单光子成像雷达系统

1.本公开涉及激光雷达领域，更具体地，涉及一种单光子成像雷达系统。


背景技术：

2.激光成像雷达是目前应用最广的精确三维成像技术之一，其主要原理是发射激光脉冲到目标区域并接受回波，通过测量光子的飞行时间来得到目标与发射点之间的距离。再通过对目标区域进行扫描等技术手段得到目标物体的三维图像。
3.现有技术例如中国科学技术大学的研究团队完成的单光子三维成像系统，或如英国赫瑞
‑
瓦特大学的研究团队完成的三维脉冲激光成像系统。上述技术实现了对10km距离外物体的三维成像，然而它们均采用了大口径望远镜作为光束收发装置，其整体结构复杂且体积庞大，同时，上述技术为解决光束接收效率的问题，或使用大的激光功率，或使用长的积分时间，但这些举措同时也增大了噪声，无法满足快速成像的需要。
4.因此，在实现本发明的过程中发现，相关技术中的激光成像雷达系统的结构复杂且庞大，不具便携性，而且没有有效的降噪手段，进而影响成像距离、成像速度和分辨率。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本公开提供了一种单光子成像雷达系统。
6.根据本公开的实施例，单光子成像雷达系统包括：信号源，用于产生同步信号和门控信号；光纤激光器，用于接收上述同步信号，并响应上述同步信号发射激光脉冲；第一光开关和第二光开关，其中，上述第一光开关和上述光纤激光器、分光器件分别连接，上述第二光开关和上述分光器件、单光子探测器分别连接，上述第一光开关和上述第二光开关用于接收上述门控信号，并响应上述门控信号进行开启或者关闭，以便控制激光脉冲是否通过上述第一光开关和上述第二光开关；上述分光器件，用于接收上述第一光开关传输的激光脉冲，并传输至光学收发板，或用于接收上述光学收发板传输的激光脉冲，并传输至上述第二光开关；上述光学收发板；上述单光子探测器，用于接收上述门控信号和上述第二光开关传输的激光脉冲，并响应上述门控信号进行开启或者关闭，其中，上述单光子探测器开启时，上述单光子探测器响应上述第二光开关传输的激光脉冲，产生探测信号传输给时间数字转换器；以及上述时间数字转换器，用于接收上述同步信号和上述探测信号，并记录时间信息。
7.根据本公开的实施例，上述光学收发板包括：光准直装置，用于校直或耦合激光脉冲；扫描装置，用于偏转激光脉冲；扩束系统，用于改变激光脉冲的光束发散角；光学金属基板，用于同定上述光准直装置、上述扫描装置和上述扩束系统。
8.根据本公开的实施例，上述光准直装置、上述扫描装置和上述扩束系统的轴线共面。
9.根据本公开的实施例，单光子成像雷达系统还包括：电动转台，与上述光学收发板连接，用于控制上述扩束系统的指向；辅助相机，用于辅助上述单光子成像雷达系统寻找目
标物体。
10.根据本公开的实施例，上述信号源、上述光纤激光器、上述第一光开关、上述第二光开关、上述分光器件、上述单光子探测器和上述时间数字转换器集成在机箱中。
11.根据本公开的实施例，单光子成像雷达系统还包括：信息处理装置，集成在上述机箱中，用于接收上述时间数字转换器的时间信息，并根据上述时间信息计算得到上述目标对象的距离信息。
12.根据本公开的实施例，上述同步信号和上述门控信号为周期信号，且上述门控信号的周期大于上述同步信号的周期。
13.根据本公开的实施例，上述门控信号在一个周期的前一半时间控制上述第一光开关开启，上述第二光开关和上述单光子探测器关闭；上述门控信号在一个周期的后一半时间控制上述第一光开关关闭，上述第二光开关和上述单光子探测器开启。
14.根据本公开的实施例，上述光纤激光器包括：近红外脉冲光纤激光器；上述扫描装置包括：微机电系统振镜；上述时间数字转换器包括：pci
‑
e板卡式时间数字转换器。
15.根据本公开的实施例，因为使用小型光学器件，并采用了合理的光学设计，所以至少部分地克服了单光子成像雷达系统体积庞大、光路复杂的问题，进而达到了集成化、实用化的效果。
附图说明
16.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
17.图1示意性示出了根据本公开的单光子成像雷达系统示意图；
18.图2示意性示出了根据本公开实施例的单光子成像雷达系统示意图；
19.图3示意性示出了根据本公开实施例的集成化的单光子成像雷达系统示意图；
20.图4示意性示出了根据本公开另一实施例的单光子成像雷达系统的原型机系统示意图。
具体实施方式
21.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
22.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
23.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
24.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本
领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
25.本公开的实施例提供了一种单光子成像雷达系统，包括：信号源，用于产生同步信号和门控信号；光纤激光器，用于接收同步信号，并响应同步信号发射激光脉冲；第一光开关和第二光开关，其中，第一光开关和光纤激光器、分光器件分别连接，第二光开关和分光器件、单光子探测器分别连接，第一光开关和第二光开关用于接收门控信号，并响应门控信号进行开启或者关闭，以便控制激光脉冲是否通过第一光开关和第二光开关；分光器件，用于接收第一光开关传输的激光脉冲，并传输至光学收发板，或用于接收光学收发板传输的激光脉冲，并传输至第二光开关；光学收发板；单光子探测器，用于接收门控信号和第二光开关传输的激光脉冲，并响应门控信号进行开启或者关闭，其中，单光子探测器开启时，单光子探测器响应第二光开关传输的激光脉冲，产生探测信号传输给时间数字转换器；以及时间数字转换器，用于接收同步信号和探测信号，并记录时间信息。
26.图1示意性示出了根据本公开的单光子成像雷达系统示意图。
27.如图1所示，该单光子成像雷达系统包括信号源101、光纤激光器102、第一光开关103、第二光开关104、分光器件105、光学收发板106、单光子探测器107和时间数字转换器108。
28.根据本公开的实施例，信号源101用于产生同步信号和门控信号。信号源101可以是任何可以产生多路稳定、可控信号的装置，包括但不限于函数信号发生器等。
29.根据本公开的实施例，光纤激光器102用于接收同步信号，并响应同步信号发射激光脉冲。光纤激光器102可以是任意工作波段的激光发生器，包括但不限于近红外光纤激光器等。
30.根据本公开的实施例，第一光开关103和光纤激光器102、分光器件105分别连接，第二光开关104和分光器件105、单光子探测器107分别连接，第一光开关103和第二光开关104用于接收门控信号，并响应门控信号进行开启或者关闭，以便控制激光脉冲是否通过第一光开关103和第二光开关104。
31.根据本公开的实施例，第一光开关103和第二光开关104可以是任意具有一个或多个可选择的传输窗口并且可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件，包括但不限于光纤光开关等。其中，第二光开关104还包括滤波模块，用于滤除接收到的激光脉冲中的噪声。
32.根据本公开的实施例，分光器件105用于接收第一光开关103传输的激光脉冲，并传输至光学收发板106，或用于接收光学收发板106传输的激光脉冲，并传输至第二光开关104。分光器件105可以是任何能够实现将光网络系统中的光信号进行耦合、分支、分配功能的器件，包括但不限于光纤分光器等。
33.根据本公开的实施例，光学收发板106包括光准直装置1061、扫描装置1062、扩束系统1063和光学金属基板1064。其中，光准直装置1061用于校直或耦合激光脉冲，包括但不
限于准直器、凸透镜组等。扫描装置1062，用于偏转激光脉冲，扫描装置可以是任意具备快速扫描、收发同轴功能的装置，包括但不限于微机电系统(micro
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electro
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mechanical system，mems)振镜。扩束系统1063，用于改变激光脉冲的光束发散角，使得发射的激光脉冲的光斑按照一定比例扩大，可以减小激光的功率密度，在实际使用中确保激光的安全性；扩束系统1063包括但不限于扩束镜等。光学金属基板1064，用于固定光准直装置1061、扫描装置1062和扩束系统1063。
34.根据本公开的实施例，单光子探测器107用于接收门控信号和第二光开关104传输的激光脉冲，并响应门控信号进行开启或者关闭，其中，单光子探测器107开启时，单光子探测器107响应第二光开关104传输的激光脉冲，产生探测信号传输给时间数字转换器108。单光子探测器107是工作在光纤激光器102工作波段的、高灵敏度的器件，例如ingaas单光子雪崩二极管等。
35.根据本公开的实施例，时间数字转换器108用于接收同步信号和探测信号，并记录时间信息。
36.根据本公开的实施例，因为使用小型光学器件，并采用了合理的光学设计，所以至少部分地克服了单光子成像雷达系统体积庞大、光路复杂的问题，进而达到了集成化、实用化的效果。
37.图2示意性示出了根据本公开实施例的单光子成像雷达系统示意图。
38.如图2所示，本公开实施例的单光子成像雷达系统在工作时，光纤激光器102受信号源101触发产生激光脉冲，信号源101同时给时间数字转换器108一个相同频率的同步信号使其记录探测的相对起始时间。激光脉冲经过发射端光开关103进入分光器件105，之后通过光准直装置1061将光出射到自由空间，经过扫描装置1062反射和扩束系统1063扩束打到远距离目标物体204上并反射。返回的光子经过相同的光路从光准直装置1061耦合进入光纤，再经过分光器件105、光开关104和滤波器件进入单光子探测器107；单光子探测器107将接收信号传给时间数字转换器108作为计时结束信号；时间数字转换器108将相对起始时间与响应计时结束信号得到的结束计时时间传输给信息处理装置203，便可以得到目标的相对距离。再让扫描装置1062快速扫描可以得到目标物体204不同区域的相对距离，进而得到目标物体的三维图像。
39.根据本公开实施例的单光子成像雷达系统，单光子探测器107选用具有单个光子的探测灵敏度的探测设备，其可以实现在10km外接收到mw级(毫瓦级)平均功率的光纤激光器102发射的激光脉冲。采用近红外波段的工作波长，近红外波长的光的大气透过率高于可见光，大气传输衰减更小，且不易被人眼吸收，具有高的人眼安全性。使用扩束系统1063扩大出射光斑，减小激光脉冲的功率密度，确保了本公开实施例的单光子成像雷达系统的安全性。
40.根据本公开实施例的单光子成像雷达系统，信号源101会输出至少5路信号，分别是控制光纤激光器102产生脉冲、时间数字转换器108记录时间信息的同步信号，控制发射和接收端的光开关103、104和单光子探测器107的门控信号。其中，同步信号和门控信号为周期信号，且门控信号的周期大于同步信号的周期。为了减小系统内部噪声和提高输出脉冲时间的占空比，门控信号在一个周期的前一半时间控制第一光开关开启，第二光开关和单光子探测器关闭；门控信号在一个周期的后一半时间控制第一光开关关闭，第二光开关
和单光子探测器开启。
41.本公开实施例的单光子成像雷达系统还包括电动转台201。电动转台201与光学收发板106连接，用于控制扩束系统1063的指向，对于要求广视角成像的场景，通常需要一个能改变该单光子成像雷达系统发射端指向的装置。例如，有一辆装载有该单光子成像雷达系统的无人驾驶汽车，该汽车行驶时需要对周围环境、车辆以及人员信息进行成像采集，为实现该目的，该单光子成像雷达系统需要被安装在某一可以进行快速旋转的转台上。
42.本公开实施例的单光子成像雷达系统还包括辅助相机202。辅助相机，用于辅助单光子成像雷达系统寻找目标物体。例如，在需要对目标物体204进行成像的场景下，由于扫描装置1062和扩束系统1063的视角较小，仅凭扫描装置1062自身很难第一时间发现目标物体204并进行成像，此时，借助辅助相机202可以快速定位目标物体204所在区域，减少成像所需要的时间。辅助相机202可以是任意能够与信息处理装置203交互并带有光信息收集功能的设备。
43.本公开实施例的单光子成像雷达系统还包括信息处理装置203。信息处理装置203，用于接收时间数字转换器的时间信息，并根据时间信息计算得到目标对象的距离信息。信息处理装置203是具有信息接收、信息处理、信息存储和信息输出功能的电子设备，例如包括但不限于计算机、单片机等。
44.图3示意性示出了根据本公开实施例的集成化的单光子成像雷达系统示意图。
45.如图3所示，根据本公开实施例的集成化的单光子成像雷达系统，光准直装置1061、扫描装置1062和扩束系统1063的轴线共面，光路部分采用了收发同轴的设计，简化了光路，提升了系统的鲁棒性，免去了收发校准过程，使收发光束保持重叠，节省了自由空间光路的调节时间，具有更好的可重复性和更高的稳定性。光准直装置1061、扫描装置1062和扩束系统1063在空间上紧靠，减少了自由空间光路存在的随机噪声，光路不易受到外界干扰。
46.由于现有技术的限制，激光存在固有的发散角，使得光纤激光器发出的光在远距离时光斑会变得很大，从而导致三维成像的横向分辨率变差，图像变得模糊。根据本公开实施例的集成化的单光子成像雷达系统，光准直装置1061和扩束系统1063的设计让光束发散角达到百微弧度量级，从而能够在远距离三维成像时具有高的横向分辨率。
47.本公开实施例的集成化的单光子成像雷达系统采用了小型化、集成化的设计，其中大部分光路采用了光纤作为传输介质，自由空间部分的光路十分简洁，且可以集成在一块小的刚性光学金属基板1064上，有利于提高系统光学稳定性，符合实用化的需求。扫描装置1062采用了二维mems振镜，其具有最高1000hz的谐振频率，镜面直径最小可达3mm，因而具有小的转动惯量，更容易实现高速转动。在具体扫描过程中，二维mems振镜的一个轴工作在谐振模式，另一个轴工作在准静态模式，扫描图案成蛇形，以达到最快扫描速度，配合小口径的扩束系统1063，极大地缩小了光路体积，能实现高的扫描成像帧率，有利于实现实时成像、移动目标成像。
48.根据本公开实施例的集成化的单光子成像雷达系统，其中，光学金属基板1064放置在装有电动转台201的小型三脚架303上。采用了pci
‑
e板卡式的时间数字转换器108，且将信号源101、光纤激光器102、第一光开关103、第二光开关104、分光器件105、单光子探测器107、时间数字转换器108和信息处理装置203都集成在了机箱304中，使得该系统在结构
上只包含机箱304、三脚架303和一块小型光学收发板106，机箱304和光学收发板106由柔性的电子学线缆301和光纤302连接，具有较强的便携性。
49.本公开实施例的集成化的单光子成像雷达系统提供了一种光纤和自由空间结合、同轴收发并利用二维mems振镜扫描的小型化系统，极大地缩小了系统体积。利用mems振镜高速的优势，能够实现数赫兹的三维图像数据采集速度。并且，本公开实施例的系统在噪声抑制和探测手段上进行了改进，能够对最远至十公里的目标进行三维成像，具备实用性。
50.图4示意性示出了根据本公开另一实施例的单光子成像雷达系统的原型机系统示意图。
51.如图4所示，本公开另一实施例的单光子成像雷达系统的原型机系统的激光发射部分，近红外光纤激光器401经fpga信号源405触发产生周期脉冲，经过光开关103和分光装置105从光学收发板106上的光准直装置1061出射到自由空间，再经过二维mems振镜409反射至扩束装置1063出射系统，打到目标物体上204。fpga信号源405会给时间数字转换器108一个相同的参考信号作为计时开始信号。
52.根据本公开的另一实施例，近红外光纤激光器401可以选用脉宽为500ps的1550nm波长脉冲光纤激光器，也可使用近红外波段的窄脉宽纳秒、亚纳秒、皮秒激光器可作为替代，窄脉宽的光纤激光器可以实现更高的发射频率和更低的功率密度，同时满足实时性和安全性的需要。
53.根据本公开的另一实施例，光开关103可以采用了光纤声光调制器，也就是光纤aom402来实现对激光器不发脉冲时自发辐射噪声的抑制，也可使用电光调制器等具有光开关功能的器件。
54.根据本公开的另一实施例，分光装置105可以采用2
×
2光纤分束器403，也可使用光纤环形器或者其它出口数的光纤分束器。
55.根据本公开的另一实施例，光准直装置1061可以使用光纤准直器408或者凸透镜组。
56.根据本公开的另一实施例，扩束装置1063可以采用1∶10扩束镜，以达到合适的光束发散角和接收视场。扩束装置1063也可以选用开普勒式或伽利略式由透镜组组成的扩束镜，比例也可以调整。
57.根据本公开的另一实施例，时间数字转换器108可以采用了pci
‑
e接口的板卡tdc407，板卡tdc407有13ps的计数精度且体积小巧。板卡tdc407也可以采用其它具有类似高精度时间数字转换功能的设备替代。
58.如图4所示，本公开另一实施例的单光子成像雷达系统的原型机系统的接收光路在光学收发板上的部分采用了与发射光路同轴的设计。返回的信号光子经过光纤准直器408进入光纤，从2
×
2光纤分束器403的另一个出口进入接收端的光纤aom及光纤滤波器404。经过滤波处理后的信号光子被单光子探测器107捕获，单光子探测器107探测器将探测信号传输给板卡tdc407作为计时结束信号，测量出光子飞行时间并传给计算机406。二维mems振镜409同步进行对目标物体204的扫描，得到不同扫描点的光飞行路径长度，利用计算机406的上位机软件可以重构出目标物体204的三维图像。
59.根据本公开的另一实施例，光纤aom及光纤滤波器404中的光纤滤波器可以选用1550nm中心波长的窄带光纤滤波器，以抑制白天的太阳光背景噪声，实现全天时工作的能
力。
60.根据本公开的另一实施例，单光子探测器107可以使用ingaas单光子雪崩二极管，也可以选用其它工作在近红外波段的高灵敏度单光子探测器。
61.根据本公开的另一实施例，在激光器发射脉冲时，光纤aom及光纤滤波器404和单光子探测器107关闭，在激光器不发射脉冲时，光纤aom及光纤滤波器404和单光子探测器107打开。该策略抑制了脉冲引起的本地噪声，降低了随机误差。
62.根据本公开的另一实施例，除光学收发板106外的所有器件，包括但不限于近红外光纤激光器401、光纤aom402、2
×
2光纤分束器403、光纤aom及光纤滤波器404、fpga信号源405、单光子探测器107、计算机406和板卡tdc407等，都集成到了一个机箱304中，其尺寸仅为290mm
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278mm
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238mm。另外，光学收发板106用高11cm的黑色铝板罩住，其尺寸仅为200mm
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150mm
×
10mm。光学收发板106可放置在三脚架上，与机箱304仅有一根光纤和几根电子学线缆相连，使用时安装十分简单，具有极高的稳定性。
63.根据本公开的实施例，提供了一套实用化的单光子成像雷达系统，可兼顾稳定性、安全性和便携性等各方面实际需求。该系统采用了有效的光学设计，降低了环境噪声等随机因素的干扰，可实现远距离快速成像，具有较高的分辨率，且结构简单、小巧便携。
64.以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。