[发明专利]基于单像素-单光子探测器跟踪测距激光雷达装置及方法

权利要求书

1.一种基于单像素-单光子探测器跟踪测距激光雷达装置，其特征在于：所述装置包括窄脉冲激光器(1)、反射镜(2)、光学发射系统(3)、中心开孔反射镜(4)、光学接收系统(5)、单像素-单光子探测器(6)、FPGA数据采集处理模块(7)、DSP扫描控制模块(8)和上位机(9)，该装置由窄脉冲激光器(1)发射固定频率脉冲激光，利用窄脉冲激光器(1)内部电路发射的电信号作为同步信号，出射的激光经过反射镜(2)、光学发射系统(3)、中心开孔反射镜(4)、DSP扫描控制模块(8)中的快速反射镜后照射到目标上，然后由目标产生的漫散射回波信号再次经过所述的快速反射镜、中心开孔反射镜(4)以及光学接收系统(5)后耦合进光纤中，进而被单像素-单光子探测器(6)所探测；基于FPGA控制的FPGA数据采集处理模块(7)以同步信号为基准、完成对单光子探测回波信息的采集，且在一定时间内进行回波信号的累加以及通过峰值法和质心算法提取目标的飞行时间；同一时间内，基于DSP控制的DSP扫描控制模块(8)在基于FPGA控制的FPGA数据采集处理模块(7)同步通信、控制下，按照线性螺旋线扫描进行搜索目标并反馈光束指向角度信息送到FPGA内部，进而匹配目标飞行时间所对应的距离信息，这里脉冲累加的时间应与扫描停留的时间对应；当目标的回波脉冲累计数满足设定的阈值时，此时对应的光束指向角度位置即为目标的方位位置，进一步利用FPGA控制DSP扫描控制模块(8)进行快速指向，并以此为中心再次螺旋扫描捕获测距，不断重复其步骤，形成闭环实现跟踪；另外，在系统工作之前，上位机完成FPGA数据采集处理模块(7)参数及DSP扫描控制模块(8)参数的设置，并且在系统工作期间实时解码并显示目标距离、角度、速度以及目标三维坐标信息。

2.如权利要求1所述的基于单像素-单光子探测器跟踪测距激光雷达装置，其特征在于：所述装置中仅仅使用一个光电探测器——单像素-单光子探测器(6)即可实现目标的跟踪测距，并未涉及使用CCD、CMOS、四象限探测器以及阵列探测器进行辅助进而实现目标的方位测量以及跟踪。

3.如权利要求1所述的基于单像素-单光子探测器跟踪测距激光雷达装置，其特征在于：所述窄脉冲激光器(1)脉冲宽度小于10ns，重复频率为Khz量级，峰值功率KW量级，波长为1064nm，并且具有电信号同步发射端口，其发射电信号用于作为单光子探测器的同步信号。

4.如权利要求1所述的基于单像素-单光子探测器跟踪测距激光雷达装置，其特征在于：所述中心开孔反射镜(4)是中间开孔椭圆反射镜，其椭圆反射镜面与光轴成45°放置，并且镀有1064nm介质反射膜，激光透过小孔进行发射，其反射的回波经过椭圆反射镜面进入光学接收系统，在整体装置中，中心开孔反射镜(4)起到了收发转换器的作用，使其系统具有收发同轴的优势。

5.如权利要求1所述的基于单像素-单光子探测器跟踪测距激光雷达装置，其特征在于：所述FPGA数据采集处理模块(7)是利用FPGA实现数据的采集及处理，具有双通道数据采集接口以及2ns时间采集分辨率，分别控制采集激光器发射的同步信号以及单光子探测器采集的回波信号，并且利用串口完成与DSP扫描控制模块(8)之间的通信，并将处理后的数据通过串口在上位机上进行实时显示，另外该FPGA数据采集处理模块(7)还具有输出到单光子探测器选通门控的接口，能够有效避开系统内部杂散光。

6.如权利要求1所述的基于单像素-单光子探测器跟踪测距激光雷达装置，其特征在于：所述FPGA数据采集处理模块(7)设计有脉冲累加法、峰值法、质心算法以及设定的阈值进行提取目标的正确距离，每次脉冲累加周期内都从DSP中索取对应的光束偏转角度信息与之回波信息进行匹配，当回波脉冲累计数满足设定的阈值时，可判定为探测到目标，记录当前索取的角度信息并再次返还给DSP扫描控制模块(8)，使其进行指向，并以此为中心再次螺旋扫描捕获，循环往复，形成闭环，实现跟踪。