[发明专利]一种单光子三维探测设备及其目标探测方法

权利要求书

1.一种单光子三维探测设备，其特征在于：包括设置在探测光轴（400）上的激光发射模块（100）、光子探测模块（200）和控制和信号处理模块（300），以及沿探测光轴（400）进行一维或者二维扫描的扫描系统；

激光发射模块（100）用于发射1064～1550nm波长的周期性激光脉冲信号；

光子探测模块（200）包括接收光学系统和单光子探测器，用于探测目标反射回来的光子信号；接收到光子信号时单光子探测器输出一个脉冲电信号；

控制和信号处理模块（300）根据回波光子信号相对于发射激光脉冲的时间差来计算目标距离；

控制和信号处理模块（300）沿着探测光轴（400）方向建立探测距离子区间，在探测距离子区间的起始位置开启单光子探测器，定义为时间点t₂，在探测距离子区间的结束位置关闭单光子探测器，定义为时间点t₄，定义发射第一个激光脉冲的时间点为t₁，探测到第一个光子信号的时间点为t₃，时间点的先后排序为t₁，t₂，t₃，t₄；

控制和信号处理模块（300）沿着垂直探测光轴（400）方向建立探测扇形区域，控制单光子探测器在探测区间Z_ij内工作：在时间点Z_ij-t₂时开启单光子探测器，在时间点Z_ij-t₄时关闭单光子探测器，其中i表示第i个探测距离区间，j表示第j个探测扇形区域。

2.一种如权利要求1所述单光子三维探测设备探测单目标的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1），控制和信号处理模块（300）控制探测光轴（400）对准目标区域；

2），激光发射模块（100）在时间点t₁发射第一个激光脉冲；

3），光子探测模块（200）在时间点t₂开启单光子探测器，时间点t₂根据目标距离设定，小于时间点t₃；

4），光子探测模块（200）在时间点t₃探测到第一个光子信号；

5），光子探测模块（200）在时间点t₄关闭单光子探测器，时间点t₄根据目标距离设定，大于时间点t₃；

6），控制和信号处理模块（300）根据时间点t3和时间点t1之间的时间差来计算目标距离。

3.一种如权利要求1所述单光子三维探测设备探测大区域多目标的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1），控制和信号处理模块（300）建立扇形探测区域1,2,3,…，j，…，M-1，M，在每个扇形探测区域内建立探测距离区间1,2,3,…，i，…，N-1，N，用Z_ij表示第j个探测扇形区域中的第i个探测距离区间；

2），控制和信号处理模块（300）控制探测光轴（400）对准第j个探测扇形区域；

3），激光发射模块（100）在时间点Z_j-t₁发射第k个激光脉冲，k初始值为1，最大取值设定为K；

4），光子探测模块（200）在时间点Z_i,j-t₂开启单光子探测器，时间点Z_i,j-t₂的大小根据第i个探测距离区间的最近距离来设定；

5），光子探测模块（200）在时间区间[Z_i,j-t₂ Z_i,j-t₃]内探测第一个光子信号的响应时间，并记录为Z_i,j-t₃；

6），光子探测模块（200）在时间点Z_i,j-t₄关闭单光子探测器，时间点Z_i,j-t₄的大小可以根据第1个探测距离区间的最远距离来设定；

7），重复4）～6）遍历i从1到N，其中Z_i,j-t₂大于或等于Z_i,j-t₂；

8），判断k的值是否达到上限值K，如果达到则j=j+1，回到第2）步；否则k=k+1，重复3）～7）；

9），遍历j从1到M，探测所有的区域Z_i,j，完成目标区域内所有目标的探测；

10），控制和信号处理模块（300）根据测量结果统计各个探测子区域Z_i,j中固定时间点Z_i,j-t₃的光子累计响应次数n_i,j，光子累计响应次数大于或等于阈值T的时候，则认为该时间点Z_i,j-t₃对应的距离有目标；否则则认为探测子区域Z_i,j中没有目标，控制和信号处理模块（300）根据统计结果输出探测区域的目标分布态势图；

11），控制和信号处理模块（300）根据时间点Z_i,j-t₃和时间点Z_j-t₁之间的时间差来计算Z_i,j中的目标距离。