科创中国
一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统及其3D成像方法
成果类型：: 新技术
发布时间: 2022-11-07 15:23:23
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：“科创中国”智能技术体系化应用专业科技服务团| 毕光元 | 2022-11-09 09:51:36
作为现代工业不可或缺的视觉传感系统，激光雷达已被广泛应用于智能制造、自动驾驶、建筑测绘、地貌勘探等领域。如果将其比作机器的眼睛，看得更清晰、看得更准确无疑是永恒的追求。近年来，科技发展也刺激着人们需求的不断提升，传激光雷达厘米级的探测精度，已经无法满足部分高端产业对于高精密探测任务的需求。此外，噪声干扰也是制约激光雷达发展的难题。传统激光雷达通过增大发射信号功率以提升回波信号中的信噪比，严重受限于激光器性能和安全问题等，存在着明显瓶颈；随着激光雷达的越发普及，其相互之间的串扰噪声抑制，必将成为亟待解决的突出问题，而传统光谱滤波技术对于光谱重叠的噪声束手无策。
为了弥补传统激光雷达的上述缺陷，本发明提出了一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统。该系统采用MEMS扫描和光子计数测距技术，可对目标物体进行毫米精度的三维探测成像，并且利用非线性光学和频效应，能够从混杂噪声的回波信号中，提取出系统主动发射的同源脉冲序列，显著地增强单光子雷达的噪声抑制性能，实现了在强噪声环境中对微弱探测信号的有效识别。
本发明的总体目标是发展一种具有毫米级探测精度的、高抗噪性的单光子雷达系统，以及适配于该系统3D成像方法。具体技术特点和优势包括：
（1）单光子能量级的光感应灵敏度。采用盖革模式高增益光电二极管探测器，可以探测到极微弱的单光子信号，使得系统发射低功率的信号就能正常工作；
（2）毫米级的探测精度。通过高精度的MEMS振镜对待测物体进行空间二维扫描，并结合皮秒精度的光学延迟器进行计时测距，可获得均方误差低于毫米级的点云数据；
（3）基于脉冲序列提取的滤波技术，可滤除光谱重叠的噪声。系统发射的脉冲激光分束为探测光和泵浦光，探测光对待测物体进行扫描并收集回波信号，然后利用非线性光学和频效应，使得泵浦光与回波信号中的同源脉冲序列反应，生成最终被探测计数的和频光子，同时滤除和频光子以外的所有噪声信号；
（4）系统协同控制中枢设计。面向高分辨率3D点云数据获取，设置软硬件一体化的协同控制中枢，对待测物体空间扫描和脉冲序列时域配准进行精确调控，实现时空同步的连续扫描与数据记录；
本发明涉及一种单光子三维成像系统及其成像方法,成像系统包括:收发共孔径光路,激光发射单元,单光子探测单元,扫描振镜单元和数据处理系统;收发共孔径光路包括穿孔反射镜,激光发射单元发射的激光经过穿孔反射镜的通孔进入收发共孔径光路;回波光信号经过穿孔反射镜的反射面反射后进入单光子探测单元;扫描振镜单元设置在收发共孔径光路上,控制调节激光发射方向和回波光信号接收方向;数据处理系统根据出射激光和回波光信号的数据进行三维图像重构.采用激光收发共孔径方案,结构紧凑,可靠性高.
北航工研院相关研发团队
本发明的一个目的是提供一种光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统。
本发明的另一个目的是提供一种基于光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统的测距方法，该方法解决了单光子激光雷达由于白天背景噪声较强而无法全天时工作的问题，为实现可全天时、远距离精准探测的量子雷达提供实验上的模拟论证。同时将贝叶斯估计算法应用到回波光子数估计当中，为光子数阈值的设定和更多信息的提取提供参考。
技术方案：本发明的一种光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统，包括控制端、脉冲激光器、发射光路、接收光路、时间相关单光子计数器、光子数分辨单光子探测器和外部读出电路，其中，脉冲激光器、接收光路和发射光路集成在一起，外部读出电路包括功率合成器，工作时，脉冲激光器经由发射光路向目标发射脉冲激光，同时自身产生同步信号，经同轴电缆输入到时间相关单光子计数器当中作为开始信号，脉冲激光经过目标表面的散射，部分光子沿原光路返回后被接收光路接收，并入射到光子数分辨单光子探测器的光敏面上，产生响应信号，响应信号被外部读出电路读出，然后通过同轴电缆传输到时间相关单光子计数器，控制端通过数据线控制激光雷达系统运行，并处理数据。
本成果可支持技术转让，技术咨询，技术合作等方式合作。
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