一种运动目标单光子激光非扫描成像探测系统的制作方法

1.本发明涉及一种运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，属于雷达成像技术领域。


背景技术：

2.单光子探测器(spd,single-photon detector)是一种能够响应光子量级信号的高灵敏度光电探测器，是单光子雷达探测、量子通信等领域的基础。
3.在现有技术中，单光子激光非扫描三维成像探测利用盖革焦平面探测器，通过闪光成像的方式，一次性获取大量的激光点云信息，具有成像角分辨率高、作用距离远、结构简单、成像速度快的优势，可快速获取目标的远程三维轮廓特征，为目标识别提供支撑，是未来激光雷达探测系统的重要发展方向。
4.发明人发现现有技术中至少存在如下问题：单光子激光非扫描成像探测面临两个问题：第一是由于盖革焦平面探测器长时间工作时容易受到背景噪声干扰，导致其有效工作时间较短，无法实时处于待命状态，在未知目标距离的前提下很难实现对目标回波信号的高效接收；第二是盖革焦平面探测器采用时间相关光子计数探测工作方式，需要对探测结果进行多帧累积，就要求系统在较短时间实现对目标的多次重复探测，当激光脉冲重频较低时，相邻多帧探测结果之间时间相关性下降，严重影响目标三维成像质量，而大能量脉冲激光器一般无法实现高重频，对激光器要求较高。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，该运动目标单光子激光非扫描成像探测系统
6.本发明通过以下技术方案得以实现。
7.本发明提供的一种运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，包括激光发射模块、激光测距接收模块、测距信号处理模块、时序控制模块、激光成像接收模块、成像信号处理模块，其中：
8.激光发射模块向目标发射窄脉冲激光，通过激光器输出出光同步信号；
9.激光测距接收模块接收目标反射的激光回波脉冲，通过内部单光子测距探测器做光电转换，输出光子计数脉冲信号；
10.测距信号处理模块接收激光器输出的出光同步信号和激光测距接收模块输出的光子计数脉冲信号，经过基于多路时间关联的单光子测距算法，输出目标距离、目标距离-时间函数；
11.时序控制模块接收激光器输出的出光同步信号，接收测距信号处理模块输出的距离-时间函数，通过时序控制逻辑，输出外触发信号；
12.激光成像接收模块接收目标反射的激光回波脉冲，通过内部单光子成像探测器，输出成像探测数据；
13.成像信号处理模块接收激光成像接收模块输出的成像探测数据，输出目标三维成像。
14.所述单光子测距探测器为自由运转模式或准连续模式单光子探测器。
15.所述单光子成像探测器为盖革焦平面探测器，探测器工作于门控模式。
16.所述激光发射模块向目标发射周期窄脉冲，包含两种工作模式：低频工作模式和复合工作模式。
17.所述低频工作模式为：以固定的频率向目标发射激光脉冲；复合工作模式为：在一个工作周期中分为三个阶段，低重频脉冲发射阶段、高重频脉冲发射阶段、休息阶段，各阶段依次交替循环工作。
18.所述低重频发射阶段发射激光脉冲重频f1，高重频发射阶段发射脉冲重频f2，且f1《《f2，休息阶段不发射激光。
19.系统包含两种任务状态：系统测距任务状态、系统成像任务状态，系统测距任务状态下，激光发射模块工作于低频工作模式，系统只完成对目标的测距功能；系统成像任务状态下，激光发射模块工作于复合工作模式，系统完成对目标的成像探测功能。
20.系统测距任务状态的工作方法为：
21.(1)激光发射模块工作于低频工作模式，向目标发送固定脉冲频率的窄脉冲激光，输出出光同步信号；
22.(2)激光测距接收模块接收目标反射的激光回波脉冲，通过内部单光子测距探测器转换成光子计数脉冲信号；
23.(3)测距信号处理模块接收激光测距接收模块输出的光子计数信号，通过基于多路时间关联的单光子测距算法，从计数脉冲信号中提取出目标回波到达时间，并计算出光同步信号与目标回波达到时间的时间差δt，通过计算出目标距离d。
24.成像任务状态的工作方法为：
25.(1)激光发射模块工作于复合工作模式的低重频发射阶段，协同激光测距接收模块、测距信号处理模块完成对目标的测距，其工作方法与权利要求8所述测距任务状态相同；
26.(2)在激光器低重频发射阶段完成对目标的测距后，通过最小二乘法，从测距结果中提取目标距离-时间函数，并将距离-时间函数输出给时序控制模块；
27.(3)在激光器高重频发射阶段，时序控制模块接收目标距离-时间函数，根据目标距离-时间函数计算当前目标距离；
28.(4)时序控制模块及测距信号处理模块在接收到激光器出光同步信号后，根据当前距离延时一段时间后，输出外触发信号给激光成像接收模块；
29.(5)激光成像接收模块在接收到外触发信号后，工作一个固定长的时隙，输出一帧成像探测数据；
30.(6)成像信号处理模块接收激光成像接收模块输出的成像探测数据，通过基于多帧时间关联的单光子三维重建算法，输出目标三维成像；
31.(7)激光器休息阶段，系统不作任何处理。
32.本发明的有益效果在于：利用测距加成像相结合的设计模式，通过远程单光子测
距系统提前获取目标距离，解决盖革焦平面探测器有效工作时间较短，在未知目标距离的前提下很难实现对目标回波信号高效接收的问题；通过对激光器工作方式的优化设计，利用低重频高能量激光脉冲与激光群脉冲模式相结合，实现在短时间内对目标进行快速重复探测，提高成像探测质量。
附图说明
33.图1是本发明系统的工作原理图；
34.图2是本发明低频工作模式工作时序示例图；
35.图3是本发明复合工作模式工作时序示例图；
36.图4是本发明系统测距引导成像接收工作时序关系图。
具体实施方式
37.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
39.如图1所示，一种运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，由激光发射模块、激光测距接收模块、测距信号处理模块、时序控制模块、激光成像接收模块、成像信号处理模块组成，其中，
40.(1)激光发射模块：激光发射模块向目标发射窄脉冲激光，输出出光同步信号；
41.(2)激光测距接收模块：接收目标反射的激光回波脉冲，通过内部单光子测距探测器做光电转换，输出光子计数脉冲信号，其中，单光子测距探测器工作于自由运转模式或准连续模式；
42.(3)测距信号处理模块：接收激光器输出的出光同步信号，接收测距接收模块输出的光子计数脉冲信号，经过基于多路时间关联的单光子测距算法，输出目标距离，并通过距离数据，利用最小二乘法，提取出目标距离-时间函数，并将函数输出给时序控制模块；
43.(4)时序控制模块：接收激光器输出的出光同步信号，接收测距信号处理模块输出的距离-时间函数，通过距离-时间函数计算当前目标距离，并根据目标距离和时序控制逻辑，输出外触发信号；
44.(5)激光成像接收模块：在外触发信号的作用下，接收目标反射的激光回波脉冲，通过内部单光子成像探测器，输出成像探测数据；
45.(6)成像信号处理模块：接收成像接收模块输出的成像探测数据，通过基于多帧时间关联的单光子三维重建算法，输出目标三维成像。
46.单光子测距探测器为自由运转模式或准连续模式单光子探测器，单光子成像探测器为盖革焦平面探测器，探测器工作于门控模式，可实现对目标的非扫描成像。
47.激光发射模块向目标发射周期窄脉冲，其工作包含两种工作模式：低频工作模式、复合工作模式：
48.(1)低频工作模式：低频工作模式以固定的频率向目标发射激光脉冲，低频工作模式工作时序示例如图2所示；
49.(2)复合工作模式：复合工作模式在一个工作周期中可分为三个阶段，低重频脉冲发射阶段、高重频脉冲发射阶段、休息阶段，各阶段依次交替循环工作。低重频发射阶段发射激光脉冲重频f1，高重频发射阶段发射脉冲重频f2，f1《《f2，休息阶段不发射激光，复合工作模式工作时序示例如图3所示。
50.系统工作方法包含两种任务状态：系统测距任务状态、系统成像任务状态。
51.在系统测距任务状态下，激光发射模块工作于低频工作模式，系统只完成对目标的测距功能，其基本工作流程为：
52.(1)激光发射模块工作于低频工作模式，向目标发送固定脉冲频率的窄脉冲激光，输出出光同步信号；
53.(2)激光测距接收模块接收目标反射的激光回波脉冲，通过内部单光子测距探测器转换成光子计数脉冲信号；
54.(3)测距信号处理模块接收激光测距接收模块输出的光子计数信号，通过基于多路时间关联的单光子测距算法，从计数脉冲信号中提取出目标回波到达时间，并计算出光同步信号与目标回波达到时间的时间差δt，通过计算出目标距离。
55.系统成像任务状态下，激光发射模块工作于复合工作模式，系统完成对目标的成像探测功能，其中，系统在激光器的低重频发射阶段实现对目标的测距，并依托测距结果引导系统在激光高重频发射阶段对目标进行快速成像，系统测距引导成像接收工作时序关系如图4所示。
56.系统成像任务状态下，激光发射模块工作于复合工作模式，系统完成对目标的成像探测功能，成像任务状态的工作流程为：
57.(1)激光在复合工作模式的低重频发射阶段，协同激光测距接收模块、测距信号处理模块完成对目标的测距，其工作方法与测距任务状态相同；
58.(2)在激光器低重频发射阶段完成对目标的测距后，通过最小二乘法，从测距结果中提取目标距离的距离-时间函数，并将距离-时间函数输出给时序控制模块；
59.(3)在激光器高重频发射阶段，时序控制模块接收距离-时间函数，根据距离-时间函数计算当前目标距离；
60.(4)时序控制及信号处理模块在接收到激光器出光同步信号，根据当前距离延时一段时间后，输出外触发信号给激光成像接收模块；
61.(5)激光成像接收模块在接收到外触发信号后，工作一个固定长的时间，输出一帧成像探测数据；
62.(6)成像信号处理模块接收激光成像接收模块输出的成像探测数据，通过基于多帧时间关联的单光子三维重建算法，输出目标三维成像；
63.(7)激光器休息阶段，系统不作任何处理，待激光器恢复到待命状态。
64.综上所述，本发明将激光发射、激光测距、激光成像等进行联合设计，通过测距引导成像的方式，使成像探测器只需要在很短的一个时间段内工作，提高单光子三维成像探测系统的探测效率和三维成像质量；对激光发射模块工作模式进行优化设计，通过多种模式协同工作，使激光器同时满足高脉冲能量和光子成像探测高脉冲重频的要求，适应不同的任务需要，降低设计成本，提高工作可靠性。
65.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，其特征在于：包括激光发射模块、激光测距接收模块、测距信号处理模块、时序控制模块、激光成像接收模块、成像信号处理模块，其中：激光发射模块向目标发射窄脉冲激光，通过激光器输出出光同步信号；激光测距接收模块接收目标反射的激光回波脉冲，通过内部单光子测距探测器做光电转换，输出光子计数脉冲信号；测距信号处理模块接收激光器输出的出光同步信号和激光测距接收模块输出的光子计数脉冲信号，经过基于多路时间关联的单光子测距算法，输出目标距离、目标距离-时间函数；时序控制模块接收激光器输出的出光同步信号，接收测距信号处理模块输出的距离-时间函数，通过时序控制逻辑，输出外触发信号；激光成像接收模块接收目标反射的激光回波脉冲，通过内部单光子成像探测器，输出成像探测数据；成像信号处理模块接收激光成像接收模块输出的成像探测数据，输出目标三维成像。2.如权利要求1所述的运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，其特征在于：所述单光子测距探测器为自由运转模式或准连续模式单光子探测器。3.如权利要求1所述的运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，其特征在于：所述单光子成像探测器为盖革焦平面探测器，探测器工作于门控模式。4.如权利要求1所述的运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，其特征在于：所述激光发射模块向目标发射周期窄脉冲，包含两种工作模式：低频工作模式和复合工作模式。5.如权利要求4所述的运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，其特征在于：所述低频工作模式为：以固定的频率向目标发射激光脉冲；复合工作模式为：在一个工作周期中分为三个阶段，低重频脉冲发射阶段、高重频脉冲发射阶段、休息阶段，各阶段依次交替循环工作。6.如权利要求5所述的运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，其特征在于：所述低重频发射阶段发射激光脉冲重频f1，高重频发射阶段发射脉冲重频f2，且f1<<f2，休息阶段不发射激光。7.如权利要求1所述的运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，其特征在于：系统包含两种任务状态：系统测距任务状态、系统成像任务状态，系统测距任务状态下，激光发射模块工作于低频工作模式，系统只完成对目标的测距功能；系统成像任务状态下，激光发射模块工作于复合工作模式，系统完成对目标的成像探测功能。8.如权利要求7所述的运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，其特征在于：系统测距任务状态的工作方法为：(1)激光发射模块工作于低频工作模式，向目标发送固定脉冲频率的窄脉冲激光，输出出光同步信号；(2)激光测距接收模块接收目标反射的激光回波脉冲，通过内部单光子测距探测器转换成光子计数脉冲信号；(3)测距信号处理模块接收激光测距接收模块输出的光子计数信号，通过基于多路时间关联的单光子测距算法，从计数脉冲信号中提取出目标回波到达时间，并计算出光同步
信号与目标回波达到时间的时间差δt，通过计算出目标距离d。9.如权利要求7所述的运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，其特征在于：成像任务状态的工作方法为：(1)激光发射模块工作于复合工作模式的低重频发射阶段，协同激光测距接收模块、测距信号处理模块完成对目标的测距，其工作方法与权利要求8所述测距任务状态相同；(2)在激光器低重频发射阶段完成对目标的测距后，通过最小二乘法，从测距结果中提取目标距离-时间函数，并将距离-时间函数输出给时序控制模块；(3)在激光器高重频发射阶段，时序控制模块接收目标距离-时间函数，根据目标距离-时间函数计算当前目标距离；(4)时序控制模块及测距信号处理模块在接收到激光器出光同步信号后，根据当前距离延时一段时间后，输出外触发信号给激光成像接收模块；(5)激光成像接收模块在接收到外触发信号后，工作一个固定长的时隙，输出一帧成像探测数据；(6)成像信号处理模块接收激光成像接收模块输出的成像探测数据，通过基于多帧时间关联的单光子三维重建算法，输出目标三维成像；(7)激光器休息阶段，系统不作任何处理。

技术总结
本发明公开了一种运动目标单光子激光非扫描成像探测系统，系统由激光发射模块、激光测距接收模块、测距信号处理模块、激光成像接收模块、成像信号处理模块、时序控制模块组成。本发明将激光发射、激光测距、激光成像等进行联合设计，通过测距引导成像的方式，使成像探测器只需要在很短的一个时间段内工作，提高单光子三维成像探测系统的探测效率和三维成像质量；对激光发射模块工作模式进行优化设计，通过多种模式协同工作，使激光器同时满足高脉冲能量和光子成像探测高脉冲重频的要求，适应不同的任务需要，降低设计成本，提高工作可靠性。性。性。


技术研发人员：安宣谊 杨荣强 任瑞 祝月兵 赵敏 周志伟 杜飞飞 李迪
受保护的技术使用者：江南机电设计研究所
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/7/22