[发明专利]一种单光子三维探测设备及其目标探测方法

说明书

本发明公开了一种单光子三维探测设备，包括设置在探测光轴上的激光发射模块、光子探测模块和控制和信号处理模块，以及沿探测光轴进行一维或者二维扫描的扫描系统，光子探测模块包括接收光学系统和单光子探测器；还公开了其用于探测单目标和探测大区域多目标的方法；本发明采用的分割探测距离区间的方法来最大限度地抑制噪声干扰，降低设备探测虚警率，提升设备的环境光抗干扰能力，进而可以在同等探测距离下实现更快的探测速率，提升单位时间内的探测范围。

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种单光子三维探测设备，以及基于该设备的目标探测方法。

背景技术

单光子探测技术可以提供单光子灵敏度级别的探测能力，因而在许多领域具有非常重要的应用价值，例如卫星遥感、无人驾驶等。然而，无人驾驶等领域的对探测的范围、精度、实时性要求非常高，因此对单光子三维探测设备也提出了非常高的要求。

例如，对于无人驾驶，一般需要探测设备具有在水平和俯仰方向非常大的扫描探测角度，探测距离通常需要达到几百米；此外，还需要探测设备具有非常高的精度和速度，从而在高速行进过程中能够快速精确地提取周围的目标信息，这就需要探测设备的输出数据具有较高的刷新率；进一步，探测设备还至少需要全天时的工作能力，即白天晚上都能正常工作，不收环境光的干扰。

基于以上的分析，开发一种探测范围大、数据刷新率高、受噪声干扰低的单光子探测设备及探测方法是非常有意义的。

发明内容

本发明目的之一是针对现有技术中存在的问题，提出一种探测范围大、数据刷新率高、受噪声干扰低的单光子探测设备，解决现在单光子探测技术受白天背景噪声干扰信噪比低、探测速度慢的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种单光子三维探测设备，包括设置在探测光轴上的激光发射模块、光子探测模块和控制和信号处理模块，以及沿探测光轴进行一维或者二维扫描的扫描系统；激光发射模块用于发射1064～1550nm波长的周期性激光脉冲信号；光子探测模块包括接收光学系统和工作于盖革模式的单光子探测器，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，否则不输出脉冲电信号；控制和信号处理模块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单光子三维探测设备的距离；控制和信号处理模块根据具体的应用场景需求，沿着探测光轴方向建立一系列探测距离子区间，对于每一个探测距离子区间，控制和信号处理模块可以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，即在时间点t₂开启单光子探测器，在时间点t₄关闭单光子探测器，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，时间点的从先到后排序为t₁，t₂，t₃，t₄；控制和信号处理模块根据具体的应用场景需求，沿着垂直探测光轴方向建立一系列探测扇形区域，控制和信号处理模块控制单光子探测器在探测区间Z_ij内工作：即在时间点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。