[發(fā)明專利]一種光子數(shù)分辨測量增強(qiáng)單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)及測距方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110022020.9
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112859098A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張蠟寶;葛睿;李昊辰;張彪;管焰秋;張利劍;康琳;吳培亨
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: G01S17/10
• 分類號: G01S17/10;G01S7/48;G01S7/4863
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 徐紅梅

1.一種光子數(shù)分辨測量增強(qiáng)單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括控制端、脈沖激光器、發(fā)射光路、接收光路、時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器、光子數(shù)分辨單光子探測器和外部讀出電路，其中，脈沖激光器、接收光路和發(fā)射光路集成在一起，外部讀出電路包括功率合成器，工作時(shí)，脈沖激光器經(jīng)由發(fā)射光路向目標(biāo)發(fā)射脈沖激光，同時(shí)自身產(chǎn)生同步信號，經(jīng)同軸電纜輸入到時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器當(dāng)中作為開始信號，脈沖激光經(jīng)過目標(biāo)表面的散射，部分光子沿原光路返回后被接收光路接收，并入射到光子數(shù)分辨單光子探測器的光敏面上，產(chǎn)生響應(yīng)信號，響應(yīng)信號被外部讀出電路讀出，然后通過同軸電纜傳輸?shù)綍r(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器，控制端通過數(shù)據(jù)線控制激光雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行，并處理數(shù)據(jù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子數(shù)分辨測量增強(qiáng)單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，接收系統(tǒng)進(jìn)行光子數(shù)分辨增強(qiáng)測量，分辨單個(gè)激光脈沖光子數(shù)為2-1000光子。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子數(shù)分辨測量增強(qiáng)單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，光子數(shù)分辨單光子探測器的像元數(shù)為2-1000。

4.一種基于權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述光子數(shù)分辨測量增強(qiáng)單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)的測距方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、脈沖激光發(fā)射：脈沖激光由脈沖激光器產(chǎn)生后，經(jīng)由發(fā)射光路傳輸，發(fā)射到外部空間作為探測信號，并自由傳輸至目標(biāo)處；在產(chǎn)生脈沖激光的同時(shí)，脈沖激光器還會產(chǎn)生一路同步信號，經(jīng)由同軸電纜傳輸至?xí)r間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器作為開始信號；

S2、目標(biāo)散射脈沖激光：脈沖激光達(dá)到目標(biāo)表面時(shí)，被目標(biāo)表面所散射，散射后的部分光子沿原光路返回作為回波信號；

S3、光子數(shù)分辨單光子探測器探測回波信號：接收光路接收被散射后的光子，并通過多模光纖傳輸至光子數(shù)分辨單光子探測器；之后光子數(shù)分辨單光子探測器吸收光子，并產(chǎn)生響應(yīng)；

S4、信號讀出和數(shù)據(jù)處理：光子數(shù)分辨單光子探測器的響應(yīng)信號經(jīng)功率合成器后通過同軸電纜傳輸?shù)綍r(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器作為停止信號；計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)娇刂贫耍?jīng)過一段時(shí)間積分后，產(chǎn)生時(shí)間相關(guān)的統(tǒng)計(jì)直方圖，其峰值代表目標(biāo)的存在。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測距方法，其特征在于，步驟S2中回波信號平均光子數(shù)μ_s的方程為：

其中，E₀為脈沖激光器每個(gè)脈沖的平均能量，λ為出射光波長，h和c分別為普朗克常數(shù)和真空中光速，R為目標(biāo)與單光子激光雷達(dá)測距系統(tǒng)間的距離，θ_T為激光光束的擴(kuò)散角，θ_T為激光光束的擴(kuò)散角，F(xiàn)OV為視場角，θ_target為目標(biāo)表面與脈沖激光器光軸的夾角，D為接收光路的接收面直徑，η_A為激光在空氣中的透過率，η_T為激光在發(fā)射光路的透過率，η_s為系統(tǒng)耦合效率，α為目標(biāo)表面的反射率。