[發(fā)明專利]基于單像素-單光子探測器跟蹤測距激光雷達裝置及方法

在審

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• 申請日: 2022-03-02
• 公開（公告）號: CN114545428A
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉博;李志康;王華闖;陳臻;王瑞;蒲玲
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院光電技術(shù)研究所
• 主分類號: G01S17/08
• 分類號: G01S17/08;G01S17/50;G01S7/4865
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 江亞平

1.一種基于單像素-單光子探測器跟蹤測距激光雷達裝置，其特征在于：所述裝置包括窄脈沖激光器(1)、反射鏡(2)、光學發(fā)射系統(tǒng)(3)、中心開孔反射鏡(4)、光學接收系統(tǒng)(5)、單像素-單光子探測器(6)、FPGA數(shù)據(jù)采集處理模塊(7)、DSP掃描控制模塊(8)和上位機(9)，該裝置由窄脈沖激光器(1)發(fā)射固定頻率脈沖激光，利用窄脈沖激光器(1)內(nèi)部電路發(fā)射的電信號作為同步信號，出射的激光經(jīng)過反射鏡(2)、光學發(fā)射系統(tǒng)(3)、中心開孔反射鏡(4)、DSP掃描控制模塊(8)中的快速反射鏡后照射到目標上，然后由目標產(chǎn)生的漫散射回波信號再次經(jīng)過所述的快速反射鏡、中心開孔反射鏡(4)以及光學接收系統(tǒng)(5)后耦合進光纖中，進而被單像素-單光子探測器(6)所探測；基于FPGA控制的FPGA數(shù)據(jù)采集處理模塊(7)以同步信號為基準、完成對單光子探測回波信息的采集，且在一定時間內(nèi)進行回波信號的累加以及通過峰值法和質(zhì)心算法提取目標的飛行時間；同一時間內(nèi)，基于DSP控制的DSP掃描控制模塊(8)在基于FPGA控制的FPGA數(shù)據(jù)采集處理模塊(7)同步通信、控制下，按照線性螺旋線掃描進行搜索目標并反饋光束指向角度信息送到FPGA內(nèi)部，進而匹配目標飛行時間所對應的距離信息，這里脈沖累加的時間應與掃描停留的時間對應；當目標的回波脈沖累計數(shù)滿足設(shè)定的閾值時，此時對應的光束指向角度位置即為目標的方位位置，進一步利用FPGA控制DSP掃描控制模塊(8)進行快速指向，并以此為中心再次螺旋掃描捕獲測距，不斷重復其步驟，形成閉環(huán)實現(xiàn)跟蹤；另外，在系統(tǒng)工作之前，上位機完成FPGA數(shù)據(jù)采集處理模塊(7)參數(shù)及DSP掃描控制模塊(8)參數(shù)的設(shè)置，并且在系統(tǒng)工作期間實時解碼并顯示目標距離、角度、速度以及目標三維坐標信息。

2.如權(quán)利要求1所述的基于單像素-單光子探測器跟蹤測距激光雷達裝置，其特征在于：所述裝置中僅僅使用一個光電探測器——單像素-單光子探測器(6)即可實現(xiàn)目標的跟蹤測距，并未涉及使用CCD、CMOS、四象限探測器以及陣列探測器進行輔助進而實現(xiàn)目標的方位測量以及跟蹤。

3.如權(quán)利要求1所述的基于單像素-單光子探測器跟蹤測距激光雷達裝置，其特征在于：所述窄脈沖激光器(1)脈沖寬度小于10ns，重復頻率為Khz量級，峰值功率KW量級，波長為1064nm，并且具有電信號同步發(fā)射端口，其發(fā)射電信號用于作為單光子探測器的同步信號。

4.如權(quán)利要求1所述的基于單像素-單光子探測器跟蹤測距激光雷達裝置，其特征在于：所述中心開孔反射鏡(4)是中間開孔橢圓反射鏡，其橢圓反射鏡面與光軸成45°放置，并且鍍有1064nm介質(zhì)反射膜，激光透過小孔進行發(fā)射，其反射的回波經(jīng)過橢圓反射鏡面進入光學接收系統(tǒng)，在整體裝置中，中心開孔反射鏡(4)起到了收發(fā)轉(zhuǎn)換器的作用，使其系統(tǒng)具有收發(fā)同軸的優(yōu)勢。

5.如權(quán)利要求1所述的基于單像素-單光子探測器跟蹤測距激光雷達裝置，其特征在于：所述FPGA數(shù)據(jù)采集處理模塊(7)是利用FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及處理，具有雙通道數(shù)據(jù)采集接口以及2ns時間采集分辨率，分別控制采集激光器發(fā)射的同步信號以及單光子探測器采集的回波信號，并且利用串口完成與DSP掃描控制模塊(8)之間的通信，并將處理后的數(shù)據(jù)通過串口在上位機上進行實時顯示，另外該FPGA數(shù)據(jù)采集處理模塊(7)還具有輸出到單光子探測器選通門控的接口，能夠有效避開系統(tǒng)內(nèi)部雜散光。

6.如權(quán)利要求1所述的基于單像素-單光子探測器跟蹤測距激光雷達裝置，其特征在于：所述FPGA數(shù)據(jù)采集處理模塊(7)設(shè)計有脈沖累加法、峰值法、質(zhì)心算法以及設(shè)定的閾值進行提取目標的正確距離，每次脈沖累加周期內(nèi)都從DSP中索取對應的光束偏轉(zhuǎn)角度信息與之回波信息進行匹配，當回波脈沖累計數(shù)滿足設(shè)定的閾值時，可判定為探測到目標，記錄當前索取的角度信息并再次返還給DSP掃描控制模塊(8)，使其進行指向，并以此為中心再次螺旋掃描捕獲，循環(huán)往復，形成閉環(huán)，實現(xiàn)跟蹤。