[發明專利]一種基于同軸光學及單光子探測技術的新型激光雷達及檢測方法

在審

• 申請號: 201910217458.5
• 申請日: 2019-03-21
• 公開（公告）號: CN109991624A
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: 張景秀;張志偉;侯瓏斐
• 申請（專利權）人: 北京是卓科技有限公司
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01S7/497
• 代理公司: 北京集智東方知識產權代理有限公司 11578
• 代理人: 陳亞斌;關兆輝

1.一種基于同軸光學及單光子探測技術的新型激光雷達，其特征在于，所述雷達包括：

同軸激光裝置、3D振鏡調節裝置、單光子探測器、TCSPC數據采集裝置，其中，

所述同軸激光裝置包括接收單元、發送單元、折射鏡、偏振脈沖激光器，所述偏振脈沖激光器用于輸出頻率可控的脈沖激光信號，所述脈沖激光信號經過折射鏡以及發送單元發射到大氣中，所述接收單元用于接收大氣對所述脈沖激光信號產生散射作用后的后向散射激光信號；

所述3D振鏡調節裝置，用于在接收到所述后向散射激光信號后，進行動態多維度角度調整光信號方向以及強度，自動校正光學偏差，實現光路的修正；

所述單光子探測器，用于在接收到修正后的所述散射激光信號后將光信號轉換為電脈沖信號，并且通過動態調整工作電壓實現自動增益控制，過濾無用光信號；

所述TCSPC數據采集裝置，用于對接收到的經過過濾后的電脈沖信號進行分析處理，實現高端經度的距離測量以及高空間分辨率的大氣數據分析。

2.根據權利要求1所述的基于同軸光學及單光子探測技術的新型激光雷達，其特征在于，所述同軸激光裝置還包括加熱裝置，用于當環境溫度低于激光器工作最佳溫度時，對所述偏振脈沖激光器進行加熱。

3.根據權利要求2所述的基于同軸光學及單光子探測技術的新型激光雷達，其特征在于，所述激光器最佳溫度范圍為15℃～35℃。

4.根據權利要求1所述的基于同軸光學及單光子探測技術的新型激光雷達，其特征在于，所述還包括制冷裝置，所述制冷裝置采用水冷模式，通過水泵推動液體流動，及時帶走所述偏振脈沖激光器以及所述單光子探測器的熱量，使得雷達工作在最佳的溫度狀態。

5.根據權利要求1所述的基于同軸光學及單光子探測技術的新型激光雷達，其特征在于，所述同軸激光裝置的接收單元采用卡塞格林光學結構，所述發送單元與所述接收單元采用共軸設計，通過調節兩級折射的發射角度，實現光路發射路徑與卡塞林接收視場角處于同一個軸線上。

6.根據權利要求1所述的基于同軸光學及單光子探測技術的新型激光雷達，其特征在于，所述3D振鏡調節裝置通過所述TCSPC數據采集裝置來控制，當所述單光子探測器輸出信號過大時，趨于飽和狀態時，微調所述3D振鏡調節裝置，使得進入所述單光子探測器的光信號減少，當所述單光子探測器輸出信號偏弱時，趨于飽和狀態時，微調所述3D振鏡調節裝置，使得進入所述單光子探測器的光信號增強。

7.根據權利要求1所述的基于同軸光學及單光子探測技術的新型激光雷達，其特征在于，所述單光子探測器采用工作在蓋格模式的PMT或者APD來接收光子信號，通過動態調整工作電壓來實現自動增益控制，所述單光子探測器的監測范圍為10^-9W—10^-18W，通過所述單光子探測器中的門控電路過濾掉無用的光信號。

8.根據權利要求1所述的基于同軸光學及單光子探測技術的新型激光雷達，其特征在于，所述TCSPC數據采集裝置的采集參數設置為6通道輸入信號，1Gbps采樣頻率，32ps時間分辨率，4.8mm空間分辨率，其通信接口包括PCIE接口和網口。

9.一種基于如權利要求1-8所述的新型激光雷達的大氣檢測方法，其特征在于，所述方法包括：

步驟一、向大氣中發射脈沖激光信號，接收經過大氣散射作用后的后向散射激光，并將光線聚焦；

步驟二、對聚焦后的激光信號判斷是否出現光路偏移，如果出現偏移，則對光路進行自我修正，然后對光路信號進行檢測，判斷待檢測的光信號容量大小，如果光信號過大，則減少待檢測光信號的輸入，如果光信號過小，則增強光信號的輸入；

步驟三、判斷輸入的光信號是否屬于有用信號，如果是無用信號則過濾，將有用的光信號轉換為電脈沖信號后進行動態增益調節，最后對調節后的光信號進行數據分析處理，獲取當前大氣的狀態參數。