[发明专利]一种光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统及测距方法

权利要求书

1.一种光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统，其特征在于，该系统包括控制端、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。

2.根据权利要求1所述的光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统，其特征在于，接收系统进行光子数分辨增强测量，分辨单个激光脉冲光子数为2-1000光子。

3.根据权利要求1所述的光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统，其特征在于，光子数分辨单光子探测器的像元数为2-1000。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、脉冲激光发射：脉冲激光由脉冲激光器产生后，经由发射光路传输，发射到外部空间作为探测信号，并自由传输至目标处；在产生脉冲激光的同时，脉冲激光器还会产生一路同步信号，经由同轴电缆传输至时间相关单光子计数器作为开始信号；

S2、目标散射脉冲激光：脉冲激光达到目标表面时，被目标表面所散射，散射后的部分光子沿原光路返回作为回波信号；

S3、光子数分辨单光子探测器探测回波信号：接收光路接收被散射后的光子，并通过多模光纤传输至光子数分辨单光子探测器；之后光子数分辨单光子探测器吸收光子，并产生响应；

S4、信号读出和数据处理：光子数分辨单光子探测器的响应信号经功率合成器后通过同轴电缆传输到时间相关单光子计数器作为停止信号；计数数据通过数据线传输到控制端，经过一段时间积分后，产生时间相关的统计直方图，其峰值代表目标的存在。

5.根据权利要求4所述的测距方法，其特征在于，步骤S2中回波信号平均光子数μ_s的方程为：

其中，E₀为脉冲激光器每个脉冲的平均能量，λ为出射光波长，h和c分别为普朗克常数和真空中光速，R为目标与单光子激光雷达测距系统间的距离，θ_T为激光光束的扩散角，θ_T为激光光束的扩散角，FOV为视场角，θ_target为目标表面与脉冲激光器光轴的夹角，D为接收光路的接收面直径，η_A为激光在空气中的透过率，η_T为激光在发射光路的透过率，η_s为系统耦合效率，α为目标表面的反射率。