一種基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法，屬于激光測距和微弱紅外光探測類。該測距系統基于脈沖激光飛行時間測距法，利用PIN光電二極管與摻鉺光纖放大器（EDFA）相結合實現基于外部增益的線性靈敏光子探測，即檢測不同強度回波光，從而獲取距離信息，同時根據具體返回光子數判斷被測目標材料，實現不同距離不同目標物的精確測量。與其他靈敏光子探測相比，該方案通過調節EDFA增益倍數可實現單光子至多光子水平返回光線性探測，即光子數可分辨探測，大大提高了激光測距的工作范圍，使其同時滿足近、中、遠程激光測距的需求，并實現被測目標材料的快速分辨。
【專利說明】一種基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種測距技術，特別涉及一種基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法。

【背景技術】
[0002]激光測距繼承了激光單色性好、方向性強的特點，在通訊、遙感、航空航天及軍事偵察等諸多國防民用領域有著廣闊的應用前景。激光測距方法具體可分為三大類:干涉法、飛行時間法、三角測量法，滿足不同測量精度及量程的應用需求。其中飛行時間法，根據激光的飛行時間來判斷目標物的距離，是空間測距中最直接的方式，具體工作方式如下:激光脈沖通過激光發射系統發射傳輸至被測目標物，被測目標物漫反射回的光子信號被激光接收系統收集至光子檢測器，光子檢測器將返回光信號轉換成電信號送入時間記錄儀，記錄光子飛行時間，從而獲得被測目標物距離信息。隨著被測目標距離增大及目標反射回傳光信號的減弱，在相同激光發射及收集的條件下，必須采用靈敏度更高的光電探測器來探測回波光信號，即整套激光測距系統中，光子檢測器的靈敏度直接決定了測距量程，因為光子檢測器的靈敏度越高，能響應的光子信號越微弱，其能測得最大距離也越遠。另一方面，光電探測器探測到回波光信號的時間抖動特性決定了測距的精度和分辨率。因此，采用高性能超靈敏的光電探測器是激光測距系統中影響測程和分辨精度的重要部分。
[0003]近年來，高性能光電探測技術的研究愈益深入，單光子探測器，因其能檢測到單個光子的超靈敏探測特性，越來越多地應用于測距系統。它可以檢測到極其微弱的返回光子，大大提高測距系統的量程。但不可忽略的是，其超靈敏特性也帶來了相應的弊端，例如，在深空探測中，單光子探測器極容易因背景光的照射而達到計數飽和，無法進行有效探測；在近距離的測距中，返回光子過多也易導致單光子探測器無法進行有效探測。此外，在激光遙感等應用中，單光子探測器僅能判斷是否有返回光子，而不能判斷具體的返回光子數目，每次的輸出電信號與返回光強度無關。當被測目標物表面為不同材料時，漫反射回的返回光信號強度不同，需累計較長的計數時間才可具體分辨出被測目標物材料，大大降低了遙感系統的工作效率。


【發明內容】

[0004]本發明是針對目前使用的光子檢測器不能滿足不同測距范圍及分辨目標物材質工作效率低的問題，提出了一種基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法，該測距方法中使用的光子檢測器基于外部增益，將光子進行放大后再利用線性光電二極管檢測，通過調節外部增益，即可調節該光子檢測器的靈敏度，使其滿足不同測距范圍的需求。同時，該方法可具體分辨返回光子數，在獲取被測目標距離信息的同時可快速判斷被測目標的具體材料。
[0005]本發明的技術方案為:一種基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法，激光發射及收集系統中激光器測距中1550nm近紅外激光器通過激光發射系統出射到目標物，同時啟動時間相關光子計數器開始工作，目標物漫反射回的返回光則通過激光收集系統收集送入光子探測器；光子探測器對接收的光信號經過放大調節和信號過濾，再通過線性光電二極管轉換成電信號送入時間相關光子計數器，該電信號的幅度與返回光子數目成正比；時間相關光子計數器記錄返回光子時間及數目，通過測距公式s=ct/2計算被測目標物的距離，其中c為該波段激光在空氣中的傳輸速度，t為激光脈沖飛行時間；通過具體返回光子數目判斷出被測目標物的表面漫反射率，從而判斷目標物的材料。所述光子探測器為基于外部增益的線性光子探測器。
[0006]所述線性光子探測器收集到激光收集系統輸出的返回光信號，先通過第一摻鉺光纖放大器進行一次放大，再依次通過第一帶通濾波器及第一組光纖布拉格光柵，去除第一摻鉺光纖放大器放大過程中產生的自發輻射；再通過偏正控制器及偏振分束器來除去正交極化的自發輻射噪聲；光脈沖再送入第二摻鉺光纖放大器進行二級放大，放大后同樣經過第二帶通濾波及第二組光纖布拉格光柵除去第二次放大過程中產生的自發輻射噪聲；放大后的光脈沖通過線性光電二極管進行探測，轉換成電信號，通過調節第一、第二摻鉺光纖放大器的放大倍數，實現不同強度返回光的檢測。
[0007]所述時間相關單光子計數器接收通過第一 PIN光電二極管來的激光發射系統出射激光同步信號，作為計時“開始”信號；光子探測器輸出的返回光生電信號則作為計時“結束”信號；時間相關單光子計數器則記錄“開始”“結束”信號之間的時間差，即為激光脈沖飛行的時間；時間相關單光子計數器記錄的時間差包含了激光脈沖在激光發射與收集系統、光子探測器中傳輸的時間，“開始” “結束”信號傳輸到計數器的時間，且上述時間在該測距系統中是固定的；為了減小測距誤差，通過測量一個已知距離的目標物來獲得測距系統中的固定時間，在計算被測目標物距離時則除去此部分固定時間，即可獲得準確的距離信息。
[0008]所述激光發射與收集系統:1550nm近紅外激光器產生的脈沖激光經過分光鏡一路作為激光器的同步輸出信號通過第一 PIN光電二極管到時間相關單光子計數器；另一路光信號通過準直擴束器準直擴束后經過一組高反鏡發射成與望遠鏡平行的光輸出到目標物，即整套輸出系統為異軸模式；望遠鏡收集目標物返回光通過透鏡組聚焦至單模光纖送入光子探測器，透鏡組中間插入有濾除1550nm以外其他波段背景光的帶通濾波片和用于空間濾波的光闌。所述激光收集系統中望遠鏡為折射式望遠鏡。
[0009]本發明的有益效果在于:本發明基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法，與傳統單光子探測器使用器件的內部增益不同，即將光子進行放大后再利用線性光電二極管檢測。通過調節外部增益，即可調節該光子檢測器的靈敏度，使其同時滿足近、中、遠程激光測距的需求。同時，該方法可具體分辨返回光子數，在獲取被測目標距離信息的同時可快速判讀被測目標的具體的材料。此外，激光測距中采用1550nm近紅外波段，具有較大的軍事及民用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發明光子探測器測距工作原理示意圖；
圖2為本發明方法實施具體結構框圖；
圖3為本發明實施例中的線性靈敏光子探測器的光子數分辨特性圖。

【具體實施方式】
[0011]如圖1所示光子探測器測距工作原理示意圖，激光脈沖通過激光發射系統出射，目標物漫反射回的返回光則通過激光收集系統收集送入光子探測器；光子探測器將接收的返回光信號轉換成電信號送入時間相關光子計數器，該電信號的幅度與返回光子數目成正比；時間相關光子計數器記錄返回光子時間及數目。被測目標物的距離信息可通過公式s=ct/2計算獲得，其中c為該波段激光在空氣中的傳輸速度，t為激光脈沖飛行時間。同時，通過具體返回光子數目可判斷出被測目標物的表面漫反射率，從而判斷其具體材料。
[0012]如圖2所示基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法實施具體結構框圖。主要包括激光發射及收集系統、光子探測器、時間相關單光子計數器。
[0013]激光發射與收集系統:1550nm近紅外激光器產生的脈沖激光首先經過分光鏡分出一小部分作為激光器的同步輸出信號。大部分的光信號通過準直擴束器準直擴束后經過高反鏡1、2發射成與望遠鏡平行的光輸出到目標物，即整套輸出系統為異軸模式。此外，出射激光盡量靠近望遠鏡以保障望遠鏡收集到盡量多的返回光。收集系統中采用的望遠鏡為折射式望遠鏡，望遠鏡收集的返回光通過透鏡1、2、3透鏡組聚焦至單模光纖送入光子探測器。透鏡組中間插入帶通濾波片和光闌，中心波長為1550nm的帶通濾波片用來濾除掉收集到的其他波段背景光，光闌則是用來空間濾波。
[0014]光子探測器:該激光測距系統中使用的光子探測器為基于外部增益的線性靈敏光子探測器。收集系統收集到的返回光信號通過光纖送入摻鉺光纖放大器(EDFA)l進行一次放大，采用帶通濾波器1及光纖布拉格光柵1、2來除去由EDFA放大過程中產生的自發輻射(ASE)，同時偏正控制器及偏振分束器用來除去正交極化的ASE噪聲。隨后，光脈沖再送入摻鉺光纖放大器2進行二級放大，放大后同樣經過帶通濾波2及光纖布拉格光柵3除去ASE噪聲。此時，光脈沖能量最大可以放大飛OdB，直接利用線性光電二極管，即PIN光電二極管2即可探測單個光子信號。系統中使用的EDFA的增益系數可調節，通過改變增益系統即可實現其不同強度的返回光的檢測。由于在激光測距系統中，光子檢測器的靈敏度直接決定了測距量程，而我們采用靈敏度可調節的光子檢測器則可使得測距系統的量程可調節，即可保障該測距系統適用于近、中、遠程激光測距。此外，該光子探測器可實現返回光的線性探測，即光子數可分辨探測，其輸出光生電信號與光信號強度成正比。如圖3所示，光子探測器輸出的不同幅度電信號代表不同返回光子數。
[0015]時間相關單光子計數器:我們采用時間相關的方法來記錄激光脈沖的飛行時間，通過PIN光電二極管1將激光同步信號轉成電信號作為“開始”信號送入時間相關單光子計數器，而PIN光電二極管2輸出的返回光生電信號則作為“結束”信號。時間相關單光子計數器則記錄“開始” “結束”信號之間的時間差，即為激光脈沖飛行的時間，通過公式s=ct/2即可獲得距離信息。值得注意的是時間相關單光子計數器記錄的時間差包含了激光脈沖在激光發射與收集系統、光子探測器中傳輸的時間，“開始” “結束”信號傳輸到計數器也需要一定的時間，且上述時間在該測距系統中是固定的；故為了減小測距誤差，我們可以通過測量一個已知距離的目標物來獲得這部分固定時間，在計算被測目標物距離時則除去這部分時間，即可獲得準確的距離信息。此外，通過設置“結束”信號端不同的比較電平即可獲得返回光信號的具體光子數，考慮系統及傳輸衰減并與出射光相比較即可快速計算出被測目標物的表面漫反射率從而判斷出被測目標物的具體材料。
【權利要求】
1.一種基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法，其特征在于，激光發射及收集系統中激光器測距中1550nm近紅外激光器通過激光發射系統出射到目標物，同時啟動時間相關光子計數器開始工作，目標物漫反射回的返回光則通過激光收集系統收集送入光子探測器；光子探測器對接收的光信號經過放大調節和信號過濾，再通過線性光電二極管轉換成電信號送入時間相關光子計數器，該電信號的幅度與返回光子數目成正比；時間相關光子計數器記錄返回光子時間及數目，通過測距公式s=ct/2計算被測目標物的距離，其中c為該波段激光在空氣中的傳輸速度，t為激光脈沖飛行時間；通過具體返回光子數目判斷出被測目標物的表面漫反射率，從而判斷目標物的材料。
2.根據權利要求1所述基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法，其特征在于，所述光子探測器為基于外部增益的線性光子探測器。
3.根據權利要求2所述基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法，其特征在于，所述線性光子探測器收集到激光收集系統輸出的返回光信號，先通過第一摻鉺光纖放大器進行一次放大，再依次通過第一帶通濾波器及第一組光纖布拉格光柵，去除第一摻鉺光纖放大器放大過程中產生的自發輻射；再通過偏正控制器及偏振分束器來除去正交極化的自發輻射噪聲；光脈沖再送入第二摻鉺光纖放大器進行二級放大，放大后同樣經過第二帶通濾波及第二組光纖布拉格光柵除去第二次放大過程中產生的自發輻射噪聲；放大后的光脈沖通過線性光電二極管進行探測，轉換成電信號，通過調節第一、第二摻鉺光纖放大器的放大倍數，實現不同強度返回光的檢測。
4.根據權利要求1至3中任意一種基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法，其特征在于，所述時間相關單光子計數器接收通過第一 PIN光電二極管來的激光發射系統出射激光同步信號，作為計時“開始”信號；光子探測器輸出的返回光生電信號則作為計時“結束”信號；時間相關單光子計數器則記錄“開始” “結束”信號之間的時間差，即為激光脈沖飛行的時間；時間相關單光子計數器記錄的時間差包含了激光脈沖在激光發射與收集系統、光子探測器中傳輸的時間，“開始” “結束”信號傳輸到計數器的時間，且上述時間在該測距系統中是固定的；為了減小測距誤差，通過測量一個已知距離的目標物來獲得測距系統中的固定時間，在計算被測目標物距離時則除去此部分固定時間，即可獲得準確的距離信肩、O
5.根據權利要求4所述基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法，其特征在于，所述激光發射與收集系統:1550nm近紅外激光器產生的脈沖激光經過分光鏡一路作為激光器的同步輸出信號通過第一 PIN光電二極管到時間相關單光子計數器；另一路光信號通過準直擴束器準直擴束后經過一組高反鏡發射成與望遠鏡平行的光輸出到目標物，即整套輸出系統為異軸模式；望遠鏡收集目標物返回光通過透鏡組聚焦至單模光纖送入光子探測器，透鏡組中間插入有濾除1550nm以外其他波段背景光的帶通濾波片和用于空間濾波的光闌。
6.根據權利要求5所述基于線性靈敏光子探測器的近紅外激光測距方法，其特征在于，所述激光收集系統中望遠鏡為折射式望遠鏡。
【文檔編號】G01S17/08GK104375148SQ201410643623
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月14日 優先權日:2014年11月14日
【發明者】梁焰, 曾和平 申請人:上海理工大學