一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置及单光子雷达

本发明属于激光雷达，尤其涉及一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置及单光子雷达。

背景技术：

1、近年来，随着机械自动化和人工智能技术的应用普及，激光雷达所扮演的角色愈发重要，诸如地理测绘、数字城市、自动驾驶、无人机等领域都需要激光雷达辅助完成相关的探测任务。在车载、机载激光雷达的使用中，除了考虑雷达的探测距离、分辨率等指标，还需要特别注重其便携性。然而，质量轻体积小的雷达通常也意味着激光的发射功率较低，信号收发装置的有效面积较小，从而导致低回波信号的信噪比降低，进而引发雷达探测误差增大甚至失灵。

2、现有的激光雷达收发装置大致包括三种，如图1所示。第一种是双轴收发，发射镜与接收镜彼此分离形成一定角度，发射光路与接收光路也存在相应的角度，这种装置体积较大且在探测时需要考虑角度修正问题，导致探测深度分辨率降低；第二种是相邻式的单轴收发，发射镜与接收镜紧密相邻并可同步旋转，发射光路与接收光路始终保持平行，相比于第一种，这种装置体积有所减小；第三种是环绕式的同轴收发，发射镜嵌套于接收镜的中心开孔位置处，发射光路与接收光路完全共轴，体积进一步减小，但是在镜片中心进行开孔会造成生产的良品率降低而间接提高生产成本。此外，为了能够捕获更多的有效回波信号，特别是在远距离、有遮挡等弱光探测的应用场景，接收镜的面积往往需要成倍扩大，这给车载、机载带来不便。

技术实现思路

1、鉴于现有的激光雷达收发装置存在以上不足之处，本发明提供一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置及单光子雷达，所述集成化同轴收发装置中激光信号的发射与接收共用一个透镜，具有体积小且易于车载、机载移动使用的特点，而且其利用单光子探测技术，显著增强了对于弱光感知的敏感度，不必成倍扩大接收镜的面积。具体技术方案如下：

2、一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置，包括机械旋转座31、光纤环形器32、收发透镜33和mems振镜34；

3、所述光纤环形器32、收发透镜33和mems振镜34均设置于机械旋转座31的可旋转的顶面311上，所述光纤环形器32中集成有三个端口，其中，第一端口321输入来自激光器2的激光，第三端口323用于输出回波信号，第二端口322位于收发透镜33的焦点位置，所述mems振镜34位于收发透镜33的中心轴线上。

4、优选的，所述光纤环形器32中，第一端口321输入的激光仅能从第二端口322输出，第二端口322输入的激光仅能从第三端口323输出，且两条光通路均不可逆，从第二端口同时输入、输出的激光互不影响，由第三端口输入的激光被阻断。

5、优选的，所述第二端口322输出的激光经收发透镜33扩束准直后射向mems振镜34，经mems振镜34发射照射待测目标7，待测目标7将部分激光反射回mems振镜34，经mems振镜34反射至收发透镜33，由发透镜33聚焦耦合输入光纤环形器32的第二端口322，并从第三端口323输出。

6、优选的，所述mems振镜34的镜面法向与收发透镜33射出激光的夹角为15°~60°。

7、优选的，所述用于单光子雷达的集成化同轴收发装置还包括发光凹面镜35，所述收发透镜33和所述发光凹面镜35分别位于所述mesm振镜34的镜面法向两侧，且所述收发透镜33位于反光凹面镜35的主光轴上。

8、优选的，所述光纤环形器32和收发透镜33通过透光通道36连接，透光通道36的一端连接第二端口322，另一端固定收发透镜33。

9、优选的，所述机械旋转座31的顶面311采用非磁性材料，且设有用于容纳光纤环形器32的环形槽312。

10、本发明还提供一种单光子雷达，包括时间相关单光子计数模块1、激光器2、同轴收发装置3、上位机4、单光子探测器5和滤光模块6；

11、其中所述激光器2分别与同轴收发装置3和时间相关单光子计数模块1相连，将所产生的激光脉冲信号输出至同轴收发装置3的第一端口321，产生的电脉冲信号输出至时间相关单光子计数模块1；

12、所述滤光模块6的输入端口与同轴收发装置3的第三端口323连接，输出端口与单光子探测器5连接；

13、所述单光子探测器5的输入端口与滤光模块6连接，输出端口与时间相关单光子计数模块1连接；

14、所述时间相关单光子计数模块1具有两个输入端口和一个输出端口，第一输入端口与激光器2连接，第二输入端口与单光子探测器5连接，输出端口与上位机4连接；

15、所述上位机4的输入端口与时间相关单光子计数模块1连接，根据时间相关单光子计数模块1传输的计时数据，计算待测目标7的距离。

16、本发明还提出了一种基于单光子雷达的探测方法，包括以下步骤：

17、s1：控制机械旋转座31的顶面311转动，使激光出射方向对准待测目标；

18、s2：激光器2产生同步的激光脉冲信号和电脉冲信号；

19、s3：电脉冲信号输入时间相关单光子计数模块1，触发时钟开始计时；

20、s4：激光脉冲信号由光纤环形器32的第一端口321输入，从第二端口322输出，并经收发透镜33扩束准直，入射到mems振镜34上；

21、s5：激光经mems振镜34反射照射到待测目标7，又被待测目标7反射回mems振镜34，被mems振镜34反射至收发透镜33，经收发透镜33聚焦耦合输入光纤环形器32的第二端口322，并从第三端口323输出到滤光模块6；

22、s6：滤光模块6过滤掉回波信号中与激光器2发射激光光谱不符的背景噪声，并将过滤后的回波信号输出到单光子探测器5；

23、s7：单光子探测器5将回波信号中的激光光子转换为电脉冲信号，并输出至时间相关单光子计数模块1，触发步骤s2中的时钟计时结束，获得计时数据并传输至上位机；

24、s8：通过调整mems振镜34的反射角度，移动激光扫描点到下一位置，重复步骤s3至步骤s7，直至对待测目标7完成全覆盖扫描。

25、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

26、本发明提出了一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置，该集成化同轴收发装置整体所需器件少，使用时，激光信号的发射与接收仅共用一个透镜，且利用单光子探测技术可以感知微弱光信号的特性，无需扩大透镜的面积，使得单光子激光雷达的结构更加紧凑，集成化程度更高，便于车载、机载的移动使用。

技术特征：

1.一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置，其特征在于，包括机械旋转座、光纤环形器、收发透镜和mems振镜；

2.根据权利要求1所述的集成化同轴收发装置，其特征在于，所述光纤环形器中，第一端口输入的激光仅能从第二端口输出，第二端口输入的激光仅能从第三端口输出，且两条光通路均不可逆，从第二端口同时输入、输出的激光互不影响，由第三端口输入的激光被阻断。

3.根据权利要求1所述的集成化同轴收发装置，其特征在于，所述第二端口输出的激光经收发透镜扩束准直后射向mems振镜，经mems振镜发射照射待测目标，待测目标将部分激光反射回mems振镜，经mems振镜反射至收发透镜，由发透镜聚焦耦合输入光纤环形器的第二端口，并从第三端口输出。

4.根据权利要求1所述的集成化同轴收发装置，其特征在于，所述mems振镜的镜面法向与收发透镜射出激光的夹角为15°~60°。

5.根据权利要求1所述的集成化同轴收发装置，其特征在于，所述用于单光子雷达的集成化同轴收发装置还包括发光凹面镜，所述收发透镜和所述发光凹面镜分别位于所述mesm振镜的镜面法向两侧，且所述收发透镜位于反光凹面镜的主光轴上。

6.根据权利要求1所述的集成化同轴收发装置，其特征在于，所述光纤环形器和收发透镜通过透光通道连接，透光通道的一端连接第二端口，另一端固定收发透镜。

7.根据权利要求1所述的集成化同轴收发装置，其特征在于，所述机械旋转座的顶面采用非磁性材料，且设有用于容纳光纤环形器的环形槽。

8.一种装载权利要求1-7任一项所述集成化同轴收发装置的单光子雷达，其特征在于，包括时间相关单光子计数模块、激光器、同轴收发装置、上位机、单光子探测器和滤光模块；

技术总结
本发明属于激光雷达技术领域，提出了一种用于单光子雷达的集成化同轴收发装置及单光子雷达，该集成化同轴收发装置采用一个凸透镜即实现了激光信号的发射与接收，且所采用的器件少，空间利用率高，并利用单光子探测技术可以感知微弱光信号的特性，无需扩大接收透镜的面积，使得雷达的系统结构紧凑，光路实现简洁，集成化程度高，更加便于车载、机载的移动使用。

技术研发人员：高庆,张鹏,吕金虎,李景一
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12