一种基于宽谱光源的单光子成像激光雷达系统的制作方法
本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地说，涉及一种基于宽谱光源的单光子成像激光雷达系统。
背景技术：
由于激光雷达具有抗干扰能力强、隐蔽性好的特点，单光子成像技术具有探测灵敏度高的特点，因此，将激光雷达技术与单光子成像技术相结合，可以极大地提高探测成像的距离和精度。
但是，由于传统激光雷达的视场较小，因此，对目标成像需要长时间的精密扫描，导致成像速度慢，难以对大视场范围内的远距离目标进行高速3d成像，极大限制了单光子成像激光雷达的应用。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种基于宽谱光源的单光子成像激光雷达系统，以提高成像激光雷达的成像速度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于宽谱光源的单光子成像激光雷达系统，包括宽谱光源、光处理模块、强度调制模块、扫描收发模块、探测模块和成像模块；
所述宽谱光源用于发射宽谱探测光；
所述光处理模块用于从所述宽谱探测光中滤出工作波段的探测光，并对所述工作波段的探测光进行重复频率选择和时域色散，以将所述工作波段的探测光的重复频率控制在预设范围内，并使不同频率的探测光在时域上展开；
所述强度调制模块用于将所述光处理模块出射的探测光分成频率不同的多个探测光，并按照时间顺序先后出射所述多个探测光；所述扫描收发模块用于对所述强度调制模块出射的多个探测光进行空间色散，并结合机械扫描对所述经过空间色散的多个探测光进行扫描出射，以使所述多个探测光形成二维探测光点阵，以通过所述二维探测光点阵进行目标探测，并接收目标反射回的探测光；
所述探测模块用于探测所述目标反射回的探测光的光子数；
所述成像模块用于根据所述探测光的光子数的数据进行3d成像。
可选地，所述光处理模块包括可调滤波器、第一色散光纤、脉冲选择器和第二色散光纤；
所述可调滤波器的输入端与所述宽谱光源的输出端相连，所述可调滤波器用于从所述宽谱探测光中滤出工作波段的探测光；
所述第一色散光纤的输入端与所述可调滤波器的输出端相连，所述第一色散光纤用于对所述工作波段的探测光进行时域色散；
所述脉冲选择器的输入端与所述第一色散光纤的输出端相连，所述脉冲选择器用于对所述工作波段的探测光进行重复频率选择；
所述第二色散光纤的输入端与所述脉冲选择器的输出端相连，所述第二色散光纤用于对所述工作波段的探测光进行时域色散。
可选地，所述光处理模块还包括隔离器和第一光纤放大器；
所述隔离器的输入端与所述宽谱光源的输出端相连，所述隔离器的输出端与所述可调滤波器相连，所述隔离器用于将所述宽谱光源出射的宽谱探测光传输至所述可调滤波器，阻挡所述可调滤波器传输至所述宽谱光源的散射光和端面反射光；
所述第一光纤放大器的输入端与所述脉冲选择器的输出端相连，所述第一光纤放大器的输出端与所述第二色散光纤的输入端相连，所述第一光纤放大器用于对所述工作波段的探测光进行光功率放大。
可选地，所述强度调制模块包括强度调制器和信号发生器；
所述强度调制器用于将经过时域色散的探测光分成频率不同的多个探测光，并按照时间顺序先后出射所述探测光；
所述信号发生器用于通过驱动信号驱动所述强度调制器，所述驱动信号的时序参数决定所述强度调制器选取的探测光的频率参数。
可选地，还包括第二光纤放大器；
所述第二光纤放大器用于对所述强度调制器出射的探测光进行光功率放大。
可选地，所述扫描收发模块包括第一准直器、第二准直器、空间光环形器、偏振片、衍射光栅组和收发光学模组；
所述第一准直器用于对所述强度调制模块出射的探测光进行准直；
所述空间光环形器用于将所述第一准直器出射的探测光传输至所述偏振片，将所述偏振片返回的探测光传输至所述第二准直器；
所述偏振片用于将线偏振的探测光转变为圆偏振的探测光；
所述衍射光栅组用于所述偏振片出射的探测光进行空间色散；
所述收发光学模组用于结合机械扫描对所述经过空间色散的多个探测光进行扫描出射，以使所述收发光学模组出射的多个探测光形成二维探测光点阵，并通过所述二维探测光点阵进行目标探测；
所述收发光学模组还用于接收目标反射回的探测光，所述反射回的探测光经过所述衍射光栅组、所述偏振片、所述空间光环形器和所述第二准直器后传输至所述探测模块。
可选地，所述扫描收发模块包括扫描模块，所述扫描模块至少带动所述衍射光栅组和收发光学模组转动，以使所述收发光学模组出射的多个探测光形成二维探测光点阵。
可选地，所述探测模块包括低温恒温器及探测器、电学放大器和计数器；
所述低温恒温器用于保持所述探测模块处于预设温度，并将所述扫描收发模块输出的目标反射回的探测光经所述探测器转化为电信号后传输至所述电学放大器；
所述电学放大器用于对所述探测器得到的电信号进行放大；
所述计数器用于记录所述目标反射回的探测光的光子数。
可选地，所述成像模块还用于根据所述光子数的数据控制所述宽谱光源的时序，以使所述宽谱光源和所述成像模块的时序相同。
可选地，所述宽谱光源包括可见光波段以及红外波段的飞秒激光光源、结合光电调制器的放大自发辐射光源或超连续谱光源。
与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
本发明所提供的基于宽谱光源的单光子成像激光雷达系统，光处理模块使不同频率的探测光在时域上展开后，强度调制模块将探测光分成频率不同的多个探测光，并按照时间顺序先后出射，扫描收发模块对多个探测光进行扫描出射，以形成二维探测光点阵，并通过二维探测光点阵进行目标探测。
由于本发明中通过二维探测光点阵进行目标的探测，因此，本发明中的激光雷达系统的探测视场较大，成像速度较快。并且，由于本发明中可通过调节强度调制模块的频率选择范围来调节形成的探测光的个数，进而调节二维探测光点阵的范围和精度，因此，可以使得本发明中的激光雷达系统具有探测精度高和应用范围广等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例提供的基于宽谱光源的单光子成像激光雷达系统的结构示意图；
图2为本发明另一个实施例提供的基于宽谱光源的单光子成像激光雷达系统的结构示意图；
图3为图2所示的对应光路中a、b、c、d四点的时域信号示意图；
图4为本发明实施例提供的二维探测光点阵及探测目标的示意图；
图5为本发明实施例提供的发射探测光和接收探测光的脉冲时序图。
具体实施方式
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于宽谱光源的单光子成像激光雷达系统，如图1所示，该系统包括宽谱光源1、光处理模块2、强度调制模块3、扫描收发模块4、探测模块5和成像模块6。
其中，宽谱光源1用于发射宽谱探测光。光处理模块2用于从宽谱光源1出射的宽谱探测光中滤出工作波段的探测光，并对工作波段的探测光进行重复频率选择和时域色散，以将工作波段的探测光的重复频率控制在预设范围内，并使不同频率的探测光在时域上展开。强度调制模块3用于将光处理模块2出射的探测光分成频率不同的多个探测光，并按照时间顺序先后出射多个探测光。扫描收发模块4用于对强度调制模块3出射的多个探测光进行空间色散，以形成一维探测光点阵，并结合机械扫描对经过空间色散的多个探测光进行扫描出射，以使多个探测光形成二维探测光点阵，以通过二维探测光点阵进行目标a探测，并接收目标a反射回的探测光。探测模块5用于探测目标a反射回的探测光的光子数。成像模块6用于根据探测光的光子数的数据进行3d成像。
由于本发明中通过二维探测光点阵进行目标a的探测，因此，本发明中的激光雷达系统的探测视场较大，成像速度较快。并且，由于本发明中可通过调节强度调制模块3的频率选择范围来调节形成的探测光的个数，进而调节二维探测光点阵的范围和精度，因此，可以使得本发明中的激光雷达系统具有探测精度高和应用范围广等优点。
可选地，宽谱光源1包括可见光波段以及红外波段的飞秒激光光源、结合光电调制器的放大自发辐射光源或超连续谱光源等。当然，本发明实施例中的宽谱光源1可以是偏振或非偏振光源，本发明并不对此进行限定。
可选地，如图2所示，本发明实施例中的光处理模块2包括可调滤波器20、第一色散光纤21、脉冲选择器22和第二色散光纤23。其中，可调滤波器20的输入端与宽谱光源1的输出端相连，可调滤波器20用于从宽谱探测光中滤出工作波段的探测光。第一色散光纤21的输入端与可调滤波器20的输出端相连，第一色散光纤21用于对工作波段的探测光进行时域色散。脉冲选择器22的输入端与第一色散光纤21的输出端相连，脉冲选择器22用于对工作波段的探测光进行重复频率选择。可选地，脉冲选择器22包括强度调制器、声光调制器以及封装的各种脉冲选择器。第二色散光纤23的输入端与脉冲选择器22的输出端相连，第二色散光纤23用于对工作波段的探测光进行时域色散。
进一步可选地，光处理模块2还包括隔离器24和第一光纤放大器25。隔离器24的输入端与宽谱光源1的输出端相连，隔离器24的输出端与可调滤波器20相连，隔离器24用于将宽谱光源1出射的宽谱探测光传输至可调滤波器20，阻挡可调滤波器20传输至宽谱光源1的散射光和端面反射光。第一光纤放大器25的输入端与脉冲选择器22的输出端相连，第一光纤放大器25的输出端与第二色散光纤23的输入端相连，第一光纤放大器25用于对工作波段的探测光进行光功率放大。可选地，当宽谱光源1运行波段为红外波段时，第一光纤放大器25为掺铒光纤放大器。
可选地，强度调制模块3包括强度调制器30和信号发生器31。强度调制器30用于将经过时域色散的探测光分成频率不同的多个探测光，并按照时间顺序先后出射探测光。信号发生器31用于通过驱动信号驱动强度调制器，驱动信号的时序参数决定强度调制器选取的探测光的频率参数。可选地，信号发生器31包括任意波形信号发生器及由时钟信号驱动的窄脉冲生成器。
可选地，本发明实施例中的激光雷达系统还包括第二光纤放大器32；第二光纤放大器32用于对强度调制器30出射的探测光进行光功率放大。可选地，第二光纤放大器32包括连续光纤放大器和脉冲光纤放大器。
可选地，扫描收发模块4包括第一准直器40、第二准直器41、空间光环形器42、偏振片43、衍射光栅组和收发光学模组。
其中，第一准直器40用于对强度调制模块3出射的探测光进行准直；空间光环形器42用于将第一准直器40出射的探测光传输至偏振片43，将偏振片43返回的探测光传输至第二准直器41；偏振片43用于将线偏振的探测光转变为圆偏振的探测光；其中，偏振片43为1/4波片。衍射光栅组用于偏振片43出射的探测光进行空间色散。收发光学模组用于结合机械扫描对经过空间色散的多个探测光进行出射，以使收发光学模组出射的多个探测光形成二维探测光点阵，并通过二维探测光点阵进行目标a探测；收发光学模组还用于接收目标a反射回的探测光，反射回的探测光经过衍射光栅组、偏振片53、空间光环形器52和第二准直器51后传输至探测模块6。
可选地，衍射光栅组包括第一衍射光栅451、第二衍射光栅452、第三衍射光栅452，第一衍射光栅451用于对探测光进行空间一级色散、第二衍射光栅452用于对探测光进行空间二级色散、第三衍射光栅453用于对探测光进行空间三级色散。进一步可选地，衍射光栅451、452、453包括反射、透射式的刻线光栅及全息光栅，衍射光栅的数量可按实际情况进行调整。
可选地，收发光学模组包括中继透镜组47、光阑48和收发光学镜头49，中继透镜组47用于对探测光进行聚焦，光阑48用于控制通光量，消除杂散光，收发光学镜头49用于发射和接收大视场探测光，具有扩束、导向，保证接收效率的作用。
需要说明的是，本发明实施例中的扫描收发模块4还包括反射镜，如第一反射镜44和第二反射镜46，用于改变光路，实现空间光导向。
本发明实施例中，扫描收发模块4还包括扫描模块，扫描模块至少带动衍射光栅组和收发光学模组转动，以使收发光学模组出射的多个探测光形成二维探测光点阵。可选地，该扫描模块为高精度电机，以通过高精度电极驱动扫描收发模块4进行一维扫描。
可选地，探测模块5包括低温恒温器及探测器50、电学放大器51和计数器52，其中，低温恒温器和探测器是集成在一起的，低温恒温器用于保持探测模块5处于预设温度，该预设温度为极低温度，以降低探测噪声，并将扫描收发模块4输出的目标a反射回的探测光经探测器转化为电信号后传输至电学放大器51；电学放大器51用于对探测得到的电信号进行放大；计数器52用于记录目标a反射回的探测光的光子数。成像模块6还用于根据光子数的数据控制宽谱光源1的时序，以使宽谱光源1和成像模块6的时序相同。
本发明实施例中，探测模块5为超导探测模块，当然，本发明并不仅限于此，该探测模块5还可以为单光子探测模块，如单光子雪崩二极管等。
为了便于理解，对本发明提供的基于宽谱光源的单光子成像激光雷达系统的原理进行说明。
宽谱光源1出射的脉冲探测光，经过隔离器24，由可调滤波器20滤出工作波段的宽谱探测光，该探测光的带宽为δλ，由第一色散光纤21进行时域色散并传输至脉冲选择器22，由脉冲选择器22进行重复频率选择，由脉冲选择器22选出的脉冲探测光经过第二色散光纤23进行时域色散和传输，由于不同频率的探测光在色散光纤中的传输速度不同，因此，通过第一光纤放大器25和多级色散光纤21、23使脉冲探测光在时域上充分展开，如图3(a)所示，进行时域色散之前，脉冲探测光之间的距离为1/frep，进行时域色散之后，如图3(b)所示，脉冲探测光之间的距离为1/nfrep，n为大于1的整数。
根据时域色散的特性，可以构建色散光纤系统的时域-频率映射关系。时域-频率映射关系可由下面的通式表示：
强度调制器30将经过时域色散的探测光分成频率不同的多个探测光，并按照时间顺序先后出射探测光。也就是说，强度调制器30会在每隔一段时间建立一个时间通道，并在每个时间通道内选出一个频率的探测光进行出射，在不同的时间通道内选出不同频率的探测光进行出射，以利用时间通道进行频率区分，每个时间通道对应相应的频率通道。假设频率通道数为n，相应的频率通道由cn表示，如图3(d)所示。强度调制器30筛选脉冲频率通道的时间间隔为tp＝td(n+1)/n，相当于在时域上对脉冲探测光进行频率通道扫描，其中td为宽谱探测光经过第一色散光纤21和第二色散光纤23后在时域上的展宽时间，即每经过时间tc＝ntp完成一次频率扫描。
不同频率的窄脉冲探测光经过第二光纤放大器32放大，放大后的脉冲探测光由第一准直器40准直后通过第一反射镜44进入三级级联衍射光栅451、452、453，在x方向实现一维大角度色散，每个选出的频率通道对应一个特定的色散角度，即对应特定的探测方向，如图4所示，从而构成一维色散探测光点阵{θx1(c1),θx2(c2),…,θxn(cn)}，通过扫描收发模块4在y方向上进行扫描，实现二维的色散探测光点阵{[θx1(c1),θyj],[θx2(c2),θyj],…,[θxn(cn),θyj]}。
其中，x方向探测光点阵数量可以调节强度调制器30筛选脉冲频率通道的时间间隔来实现，即调节强度调制器30重复频率。y方向探测光点阵数量由扫描电机步进即扫描模块的扫描角度调节。本发明实施例中的激光雷达系统探测总视场为(θx,θy)，其中，θx为级联光栅一维色散角度，θy为扫描电机扫描角度。色散光通过中继镜组47和收发光学镜头49出射至大气进行目标a探测。需要说明的是，本发明实施例中以目标a为飞机为例进行说明，并不仅限于此。
当有目标a处于二维探测光点阵覆盖范围时，对应目标a位置的频率通道光线由收发光学镜头49进行探测。如图5所示，为宽谱探测光的探测时序，图5上图表示发射出去的脉冲探测光序列，图5下图表示接收到的脉冲探测光序列。以某一个频率通道的脉冲探测光发射时间为起始点，根据设定tc值，探测得到的每个频率通道回拨脉冲探测光的往返时间为：
其中，k为整数，其值由预估目标a的参考距离决定，
则对应目标a距离为dei＝ctei/2，其中，c为光速。通过累计多次扫描周期，通过拟合回波脉冲探测光在时域上的中心位置确定相应频率通道脉冲探测光的飞行时间。根据tp值，目标a距离探测的动态范围为ctp/2。
考虑人眼安全及探测的隐蔽性，本发明实施例中优选利用红外波段飞秒激光进行探测，探测模块5采用相应波段的超导或单光子探测器进行探测。利用超导探测器进行探测可以保证在远距离探测情况下的探测效率。
本发明所提供的基于宽谱光源的单光子成像激光雷达系统，由于本发明中通过二维探测光点阵进行目标a的探测，因此，本发明中的激光雷达系统的探测视场较大，成像速度较快。并且，由于本发明中可通过调节强度调制模块的频率选择范围来调节形成的探测光的个数，进而调节二维探测光点阵的范围和精度，因此，可以使得本发明中的激光雷达系统具有探测精度高和应用范围广等优点。此外，本发明中采用单光子探测技术，提高了探测效率和信噪比，具有远距离宏观目标a快速成像的能力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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