[发明专利]一种无扫描的单光子成像探测激光雷达

说明书

本发明公开了一种无扫描的单光子成像探测激光雷达，包括：宽谱脉冲模块，宽谱脉冲模块用于输出宽谱脉冲光；二维色散光收发模块，二维色散光收发模块用于将宽谱脉冲光在预设光路中进行二维色散，产生二维点阵探测光后输出，且在对探测目标进行探测后接收二维点阵探测光，且反向经过预设光路后输出反馈探测光；以及，信号探测模块，信号探测模块用于对反馈探测光进行色散后，进行单光子计数成像且分析处理得到探测目标的信息。利用二维色散光收发模块对宽谱脉冲光进行二维色散形成二维点阵探测光，充分应用了其中的波长成分，而且避免了扫描情况；以及采用单光子对探测目标进行探测，且采用单光子计数成像进行处理，能够实现远距离的探测。

技术领域

本发明涉及成像探测激光雷达领域，更为具体的说，涉及一种无扫描的单光子成像探测激光雷达。

背景技术

成像探测激光雷达在科研、军事、民用方面尤其对于地形探测、汽车自动驾驶、生物目标显微成像、高速过程成像、国家安全等领域具有重大应用意义与发展潜力。

目前，激光雷达成像探测技术正受到越来越多的关注，逐渐成为激光雷达研究热点领域。世界顶尖高校及科研机构、高科技企业等单位都正在积极地开展成像激光雷达系统的研究与开发。国外从事成像激光雷达的单位包括美国NASA、美国国防高等研究计划署(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)、麻省理工学院(MIT)、美国卡曼航空集团(Kaman Aerospace Corporation)、美国Velodyne LiDAR公司、美国Quanergy公司、以色列Innoviz公司、加拿大Leddar Tech公司等。国内方面如上海光学精密机械研究所、哈尔滨工业大学、西安电子科技大学、中国科学院光电技术研究院、北京理工大学、国防科技大学、浙江大学、华东师范大学、中国海洋大学等单位也在开展相关技术的研究。

传统的激光雷达的接收视场小，为了对目标进行高精度的成像，通常需要配备高精密的激光扫描装置，这一方面限制了成像速度，另一方面影响系统的稳定性。为此，基于单光子雪崩二极管阵列相机(single-photon avalanche diode array，SPAD)的三维成像激光雷达被提出。其利用激光二极管作为光源，通过光漫射器将激光照射到目标上。单光子雪崩二极管阵列相机记录下时间标记的返回光子探测，利用该信息通过一系列算法来估计目标反射率，去除无关探测，估计目标深度，进而得到目标结构反演结果。相对单点扫描式和一维扫描单光子探测方案来说，该方案避免了机械扫描，提高了系统稳定度。并且，基于SPAD的成像技术可以利用极少量的光子数进行成像，适用于远距离无损伤弱光成像，但精度较低，目前仅可达到厘米量级，且算法复杂，目标反演程序运行时间长，限制了探测的实时性。

近年来，基于宽谱光源的超快成像技术取得了较大的突破。宽谱脉冲由于具有脉冲宽度窄、覆盖频谱范围广等特点，在精密测量以及超快过程成像方面拥有巨大优势。目前已有利用宽谱色散技术对化学过程、血液流动、高速粒子喷射过程进行成像。目前最快的宽谱光源超快成像技术，采用时间拉伸技术(Time Stretch Technology)，该方法充分利用了光源的宽谱特性，使用一对方向正交的空间色散器件将物体目标的二维空间信息编码在宽带脉冲的光谱上，由目标返回的信号通过色散傅里叶变换，将信号在时域上展开，从而将二维图像序列化为一维时域数据流，再利用单像素光电二极管探测一维时域数据流，用示波器对时域信号进行数字化，在数字域将一维向量排列成二维矩阵进行图像重建。时间拉伸技术现阶段主要应用在微观过程成像，其成像精度高，速度快。对于空间成像，返回的探测光携带不同位置和距离的信息，会破坏原脉冲在色散光纤中的时频关系，从而无法从得到的时域信号分辨返回信号的频率，因而该技术尚未在远距离宏观目标探测及成像上得到应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种无扫描的单光子成像探测激光雷达，利用二维色散光收发模块对宽谱脉冲光进行二维色散形成二维点阵探测光，充分应用了其中的波长成分，而且避免了扫描情况；以及采用单光子对探测目标进行探测，且采用单光子计数成像进行处理，能够实现远距离的探测。