基于密集脉冲的激光探测方法技术

本发明专利技术涉及激光探测领域，公开了一种基于密集脉冲的激光探测方法，包括步骤：激光器向被测目标发射分组探测激光脉冲，探测激光脉冲的组数大于或等于1，每组探测激光脉冲中包含密集的多个脉冲；第一光电转换器接收探测激光脉冲经被测目标反射后的回波激光脉冲及周围环境光噪声，并将回波激光脉冲和光噪声转换为相应的电信号，回波激光脉冲中包含被测目标的信息；信号处理器对探测单元转换的电信号进行处理，依据密集脉冲之间的时间间隔凸显回波激光脉冲对应的电信号，抑制光噪声对应的电信号及电路本身产生的电噪声，并根据回波激光脉冲对应的电信号得到被测目标的信息。本发明专利技术的方法可以抑制噪声、凸显信号，提高信噪比及降低最小可探测光功率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光探測
，尤其涉及一种基于密集脉冲的激光探測方法。
技术介绍
弱光探測器件及其相应的弱信号处理电路的发展使得人们能够探測到的光功率越来越小，某些规格的光电 倍增管、雪崩光电ニ极管(APD)可以对单个光子产生响应，因而应用于单光子探测(Wolfgang Becker. Advanced time-correlated singlephoton counting techniques[M]. 2005, Berlin, Heidelberg Springer Verlag BerlinHeidelberg)，对于500nm的可见光，相应的单光子能量为4X 10_19J，可见其可探测的光能量非常小，因而可以用于极微弱的光探測。在实际应用中，进行光探测时，很多情况下除了信号光进入光探測器以外，周围环境的杂散光也会进入，要准确测得信号光就需要信号光和杂散光之间有一定的信噪比，一般要求其強度比要大于5，这就使得探測器能够探测的信号光的最小光功率在很大程度上依赖于杂散光的光功率，为了降低最小可探測信号光功率、提高信噪比，最简单、直接的办法就是提高信号光的发射功率或降低杂散光的功率。提高信号光的发射功率会带来激光器体积的增大和耗能的増加，因而不能无限提高；降低噪声光功率可以通过对探测器及其对应的光学天线的设计减小接收视场角或通过设计与激光器发射波长相对应的窄带滤波器对进入探測器的光进行滤波处理，探測器的接收视场角不能很小，否则其探测对准要求就会很高，并且过小的视场角会限制进入探測器的信号光，滤波器的带宽也不能太窄，带宽越窄，其透过率越低，杂散光衰减的同时，信号光也会衰减，并且，带宽越窄，制作越困难，造价也就越高，很不经济，因此，杂散光功率也不可能无限降低。采用多脉冲叠加的时间相关探测技术或光外差探測的方法可以有效的提高信噪比，降低最小可探測信号光功率，但这两种方法在实际应用中都是有局限的。多脉冲叠加的方法是发ー个脉冲，接收到探测脉冲的回波信号后再发射下ー个脉冲，所需要的时间较长，且不适合于较快运动目标的探測，因为当目标运动时，參与相关的各个信号脉冲的相关度会下降，相关效果会降低，且目标运动速度越快，相关效果越差，当由于目标运动引起的两个信号脉冲之间的时间差大于脉冲本身的时间宽度时，将无法进行时间相关(胡广书.数字信号处理一理论、算法与实现(第二版)[M]，2003,北京清华大学出版社33-38)。这是因为激光回波的时间相关性主要取决于相邻脉冲的间隔，相邻脉冲信号的时间相关性从相邻两个激光脉冲回波信号相对发射信号(主波)的时间差来确定，满足At0^-Tp(I) C式中，V为目标相对測量点的视线距离变化速度，Tp为相邻两激光脉冲的时间间隔，c为光速，Atci的取值主要受限于探测激光的宽度(一般为15ns)，由(I)式可知，当Atci确定吋，目标相对測量点的视线距离变化速度V和相邻两激光脉冲的时间间隔Tp之间成反比，Tp越大，可用多脉冲叠加的方式测量的目标的速度V越小，减小测量脉冲之间的时间间隔Tp，采用脉冲串技术，可以使V増大，但由于測量点与目标之间的距离L满足L = CTp(2)可见，减小測量脉冲之间的时间间隔Tp会相应的降低激光探測的作用距离，这主要是因为利用脉冲串的激光测量技术中，美国导弹防御系统中的“门警”激光测距系统(王戎瑞.美国导弹防御激光雷达技术 [J].激光与红外，1999，29 (5) =263-266)采用的是3个激光脉冲组成一个脉冲串，脉冲之间的时间间隔为8ms，可以实现100 1000公里测距；我国华北光电技术研究所提出的脉冲串激光测距技术中也采用3个脉冲脉冲组成一个脉冲串，实验中采用的脉冲间隔为300 550us，最远测距距离为112km(钟声远，李松山.脉冲串激光测距技术研究[J]·激光与红外，2006，36 (増刊)797-799)。光外差探測的方法对光的相干性要求较高，激光在大气中传输时，大气湍流效应会严重影响激光的相干性，因此，光外差检测的方法在大气中应用是受限制的(郭培源，付杨.光电检测技术与应用(第二版)[M]，2011，北京北京航空航天大学出版社)。另外，在人造卫星激光测距技术中，可以采用高重复频率的激光脉冲(几KHz)，激光脉冲之间的时间间隔相等且小于激光在观测系统和被测人造卫星之间往返所需要的时间，在这种方法中，探测激光器持续向被测目标发射高重频的激光脉冲，记录每个探测激光脉冲的发射时刻，探測器检测由目标返回的回波脉冲，记录回波脉冲的接收时刻，根据人造卫星的运行轨道预先计算光在探測装置和被测目标之间往返所用的时间，根据这ー计算时间确定与每ー个回波脉冲对应的探测激光脉冲，再根据相应的接收时刻和发射时刻得到被测人造卫星的距离信息。与传统的低于IOHz的激光测距相比较，高重频激光测距大大增加了回波数据量，进而大幅度提高了測量精度，但这种探測方法要求预先知道卫星相对于观测系统的计算距离，这样才能判断回波脉冲与哪ー个发射脉冲相对应(DEGNAN JJ. Satelite laser ranging in the 1990’s :report of the 1994 belmont workshop[R].Maryland NASA,Conference Publication, 1994 :3283)，人造卫星激光测距中，被测目标为合作目标，目标运行速度測量针对人造卫星的角速度，其对回波激光脉冲时间间隔的影响不大。综上，利用弱光探測器直接进行光探测时，由于环境杂散光的影响，信噪比较低；采用多脉冲叠加的时间相关探测技术或光外差探測的方法虽然可以提高信噪比，降低最小可探測信号光功率，但多脉冲叠加的时间相关探测技术由于相邻探测激光脉冲之间的时间间隔太大，不利于远距离探测快速运动的目标，而光外差探測的方法受大气湍流影响较大，人造卫星激光测距中采用的高重频激光测距技术需要预先知道被测目标和測量点的计算距离，如果预先不知道被测目标的距离或计算距离与时间距离偏差较大，则不能利用该方法得到目标的距离信息，并且高重频激光探測脉冲是持续发射的，相邻探测脉冲之间的时间间隔相等，被测目标为合作目标。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是如何提高对未知距离的快速移动目标进行激光探測时的信噪比，降低最小可探測光功率，且探测方法不受大气湍流的影响，适应性強。(ニ)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于密集脉冲的激光探測方法，激光器向被测目标发射的探測激光脉冲不是持续发射，而是分组发射，可对未知距离的快速运动的非合作目标进行探測，且不受大气湍流的影响，该方法包括以下步骤SI、探測信号发生器控制激光器向被测目标发射分组探测激光脉冲，其中，所述探测激光脉冲的组数大于或等于I; S2、第一光电转换器接收所述探测激光脉冲经所述被测目标反射后的回波激光脉冲及由环境光形成的光噪声，并将所述回波激光脉冲和所述光噪声转换为相应的电信号；S3、对所转换的电信号进行处理，检测出所述回波激光脉冲对应的回波电脉冲，并确定与每个所述回波电脉冲对应的所述探测激光脉冲，依据所述回波电脉冲得到所述被测目标的信；每ー组探测激光脉冲中包含时间间隔小于光从激光器经被测目标反射到达第一光电转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于密集脉冲的激光探測方法，其特征在于，包括以下步骤 51、探測信号发生器控制激光器向被测目标发射分组探测激光脉冲，其中，所述探测激光脉冲的组数大于或等于I; 52、第一光电转换器接收所述探测激光脉冲经所述被测目标反射后的回波激光脉冲及由环境光形成的光噪声，并将所述回波激光脉冲和所述光噪声转换为相应的电信号； 53、对所转换的电信号进行处理，检测出所述回波激光脉冲对应的回波电脉冲，并确定与每个所述回波电脉冲对应的所述探测激光脉冲，依据所述回波电脉冲得到所述被测目标的信息； 其中，每ー组探测激光脉冲中包含时间间隔小于光从激光器经被测目标反射到达第一光电转换器所需时间的多个激光脉冲，相邻所述激光脉冲之间的时间间隔不固定，所述多个激光脉冲形成ー组密集脉冲。2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤SI中，所述激光器向所述被测目标一次发射ー组所述密集脉冲，步骤S3中，所述第一光电转换器接收到所述回波激光脉冲后，所述激光器再向所述被测目标发射下一组所述密集脉冲。3.如权利要求I所述的方法，其特征在干，步骤SI中，所述探测信号发生器在控制所述激光器在发出探测激光脉冲的同吋，还向执行步骤S3的信号处理器发出包含所述密集脉冲中各脉冲间时间间隔信息的參考信号；或者 步骤SI中，所述激光器发出激光脉冲，经分光镜分开，一部分射向被测目标，形成所述探测激光脉冲，一部分作为參考激光脉冲，所述參考激光脉冲经第二光电转换器后形成所述參考信号，交由所述信号处理器处理。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3具体为对于所转换的电信号中，满足相邻电脉冲之间的时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩马理，王涛，王巍，柳强，闫平，黄磊，张海涛，刘欢，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：