[發(fā)明專利]一種單光子探測成像一體化載荷系統(tǒng)及控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110059992.5
• 申請日: 2021-01-18
• 公開（公告）號: CN112904362A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張艷;吳啟坤;焦中興
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 深圳市創(chuàng)富知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44367
• 代理人: 高冰

1.一種單光子探測成像一體化載荷系統(tǒng)，其特征在于，包括激光發(fā)射子系統(tǒng)、接收光學(xué)子系統(tǒng)、探測器子系統(tǒng)、控制處理子系統(tǒng)和接口子系統(tǒng)，所述探測器子系統(tǒng)包括單光子探測器和CMOS成像探測器，其中：

所述激光發(fā)射子系統(tǒng)用于將調(diào)整后的脈沖激光指向目標(biāo)物，以便反射脈沖激光作為目標(biāo)回波信號；

所述接收光學(xué)子系統(tǒng)，用于接收、聚焦和傳輸所述目標(biāo)回波信號；

所述單光子探測器，用于接收匯集后的目標(biāo)回波信號，得到電信號；

所述CMOS成像探測器，用于目標(biāo)物的自然光成像，得到圖像數(shù)據(jù)；

所述控制處理子系統(tǒng)，用于采集所述電信號，并將所述電信號轉(zhuǎn)換成測距離信息，借助所述發(fā)射子系統(tǒng)的掃描器，完成對所述目標(biāo)物的掃描，配合所述圖像數(shù)據(jù)，獲得目標(biāo)三維圖像；

所述接口子系統(tǒng)，用于傳遞目標(biāo)三維圖像信息至特定平臺。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種單光子探測成像一體化載荷系統(tǒng)，其特征在于，所述激光發(fā)射子系統(tǒng)包括激光器、分光片、激光擴(kuò)束準(zhǔn)直器和二維掃描器，其中：

所述激光器用于發(fā)射約定參數(shù)的脈沖激光；

所述分光片，用于將所述脈沖激光分成較弱的第一束光和剩余的第二束光，所述第一束光入射到零點(diǎn)探測器上；

所述激光擴(kuò)束準(zhǔn)直器，用于將所述第二束光的發(fā)散角壓縮獲得約定參數(shù)的準(zhǔn)直光，發(fā)射到所述二維掃描器上；

所述二維掃描器，用于將所述準(zhǔn)直光導(dǎo)向目標(biāo)物，并對所述目標(biāo)物掃描。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種單光子探測成像一體化載荷系統(tǒng)，其特征在于，所述接收光學(xué)子系統(tǒng)包括接收望遠(yuǎn)鏡和窄帶通分光片、窄帶濾光片和探測器耦合光纖，其中：

所述接收望遠(yuǎn)鏡，同時用于成像和測距，將所述目標(biāo)回波信號聚焦以及所述目標(biāo)物成像；

所述窄帶通分光片，用于將所述目標(biāo)回波信號與所述目標(biāo)物反射的自然光分開，分別發(fā)射到所述探測器耦合光纖和所述CMOS成像探測器上；

所述探測器耦合光纖，用于將所述目標(biāo)回波信號導(dǎo)入所述單光子探測器，轉(zhuǎn)化為所述電信號。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種單光子探測成像一體化載荷系統(tǒng)，其特征在于，所述控制處理子系統(tǒng)包括零點(diǎn)探測電路、計時電路、門控電路和信息融合處理模塊，其中：

所述零點(diǎn)探測電路，用于激光器輸出脈沖時間零點(diǎn)的獲取，為門控電路提供時延的初值；

所述計時電路，用于為整個載荷提供統(tǒng)一的時間計數(shù)，確保時間統(tǒng)一；

所述門控電路，用于激光接收回波光子的開門控制，降低其他時間的噪聲輸入；

所述信息融合處理模塊，用于激光點(diǎn)云與光學(xué)圖像的融合處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維像的輸出。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種單光子探測成像一體化載荷系統(tǒng)，其特征在于，所述接口子系統(tǒng)包括機(jī)械接口與電氣接口，其中：

所述機(jī)械接口，用于與衛(wèi)星直接連接，在底部和側(cè)面設(shè)計安裝面，通過螺栓與衛(wèi)星固定；

所述電氣接口，用于載荷與衛(wèi)星之間供電、控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)冉涌诩s定和設(shè)計。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種單光子探測成像一體化載荷系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器重頻為10kHz，單脈沖能量大于5uJ，脈寬不大于300ps。

7.一種單光子探測成像一體化載荷系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

激光器發(fā)射激光經(jīng)微調(diào)后入射到分光片；

分光片將激光分成第一光束和第二光束；

第一光束入射到擴(kuò)束系統(tǒng)的激光擴(kuò)束準(zhǔn)直器壓縮發(fā)散角后入射到光學(xué)調(diào)節(jié)架將激光束的指向調(diào)節(jié)至與接收光軸平行；

經(jīng)過調(diào)平后的第一光束入射到二維掃描振鏡并通過振鏡控制器調(diào)節(jié)第一光束的指向目標(biāo)物，生成目標(biāo)回波光信號；

第二光束經(jīng)反射入射到快速光電探頭轉(zhuǎn)換為電信號并經(jīng)過比較器將點(diǎn)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；

將數(shù)字信號一分為二傳輸?shù)搅泓c(diǎn)探測電路和門控電路，獲取激光器脈沖輸出時間零點(diǎn)，為門控電路提供時延初值以及為計時電路提供時間零點(diǎn)；

接收望遠(yuǎn)鏡接收目標(biāo)回波光信號并將目標(biāo)回波光信號經(jīng)過窄帶通分光片進(jìn)行目標(biāo)回波光信號的投射和可見光的反射，經(jīng)過窄帶濾光片濾除剩余的自然光，經(jīng)過探測器耦合光纖將目標(biāo)回波光信號耦合到傳輸光纖內(nèi)傳輸?shù)絾喂庾犹綔y器的感光面上轉(zhuǎn)換為電信號；

窄帶通分光片反射來自目標(biāo)物自然光進(jìn)入CMOS成像探測器，轉(zhuǎn)換為目標(biāo)物的圖像信息；

信息融合處理模塊接收來自CMOS成像探測器的圖像信息和單光子探測器的測距信息，將激光點(diǎn)云與光學(xué)圖像的融合處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維像的輸出。