[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

本發明提供了一種基于同軸光學及單光子探測技術的新型激光雷達系統及檢測方法，通過將一定頻率的脈沖激光通過同軸激光裝置發射到大氣中，大氣會對激光產生散射作用，后向散射激光通過同軸接收鏡接收后，將光線聚焦，然后投射到探測器上；探測器可以實現自動增益調節，一旦有光信號輸入，會輸出脈沖信號；脈沖信號通過射頻線纜進入TCSPC數據采集裝置中，該裝置可以實現32ps的分辨精度，因此可以準確的分辨信號的輸入時間；信號采集后，后級算法會對數據進行實時處理，分析當前大氣的狀態，污染物的距離以及污染物的形態等。該雷達適于云高測試、團霧監測、污染物排放監測、激光測距、大氣氣溶膠監測、臭氧層測試、溫濕度監測等等。

技術領域

本發明屬于光學檢測技術領域，尤其涉及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

背景技術

隨著工業發展，大氣污染越來越受到國家的重視，因此科研院所以及公司單位研發了一些可以監測大氣狀態的設備，其中一類設備為大氣遙感設備，即可以測量監測遠距離的大氣參數狀態，但是市場上該類設備存在著測量盲區大、穩定性差、測量精度不夠高等現象。

發明內容

本發明基于上述問題提供了一種基于同軸光學及單光子探測技術的新型激光雷達，該雷達可以自主運行，具有穩定可靠、自動校準、盲區小、測量精度高、空間分辨率高等有點，為大氣的研究分析提供一定的數據支持。

本實用提供的一種基于同軸光學及單光子探測技術的新型激光雷達，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。

優選的，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。

優選的，所述激光器最佳溫度范圍為15℃～35℃。

優選的，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。

優選的，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。

優選的，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。

優選的，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。