【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于三维测绘领域，涉及一种单光子激光雷达，具体涉及一种单光子条纹阵列激光雷达。
技术介绍
1、单光子激光雷达相比于传统的线性探测激光雷达具有数据率高、对激光能量要求低、可探测距离远等优点。在远距离探测方面具有其它探测方法所不具备的探测能力，因此被广泛应用于星载对地探测以及其他形式的远距离探测。在中距离探测时，相对于传统线性探测激光雷达具有更高的数据率和点密度，因此在测绘方面被认为具有很大的潜力。
2、目前，单光子激光雷达主要是pmt阵列激光雷达和盖革apd阵列激光雷达。这两种体制的单光子激光雷达均发射阵列激光并利用阵列探测器一一对应接受回波激光。探测器的高增益使其能够探测到单个光子，从而使得系统具有单光子的探测能力，进而使得整个系统可以进行远距离的探测。
3、现有的条纹阵列激光雷达的探测器灵敏度达不到单光子水平，从而限制了其在远距离的探测能力。相较于传统条纹阵列激光雷达，单光子条纹阵列激光雷达的核心区别在于其像增强器的增益倍数更大，使得整个系统的探测灵敏度得以提升，甚至能够达到单个光子的水平。这种探测灵敏度的提升使得系统可以在更远处对目标进行测量。当工作距离与传统条纹阵列激光雷达相近时，由于单光子条纹阵列激光雷达对单脉冲的能量要求更低，所以在相同的激光功率下，激光重频可以更高，这意味着系统的数据率可以更高。另外，在对某些反射率很低的目标进行测量时，传统的条纹阵列激光雷达因为探测灵密度不够容易测量不到这些区域的回波信号，利用单光子条纹阵列激光雷达可以很好的解决这个问题。
4、单光子条纹
技术实现思路
1、为了解决现有条纹阵列激光雷达探测灵敏度不高的问题，本专利技术提供了一种单光子条纹阵列激光雷达。该条纹阵列激光雷达能够达到单光子探测灵敏度，并通过数据处理实现对单个光子条纹图的亚像素定位。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种单光子条纹阵列激光雷达，包括激光发射单元、扫描单元、信号接收单元、控制单元和延时单元，其中：
4、所述激光发射单元包括激光器、分束器、光学整形元件和光电探测器；
5、所述扫描单元包括扫描镜、电机、电机驱动以及扫描角读取设备；
6、所述信号接收单元包括接收镜头、条纹管、像增强器、光纤锥以及面阵相机；
7、所述控制单元包括计算机、图像采集卡以及存储磁盘；
8、所述延时单元包括延时信号发生器；
9、所述激光器产生单束脉冲激光，分光器将其分频后分为一强一弱两束激光，强光经光学整形元件整形成扇形激光后射向扫描单元并最终射向目标，弱光则被光电探测器接收产生出射激光信号，该出射激光信号被发送给控制单元，作为本次测量激光飞行时间的起始时刻；
10、所述电机驱动在接收计算机的参数后开始驱动电机进行旋转，从而控制扫描镜做对应操作，扫描角读取设备读取电机旋转的角度，从而确定扫描镜的角度，进而计算出出射激光的角度，也即目标的角度；
11、所述接收镜头接收目标回波，并将其聚焦于条纹管的光阴极上，回波与光阴极材料相互作用产生光电子，光电子经由条纹管中的加速电场加速后经过偏置电场，通过经偏置电场偏置后的纵向位置反演出目标的距离，偏置后的光电子打在荧光屏上并产生光子，为了放大该光信号，条纹管荧光屏后的像增强器接收该光信号并进行放大，之后经光纤锥耦合之后由面阵相机接收；
12、所述计算机控制激光器的发射功率并与延时信号发生器配合控制激光器的发射重频，通过给电机驱动发送命令，使电机进行初始化以及正常旋转，并且控制其扫描频率和条纹管中偏置电场的电场强度，通过面阵相机驱动，选择面阵相机中的感兴趣区域，控制其曝光时间、读取频率，通过延时信号发生器相关驱动控制每个通道延时的具体数值，计算机接收来自扫描单元读取的扫描角度值和激光发射单元的出射激光信号，并通过图像采集卡一方面实时监控面阵相机获取的图像，另一方面将采集的ccd图像存储于存储磁盘中；
13、所述延时单元接收来自计算器的命令，产生对应的延时，并分别发送给激光器、条纹管、像增强器和面阵相机，分别作为其调q开关、扫描门控开关、增益门控开关和曝光门控开关，从而使得单光子条纹阵列激光雷达工作在有序地时序中，并使得面阵相机最终能够获取条纹图像。
14、相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
15、1、本专利技术中采用的单光子探测器能够以极高的时间分辨率捕捉单个光子的信息，这一特点使其能够在弱光条件下进行高精度测量，这对于探测远距离目标尤其有利。
16、2、本专利技术中采用的单光子条纹管激光雷达具有出色的抗干扰性能。由于它可以单独处理每个光子，因此具有很强的抗环境光和其他光源干扰的能力。此外，本专利技术中由于采用了条纹管激光雷达技术，单光子条纹管激光雷达在三维感知方面表现出色。通过测量光的飞行时间，它能够高精度地获取目标的距离信息，同时通过扫描获取水平和垂直方向的角度信息，从而实现对目标的全方位感知。
17、3、本专利技术采用了超高增益像增强器像增强器，使得系统能够探测到单个光子。激光发射单元发射一束扇形激光至扫描单元，该光束经扫描单元偏转后射向目标；同时激光发射单元分出一部分激光被探测器接收并产生出射激光信号；反射回波经扫描单元后到达信号接收单元并最终产生单光子条纹图；控制单元负责控制延时单元、信号接收单元以及扫描单元的相关参数，接收出射激光信号、扫描单元角度值，监控并存取信号接收单元的条纹图；延时单元提供激光发射单元中q开关和信号接收单元中相机门宽的延时，从而对工作时序进行控制。
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1.一种单光子条纹阵列激光雷达，其特征在于所述雷达包括激光发射单元、扫描单元、信号接收单元、控制单元和延时单元，其中：
2.根据权利要求1所述的单光子条纹阵列激光雷达，其特征在于所述激光器为Nd:YAG激光器，产生1064nm激光后倍频，利用532nm激光器进行测量。
3.根据权利要求1所述的单光子条纹阵列激光雷达，其特征在于所述扫描频率为10Hz至105Hz。
4.根据权利要求1所述的单光子条纹阵列激光雷达，其特征在于所述像增强器的增益倍数为105至106。
【技术特征摘要】
1.一种单光子条纹阵列激光雷达，其特征在于所述雷达包括激光发射单元、扫描单元、信号接收单元、控制单元和延时单元，其中：
2.根据权利要求1所述的单光子条纹阵列激光雷达，其特征在于所述激光器为nd:yag激光器，产生1064nm激光后倍频，...
【专利技术属性】
技术研发人员：樊荣伟，陈兆东，董超伟，董志伟，罗铜，王兴，陈德应，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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