[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

说明书

本发明公开一种基于单像素‑单光子探测器跟踪测距激光雷达装置及方法，装置包括窄脉冲激光器、反射镜、光学发射系统、中心开孔反射镜、光学接收系统、单像素‑单光子探测器、FPGA数据采集处理模块、DSP扫描控制模块和上位机。同时提出了一种快速跟踪测距的方法，该方法利用线性螺旋进行扫描、峰值法和质心法提取目标飞行时间、扫描模块获取光束指向角度，当回波的脉冲累计数满足设定的阈值时，记录此时光束偏转角度及回波飞行时间，同时扫描模块快速指向此时光束偏转位置，以此位置为中心再次扫描捕获，形成闭环工作，实现跟踪测距。该装置巧妙的将单像素‑单光子探测器与扫描系统进行结合，在指定空域内，可对远距离弱回波下的目标进行跟踪测距。

技术领域

本发明涉及指定空域激光雷达扫描捕获跟踪技术领域，特别涉及一种基于单像素-单光子探测器跟踪测距激光雷达装置及方法。

背景技术

随着科学技术的发展，激光雷达跟踪测距技术在航空航天测量、船舶、小型无人机、智能机器人等一系列科学工程领域中应用越来越广泛，特别涉及到目标搜索、跟踪、运动避障等方面有着重要的应用价值。

对于激光雷达跟踪测距系统来说，由于激光雷达能量和重频的限制，在超过可视距离的范围之外，传统基于经典器件(线性模式APD或PIN二极管)的激光雷达则不能实现弱回波下远距离非合作目标跟踪测距。

单光子探测器具有单个光子的响应能力，探测灵敏度极高，使用单光子探测器可以大大扩大激光系统的作用距离，实现微弱回波信号的探测，但其研究的方向多集中在单光子探测系统、提高远距离探测、提高测距精度以及扫描成像上，而基于单像素-单光子探测跟踪测距体制的研究的相对较少。

基于单光子探测的目标跟踪，研究大多在于目标径向方向距离变化来进行轨迹的提取与预测跟踪，而牵涉到横向运动情况下，多利用CCD、CMOS四象限探测器、阵列探测器来进行辅助测量目标的方位，从而实现目标的跟踪、测距。然而CCD、CMOS往往只能实现目标方位角信息获取，不能获取深度信息，且由于没有或固有增益较低，它们不能实现对低水平光探测的快速响应，探测距离受限，需要同轴激光测距实现目标的跟踪测距，增加了调试的难度及复杂性。四象限探测器、阵列探测器探测能够同时实现角度信息和目标距离信息的获取，但受探测单元本身参数差异的影响以及探测单元之间串扰影响，还受回波光斑大小的影响，价格昂贵，通常为线性探测，对弱回波远距离非合作目标难以探测。

基于单像素-单光子探测器的激光跟踪测距需要结合扫描模块才能实现目标方位角度信息的获取，进一步才能实现跟踪，单像素-单光子探测系统与扫描系统结合扫描跟踪过程中存在同步采集控制、目标信号提取的准确性、累加后的回波信号及角度信息匹配、探测模型与扫描方式模型之间关系的分析等难度，使得该体制下激光雷达跟踪测距的实现相对较为困难。

发明内容

本发明是为了解决基于经典器件的传统激光雷达不能实现弱回波远距离非合作目标测距问题以及避免CCD、CMOS、四象限探测器、阵列探测器测量目标所带来的缺陷。本发明基于单像素-单光子探测器跟踪测距激光雷达装置巧妙将扫描系统(可对目标用较窄的光束进行扫描且反馈的扫描的角度信息)与单像素-单光子探测系统结合在一起，形成闭环，能够实现弱回波远距离目标的方位探测和距离测量，进而实现目标的跟踪测距，该系统设计简单，操作方便。