抑制后脉冲效应，提高单光子探测器的计数率，探测器工作在盖格模式下。
所述的光子计数卡的功能是对单光子探测器输出的脉冲信号进行脉冲鉴别和阈值判定，获得由“ O ”和“ I ”构成的信号序列。
所述的计算机具有高速信息处理、控制和显示的功能。根据互相关运算的算法对光子计数卡输出的信号序列与伪随机码发生器提供的原始M序列伪随机码进行互相关运算后计算得到距离信息。
本发明与现有技术相比具有以下优点
I、米用光纤激光器，电光效率高，功耗小，结构紧凑，易于系统集成和小型化。
2、基于高速伪随机码调制和光子计数的激光测距方式，相比直接脉冲激光测距降低了系统对峰值功率的要求。在远程激光测距系统中，光纤激光器能代替高能巨脉冲固体激光器。
3、采用高速伪随机码调制的方法，可得到高的距离分辨率和窄的码元宽度。如在 IGHz的调制速率下，码元宽度为1ns，得到距离分辨率为15cm。因此脉冲序列得到压缩，可以提高系统发射脉冲序列的重复频率，提高测量点的探测密度，适用于基于伪随机码调制测距体制下的远程测距和激光三维成像系统。
4、采用高灵敏度的单光子探测器，探测器的信噪比SNR较高；在高调制速率下，距Ad离分辨率Ad较小，由测距精度公式σ = 可知，可获得很高的系统测距精度σ。-JSNR
5、采用具有高速运算处理能力的计算机，能快速计算获得距离信息，使该系统适用于远程三维成像和高速运动目标的快速测距。
图I是本发明基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统的结构示意图中1-种子光源、2-伪随机码发生器、3-伪随机码调制器、4-光纤放大系统、 5-发射望远镜、6-45°全反射镜组、7-滤光片、8-接收望远镜、9-单光子探测器、10-光子计数卡、11-计算机具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
整个基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统结构示意图如图I 所示，由图可见，本发明基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统包括种子光源1，伪随机码发生器2，伪随机码调制器3，光纤放大系统4，发射望远镜5，45°全反射镜组6，滤光片7，接收望远镜8，单光子探测器9，光子计数卡10，计算机11。具体工作过程是种子光源I与伪随机码调制器3相连，伪随机码发生器2生成M序列伪随机码，提供给伪随机码调制器。调制后的脉冲光经光纤放大系统4进行放大后入射至发射望远镜5，望远镜的输出光经过45°全反射镜组6发射到目标。目标返回光依次经过滤光片7、接收望远镜8后进入单光子探测器9，光子计数卡10对探测器输出的脉冲信号进行脉冲鉴别和阈值判定，判定后得到的信号码元序列与伪随机码发生器2提供的原始伪随机码在计算机11中进行互相关运算并得到距离信息。
所述的种子光源I为连续光纤激光器。
所述的伪随机码发生器2为任意波形发生器，用于产生M序列伪随机码。
所述的伪随机码调制器3为调制速率高于IGHz的铌酸锂电光调制器，实现对种子光源进行高速伪随机码调制。
所述的光纤放大系统4为米用MOPA结构的三级光纤放大系统,用于将经过伪随机码调制的信号光进行放大。
所述的发射望远镜5为能实现将光纤放大系统放大后的光纤输出光平行发射的透镜。
所述的45°全反射镜组6由两个中心波长为种子光源波长的全反射的相互平行的45°全反射镜6-1和6-2组成。
所述的滤光片7是中心波长为种子光源波长的窄带干涉滤光片，其功能是滤除或抑制背景光和杂散光，获得从目标返回的有效回波信号。
所述的发射望远镜5和45°全反射镜组6构成发射望远镜系统；所述的滤光片7 和接收望远镜8构成接收望远镜系统。经光纤放大系统4放大的高速调制的信号光入射至发射望远镜5后平行入射到45°全反射镜组6后水平发射到目标，从目标返回的回波信号经滤光片7滤波后由接收望远镜接收，发射望远镜系统与接收望远镜系统收发同轴。
所述的单光子探测器9是探测灵敏度达到单光子量级的雪崩光电二极管。Si雪崩光电二极管主要工作在400nm-1100nm ；InGaAs雪崩光电二极管主要工作在900nm_1700nm。 为了抑制后脉冲效应，提高单光子探测器的计数率，探测器工作在盖格模式下。
所述的光子计数卡10是对探测器输出的脉冲信号进行脉冲鉴别和阈值判定，获得由“ O ”和“ I ”构成的信号序列。
所述的计算机11是具有信号处理，控制和显示功能的计算机。其功能是根据互相关算法对光子计数卡10输出的信号序列与伪随机码发生器2提供的原始伪随机码进行互相关运算，互相关运算的峰值位置处对应的伪随机码元η为相对原始码元初始位置的偏移5量，根据距离和飞行时间的关系，计算得到距离L=|x~x xc，其中At为伪随机码单个码元的宽度，c为光速3X108m/s。
权利要求
1.基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，包括种子光源(I)、伪随机码发生器(2)、伪随机码调制器(3)、光纤放大系统(4)、发射望远镜(5)、45°全反射镜组(6)、滤光片(7)、接收望远镜(8)，单光子探测器(9)、光子计数卡(10)和计算机(11)，其特征在于所述的种子光源(I)与伪随机码调制器(3)的输入端相连，所述的伪随机码发生器(2)生成M序列伪随机码，提供给所述的伪随机码调制器(3)和所述的计算机(11)，所述的种子光源(I)输出的激光经伪随机码调制器(3)调制后的信号光，经光纤放大系统(4)放大后入射至发射望远镜(5)，从该发射望远镜输出后的水平光经过45°全反射镜组(6)后水平发射到目标，经目标的返回光依次经过所述的滤光片(7)、接收望远镜(8)、进入单光子探测器(9)，该单光子探测器(9)输出的脉冲信号经光子计数卡(10)脉冲鉴别和阈值判定，得到的信号码元序列输入所述的计算机(11)，与所述的伪随机码发生器(2)提供的原始伪随机码在所述的计算机(11)中进行相关运算。
2.根据权利要求I所述的基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，其特征在于所述的种子光源(I)是连续光纤激光器。
3.根据权利要求I所述的基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，其特征在于所述的伪随机码发生器(2)是任意波形发生器。
4.根据权利要求I所述的基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，其特征在于所述的伪随机码调制器(3)是高速铌酸锂电光调制器。
5.根据权利要求I所述的基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，其特征在于所述的光纤放大系统(4)是采用MOPA结构的三级光纤放大系统。
6.根据权利要求I所述的基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，其特征在于所述的45°全反射镜组(6)是两块中心波长为种子光源波长与光路成45°的全反射镜构成。
7.根据权利要求I所述的基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，其特征在于所述的滤光片(7)是中心波长为种子光源波长的窄带干涉滤光片。
8.根据权利要求I所述的基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，其特征在于所述的单光子探测器(9)是探测灵敏度达到单光子量级的硅雪崩光电二极管或铟镓砷雪崩光电二极管，所述的硅雪崩光电二极管主要工作在400nm-1100nm ;所述的铟镓砷雪崩光电二极管主要工作在900nm-1700nm。
9.根据权利要求I所述的基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，其特征在于所述的计算机(11)是具有高速信息处理、控制和显示功能的计算机。
全文摘要
一种基于高速伪随机码调制和光子计数的远程激光测距系统，基本原理是采用高速率伪随机码对连续的光纤激光进行调制，调制后的信号光经发射望远镜系统发射，目标反射光经接收望远镜系统接收后进入单光子探测器。光子计数卡对探测器输出的信号进行脉冲鉴别和阈值判定后获得回波码元序列，将其与原始的伪随机码序列进行互相关运算后得到距离信息。本发明的特点是可实现高重频和高精度的远程激光测距。
文档编号G01S11/12GK102928832SQ20121050641
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者杨芳, 陈卫标, 张鑫, 贺岩 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所