[发明专利]远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法

说明书

本发明公开了一种远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法，该系统利用时间相关光子计数技术结合工作于盖革模式下的雪崩光电二极管获取目标光子飞行时间数据，再用专门的算法和软件对原始数据进行分析，从而准确重构远距离目标的深度及反射率图像。本发明解决了传统光子计数激光雷达系统作用距离较短、成像速度较慢的问题，有效拓宽了光子计数激光雷达系统的应用范围。

技术领域

本发明属于单光子探测成像领域，是一种远距离光子计数三维激光雷达成像系统及其方法。

技术背景

随着科技的进步和发展，各种无人驾驶、辅助驾驶系统的应用愈加广泛，智能机器人的各项功能日益完善，逐渐代替人类在恶劣复杂环境下完成各项人们无法完成的任务。无人机、无人车和智能移动机器人对周围环境，如周边路况、物体方位的准确感知是其广泛应用的基础，也是其正常运行并且顺利执行任务的前提，所以如何提高无人机、无人车和智能移动机器人对周围复杂环境的感知能力便成为了一个共同关注的问题。

激光雷达是应用激光进行光电探测的主要领域。激光测距与传统的测距方法如光学测距、雷达测距、超声波测距等技术相比具有抗电磁干扰、工作时间长、受环境影响小、结构简单、体积小等优势。在激光测距的基础上形成了以激光作为信息载波的目标距离、强度、角度、速度等多信息的探测系统，即激光雷达三维成像系统。激光测距和激光雷达是激光技术、半导体技术、雷达技术、光机电等多学科技术相集合的成果。光子计数激光雷达结合了光子计数技术与激光雷达技术，使用Gm-APD作为单光子探测器，实现了远距离、高精度的三维探测。 Gm-APD具有极高的灵敏度，单独一个光子就能引起雪崩效应获得响应输出，能够实现对微弱信号进行探测。光子计数激光雷达具有集成化、可靠性高等特点，同时具有单光子级别的灵敏度和皮秒量级的时间分辨率。随着激光雷达技术和单光子计数技术的发展，光子计数激光雷达对于微弱信号的探测能力将会进一步地提高，光子计数激光雷达许多潜在的应用领域还等待着被开发和利用。

国内外的许多研究机构和学者对光子计数激光雷达进行了大量的研究。从光子计数激光雷达的理论基础、激光雷达系统结构和数据分析与处理各个方面对光子计数激光雷达进行了全面的分析和研究。国内目前对光子计数激光雷达三维成像系统的研究集中在近距离低速扫描成像阶段。2009年，光电技术系基于盖革模式的雪崩光电二极管设计搭建了光子计数探测与成像系统，成功应用于微弱光的探测[屈惠明,陈钱.光子计数探测与成像实验装置设计[J].光电工程,2009, 36(11).]。2013年，有人开展了基于Gm-APD的光子外差探测系统精度的研究[Luo H,Yuan X H,Zeng Y.Range accuracy of photon heterodynedetection with laser pulse based on Geiger-mode APD[J].Optics Express,2013,21(16):18983.]。经过理论分析和实验验证，通过改善回波信号强度、脉冲宽度、频差可以提高测距精度。但上述两套成像系统的成像距离都在百米以下。2014年，有人使用超导纳米线探测器(SNSPD)取代基于盖革模式雪崩光电二极管的传统单光子探测器[郏涛.红外超导纳米线单光子探测器[D].2014.]，探测灵敏度有了较大提高，但SNSPD在使用之前需要经历长时间的降温过程，体积、噪声巨大，移动不便，几乎没有便携使用的能力。也有人利用扫描振镜完成的单光子扫描成像系统采用物方扫描方式[唐甜甜.激光3D视觉系统高效扫描光学系统的设计与实现[D]. 哈尔滨工业大学；曲杨.高精度低成本激光振镜扫描3D视觉系统关键技术研究 [D].]，且光学扫描期间为二维检流计式振镜，成像距离最大为100米，扫描速度较慢。