一种可消除距离模糊的高重频单光子激光雷达的制作方法

本发明属于激光雷达技术领域，特别涉及一种可消除距离模糊的高重频单光子激光雷达。

背景技术：

单光子激光雷达利用单光子探测器接收光子量级回波信号，通过时间相关单光子计数(time-correlatedsinglephotoncounting,tcspc)技术将时间飞行测距的光信号探测灵敏度提高到量子极限，极大地提高了激光雷达的作用距离。单光子激光雷达虽然具有很高的探测灵敏度，但是其采用的tcspc技术需要进行多次累积来提取目标的距离信息。在重复频率一定的条件下，增加累积次数会造成了测距时间过长，无法适用运动目标的激光测距场合。因此，提高激光脉冲的重复频率是提高单光子激光雷达数据更新率的有效途径。

然而，重复频率的提高会造成缩短最大不模糊距离，限制了单光子激光雷达在远距离目标测距中的应用。为了解决激光脉冲重频与最大不模糊距离之间的矛盾，目前大体存在以下方法：其中一种是基于相关运算的伪随机编码技术，该方法将激光发射的长脉冲进行编码，通过将探测器接收到的回波脉冲跟发射脉冲进行相关运算提取出回波脉冲中目标信号，从而实现远距离的运动目标探测，同时通过对各个脉冲施加不同的编码方式，能够有效解决了高重频条件下的距离模糊问题。然而，这种方法存在的问题是单光子探测器的死时间会降低发射脉冲与回波脉冲之间的相关性，进而降低回波探测的灵敏度。另外一种方法是双频或多频调制技术，即利用两种或者固定频率(对应的周期分别为t1、t2、…、tn)对激光脉冲进行调制，则其可探测的最大不模糊距离为dmax＝c[t1、t2、…、tn]/2，这里的[t1、t2、…、tn]为t1、t2、…、tn的最小公倍数。然而，当相邻两个回波信号的时间间隔很短(小于单光子探测器的死时间)时，单光子探测器的死时间会影响回波回波信号的探测概率。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明提出了一种可消除距离模糊的高重频单光子激光雷达，能够以较高的重复频率实现远距离的运动目标探测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种可消除距离模糊的高重频单光子激光雷达，该激光雷达包括控制模块、激光器、分束器、发射光学系统、光电二极管、第一事件计时器、接收光学系统、单光子探测器、第二事件计时器以及信号处理模块，其中：

所述的控制模块用于产生重复频率可调的触发脉冲信号，将其作为激光器的主控信号，用于控制激光脉冲的发射时刻；

所述的激光器用于产生激光脉冲信号，脉冲频率由控制模块控制；

所述的分束器将激光器发射的激光信号一分为二，其中的大部分激光传输至发射光学系统作为信号光，而小部分激光传输至光电二极管作为参考光；

所述的发射光学系统用于对信号光进行准直和扩束并发射至被测目标上；

所述的光电二极管用于探测分束器分出的参考光，以此作为计时基准信号；

所述的第一事件计时器用于精确记录参考光脉冲的时刻，以此作为脉冲飞行时间测量的起点；

所述的接收光学系统用于接收被测目标反射/散射的激光回波信号；

所述的单光子探测器用于响应光子量级的微弱回波光脉冲信号；

所述的第二事件计时器用于精确记录回波光脉冲的时刻，以此作为脉冲飞行时间测量的终点；

所述的信号处理模块用于进行时间相关单光子计数处理，从而获得直方图，计算脉冲飞行时间，最终实现目标距离的测量。

其中，采用控制模块产生重复频率可调的触发脉冲信号作为激光器的主控信号，用于控制激光脉冲的发射时刻，使得激光器输出的相邻两个脉冲之间的时间间隔各不相同。

其中，采用了事件计时器对参考光和回波光的脉冲时刻进行精确记录，既能实现皮秒量级的时间分辨率，又能实现大量程的测时范围，克服了时间分辨率与测时范围之间的矛盾。

其中，相邻两个激光脉冲之间的时间间隔各不相同，使得累积过程中只有本次触发时刻对应的回波光脉冲才能累积起来，非本次触发时刻的回波光脉冲将被离散化处理而无法累积起来，使得发射的高重频激光脉冲在大量程的测时范围条件下也不会出现多个回波。

其中，采用了高重频的脉冲频率调制形式，高的重复频率既解决了光子计数体制的多次累积问题，又能适应运动条件下的测距场合，而脉冲频率调制可消除距离模糊实现远距离目标测距。

与现有技术相比，本发明所述的可消除距离模糊的高重频单光子激光雷达的优势在于：

(1)该高重频单光子激光雷达，采用了参考光和回波光均采用事件计时器精确记录脉冲时刻，既能实现皮秒量级的时间分辨率，又能实现大量程的测时范围。

(2)该高重频单光子激光雷达，采用了相邻两个激光脉冲之间的时间间隔各不相同，使得累积过程中只有本次触发时刻对应的回波光脉冲才能累积起来，非本次触发时刻的回波光脉冲将被离散化处理而无法累积起来，使得发射的高重频激光脉冲在大的测时范围条件下也不会出现多个回波。

(3)该高重频单光子激光雷达，采用了高重频的频率调制激光脉冲，既解决了光子计数体制的多次累积问题，又能适应运动条件下的测距场合，还能消除距离模糊实现远距离目标测距。

附图说明

图1为本发明一种可消除距离模糊的高重频单光子激光雷达的结构示意图。

图2为本发明的脉冲频率调制波形图。

图3为本发明的回波信号提取原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种可消除距离模糊的高重频单光子激光雷达，该高重频单光子激光雷达包括控制模块1、激光器2、分束器3、发射光学系统4、光电二极管5、第一事件计时器6、接收光学系统7、单光子探测器8、第二事件计时器9和信号处理模块10，所述的控制模块1用于产生重复频率可调的触发脉冲信号，将其作为激光器的主控信号，用于控制激光脉冲的发射时刻；所述的激光器2用于产生激光脉冲信号，脉冲频率由控制模块1控制；所述的分束器3将激光器发射的激光信号一分为二，其中的大部分激光传输至发射光学系统4作为信号光，而小部分激光传输至光电二极管5作为参考光；所述的发射光学系统4用于对信号光进行准直和扩束并发射至被测目标上；所述的光电二极管5用于探测分束器3分出的参考光，以此作为计时基准信号；所述的第一事件计时器6用于精确记录参考光脉冲的时刻，以此作为脉冲飞行时间测量的起点；所述的接收光学系统7用于接收被测目标反射/散射的激光回波信号；所述的单光子探测器8用于响应光子量级的微弱回波光脉冲信号；所述的第二事件计时器9用于精确记录回波光脉冲的时刻，以此作为脉冲飞行时间测量的终点；所述的信号处理模块10用于进行时间相关单光子计数处理，从而获得直方图，计算脉冲飞行时间，最终实现目标距离的测量。

如图1所示，本发明提出的可消除距离模糊的高重频单光子激光雷达，包括控制模块1、激光器2、分束器3、发射光学系统4、光电二极管5、第一事件计时器6、接收光学系统7、单光子探测器8、第二事件计时器9、信号处理模块10。利用控制模块1产生重复频率可调的触发脉冲信号，将其作为激光器2的主控信号，用于控制激光脉冲的发射时刻。利用第一、第二事件计时器分别记录参考光脉冲和回波光脉冲时刻，并由信号处理模块10进行时间相关单光子计数处理，由于激光脉冲频率不断变化，使得累积过程中只有本次触发时刻的回波光脉冲才能累积起来，非本次触发时刻的回波光脉冲被离散化处理，最终使得单光子激光雷达能够在高重频条件下对远距离目标进行测距。

控制模块1产生的重复频率可调制的脉冲信号，作为激光器2的主控信号，用于控制激光脉冲的发射时刻，脉冲频率调制波形图如图2所示。只要合理控制激光脉冲重频的变化量，就能够确保脉冲触发计时过程中只有本次触发时刻对应的回波光脉冲在规定的目标相对运动速度条件下均落在同一个距离门内，因而能够累积起来；而非本次触发时刻的回波光脉冲将被离散化处理而无法累积起来，使得发射的高重频激光脉冲在很大的测时范围条件下也不会出现多个回波。如此使得单光子激光雷达既不会出现距离模糊问题，又能够以较高的重频发射激光脉冲以实现运动目标的激光测距。

为了更详细地说明可消除距离模糊的高重频单光子激光雷达基本原理，这里对回波信号提取方法进行说明，具体如图3所示。在一个时间测量周期中，ti时刻触发计时后采集到的脉冲只有ri是该时刻发射的激光脉冲产生的回波，ri与ti之间的时间间隔代表了真实的激光脉冲往返飞行时间，可以用于计算目标距离；而rj(i≠j)是其他时刻发射的激光脉冲产生的回波，rj与ti之间的时间间隔并不是真实的激光脉冲往返飞行时间，不能用于计算目标距离。

另外，为了使得ti时刻触发计时后采集到的rj(i≠j)脉冲在多次累积过程中不会叠加起来，必须将这些脉冲离散分布开来，而不出现在同一个距离门内。为了达到这个效果，触发计时的时刻ti必须满足如下关系：

这里的tbin为距离门时间，v为目标相对运动速度，c为光速。也就是说，在进行多次累积过程中，两个激光脉冲之间的时间间隔应满足如下条件：

只要确保激光脉冲的周期差异一个距离门时间tbin，就可以使得ti时刻触发计时后采集到的rj(i≠j)脉冲在多次累积过程中不会出现在相同的距离门内，因而不会叠加起来。

本发明一种基于脉冲频率调制的高重频激光测距方法，既能消除距离模糊实现远距离目标测距，又能解决光子计数体制的多次累积问题，适应运动条件下的测距场合。同时，采用了事件计时器对参考光和回波光的脉冲时刻进行精确记录，既能实现皮秒量级的时间分辨率，又能实现大量程的测时范围，克服了时间分辨率与测时范围之间的矛盾。