[發明專利]基于雙通道單光子探測和二維互相關的測距系統及方法

在審

• 申請號: 202210001994.3
• 申請日: 2022-01-04
• 公開（公告）號: CN114488174A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 王曉芳;張同意;康巖;李力飛;薛瑞凱;孟凡星
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G01S17/10
• 分類號: G01S17/10;G01S7/4865
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 王少文

本發明涉及一種光子計數激光雷達測距，具體涉及基于雙通道單光子探測和二維互相關的測距系統和方法，解決現有光子計數激光雷達系統無法在低信噪比下，高效率獲取測量待測目標距離信息的技術問題；該系統包括脈沖激光發射單元、雙通道單光子探測單元、雙通道時間間隔測量單元以及二維互相關距離估計器；脈沖激光發射單元用于將出射的光脈沖入射至待測目標，雙通道單光子探測單元包括光接收組件和兩個探測器；雙通道時間間隔測量單元的兩個輸出端分別與二維互相關距離估計器的兩個輸入端連接；二維互相關距離估計器的另一輸入端用于采集系統儀器響應函數組，其輸出端用于輸出距離估計值，實現光子計數在低信噪比下待測目標距離的高效率測量。

技術領域

本發明涉及一種光子計數激光雷達測距裝置及其測距方法，具體涉及基于雙通道單光子探測和二維互相關的測距系統和使用該測距系統的方法。

背景技術

激光雷達通過發射激光束并檢測返回光強和飛行時間對待測目標場景進行測距和成像，在遙感測繪、自動駕駛、飛行器著陸防撞和機器人導航等領域具有廣泛應用需求。當下迅速發展的光子計數激光雷達技術能夠探測單個光子，并以皮秒級高時間分辨率測量光子的到達時刻，有望實現遠距離人眼安全測距成像和雨霧衰減等復雜條件下的待測目標距離及三維信息獲取。

光子計數激光雷達普遍采用二值化單光子探測器，這類探測器在一次探測中僅能夠分辨光子的有或無，因此需要多次探測累加生成光子飛行時間分布分布直方圖；通常采用的二值化單光子探測器為單光子雪崩二極管(SPAD)，也稱為蓋格模式雪崩光電二極管(GmAPD)；這類二值化單光子探測器具有較高增益，能夠直接驅動外圍數字電路輸出數字電平信號，再結合時間相關單光子計數(TCSPC)技術，可使光子計數激光雷達的探測靈敏度理論值達到光子級；然而，光子級的高靈敏度探測同時給光子計數激光雷達帶來了噪聲敏感問題。采用窄帶濾波片等硬件手段，難以完全濾除噪聲光子，同時越窄的濾波片對信號光子的衰減程度越大；通常經過一定程度的硬件濾波后需要配合濾波算法進一步抑制噪聲干擾，提高光子計數激光雷達的距離信息獲取能力。一種計算效率較高的是互相關算法，又稱為匹配濾波算法，是對光子計數分布直方圖與系統儀器響應函數組(IRF)進行互相關運算得到信噪比更高的互相關曲線，通過互相關曲線峰值對應的時刻獲取待測目標距離，互相關算法的性能會隨著回波信噪比的降低而變差；也有一些更復雜的算法例如馬爾可夫鏈蒙特卡羅(MCMC)算法，可以在更低信噪比下實現距離信息提取，但同時要付出很長的計算時間成本，難以滿足實際快速獲取待測目標距離信息的應用需求。

鑒于此，如何在低信噪比下實現待測目標距離的高效率測量是光子計數激光雷達當前面臨的主要難題之一。

發明內容

本發明的目的是解決現有光子計數激光雷達系統無法在低信噪比下，高效率獲取測量待測目標距離信息的技術問題，而提供一種基于雙通道單光子探測和二維互相關的測距系統和基于該測距系統的測距方法，以實現光子計數在低信噪比下待測目標距離的高效率測量。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：

一種基于雙通道單光子探測和二維互相關的測距系統，其特殊之處在于：包括脈沖激光發射單元、雙通道單光子探測單元、雙通道時間間隔測量單元以及二維互相關距離估計器；

脈沖激光發射單元用于將出射的光脈沖入射至待測目標，其計時輸出端與雙通道時間間隔測量單元的一個計時輸入端連接；

雙通道單光子探測單元位于待測目標的反射光路上，用于探測待測目標反射的光脈沖；

雙通道單光子探測單元包括光接收組件和兩個探測器，探測器設置在光接收組件的出射光路上，用于探測光接收組件的光信號，兩個探測器輸出端分別與雙通道時間間隔測量單元的另外兩個計時輸入端連接；探測器為單光子探測器；

雙通道時間間隔測量單元的兩個輸出端分別與二維互相關距離估計器的兩個輸入端連接；

二維互相關距離估計器的另一輸入端用于采集系統儀器響應函數組，其輸出端用于輸出距離估計值。