一种零噪声激光雷达

1.本发明涉及光子计数激光雷达技术领域，尤其涉及一种零噪声激光雷达。


背景技术：

2.作为一种高精度，高时间分辨率，高灵敏度的主动探测技术。激光雷达被广泛的应用于大气监测，远距离主动三维成像等诸多领域。光子计数激光雷达拥有极高的，低至单光子量级的探测灵敏度，但极易受到背景噪声的影响导致雷达系统不能有效工作。为了提升光子计数激光雷达在强背景噪声环境下的工作性能，有效的提高信噪比，提升激光雷达的全天候工作能力逐渐成为研究重点。在现有的激光雷达方案中，光学发射系统一般采用单波长，窄线宽脉冲激光器发射信号光，光学接收系统一般采用激光直接接收的方式，而光谱滤波广泛采用窄带滤光片等进行滤波并且不能分光。常用滤光片的带宽通常为nm量级，中心波长处的最小峰值透过率一般为75％左右，无法满足光子计数激光雷达在强背景噪声环境下工作的要求，极大影响其工作性能。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了有效的提升激光雷达背景噪声抑制能力，有效的降低激光雷达的虚警概率，同时保证信号光的强度与信号的探测概率。该发明具有原理清晰，操作方便，结构简单等特点，能够有效提升回波信号信噪比，极大地降低激光回波信号的带宽，提高激光雷达在强噪声环境下的性能。
4.本发明的技术方案如下：一种零噪声激光雷达，包括窄线宽多纵模激光器、光电探测器、穿孔反射镜、光束接收系统、高分辨率窄线宽分光器件，逻辑与门运算器、多个单光子探测器和时间相关光子计数仪，窄线宽多纵模脉冲激光器发出多纵模脉冲激光，光电探测器探测信号作为本地信号，由穿孔反射镜输出，经由被测目标反射，由光学接收系统接收，再经由高分辨率窄线宽分光器件进行光谱滤波与角度选择，首先对回波光同时进行光谱匹配滤波，进行角度选择，将不同波长的光以不同角度出射，随后由不同单光子探测器接收，其余的背景噪声光子则不会被高分辨率窄线宽分光器件选择通过，再由多个单光子探测器同时进行逻辑“与”的操作，只有多个单光子探测器均同时探测到信号时，才输出探测信号，再将信号输出至时间相关单光子计数仪。能够在保证每一路探测器的信号强度的同时，大幅降低系统的虚警概率与噪声。从而有效的提升激光雷达的探测性能
5.进一步地，所述的窄线宽多纵模脉冲激光器能一次发射多个纵模间隔极窄的脉冲光。
6.进一步地，所述的高分辨率窄线宽分光器件的选择光谱带宽极窄，选择效率高。
7.进一步地，所述的高分辨率窄线宽分光器件有角度选择特性，对不同波长的入射光束有不同的衍射角，角度分辨率较高，能够分开波长间隔窄的信号光。角度分辨率一般根据系统要求设置，无范围要求。
8.进一步地，所述的与门运算器结构能够对不同波长回波光进行分波长，进行逻辑“与”运算，同时接收信号。
9.进一步地，所述的激光雷达能够对不同波长回波光，同时进行分波长的角度选择与光谱匹配滤波，针对每一个纵模的中心波长进行滤波。
10.本发明的原理如下：
11.光子计数激光雷达拥有极高的探测灵敏度，但对噪声非常敏感，本方案采用专门的多纵模激光器作为光源，并且以设计的特定高分辨率窄线宽分光器件对激光雷达回波信号同时进行光谱选择，角度选择与分光。分光器件的光谱滤波带宽一般小于100pm，衍射效率超过80％。能够对不同纵模的中心波长进行匹配滤波，并以不同的角度出射。高分辨率、窄线宽分光器件拥有优异的通过性与选角度择性，能够将纵模间隔极窄回波光束以不同角度分光出射，以保证回波信号的强度同时滤除掉背景噪声光。接收端以多个探测器按照不同波长同步接收，再进行逻辑与门的运算，再将信号同时输出至时间相关单光子计数仪，进一步降低每一路的噪声，甚至到“零噪声”。此方案可大幅提升光子计数激光雷达在强噪声环境下的工作性能。
12.本发明与现有技术相比的优点为：
13.(1)本发明的高分辨率窄线宽分光器件有较高的分光效率与较窄的光谱滤波带宽。
14.(2)本发明体光栅相较于传统角度选择，分光器件，有较高的波长分辨率，即能够在较窄的光谱间隔内，分离不同波长的光，并且有较高的分光效率，保证了信号强度。
15.(3)本发明的窄线宽多纵模激光器，能够通过一次发射多个纵模间隔极窄的脉冲光，且每一波长光束带宽较窄。
16.(4)本发明的多探测器接收，能够同时分别接收不同波长的回波光束，同时进行探测。
17.(5)本发明相较于传统的多探测器激光雷达，能够同时对多纵模激光器的多个谱线进行光谱匹配滤波，同时处理多个波长的回波信号，并且进行逻辑与运算。
18.(6)本发明具有原理清晰，结构简单，操作方便，有效降低激光雷达回波信号光谱带宽，提高信噪比，提升信号质量的特点。
附图说明
19.图1为本发明一种零噪声激光雷达示意图；
20.图2为一种零噪声激光雷达探测概率模型与虚警概率模型仿真。
21.附图标记说明：1为窄线宽多纵模脉冲激光器，2为光电探测器，3为穿孔反射镜，4为光学接收系统，5为高分辨率窄线宽分光器件，6为多个单光子探测器，7为逻辑与门运算器，8为时间相关单光子计数仪。
具体实施方式
22.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本技术的保护范围。
23.实施例1
24.如图1所示，本发明是一种新型的零噪声激光雷达，包括窄线宽多纵模脉冲激光器1、光电探测器2、穿孔反射镜3、光学接收系统4、高分辨率窄线宽分光器件5，多个单光子探测器6，逻辑与门运算器7。窄线宽多纵模脉冲激光器1发出脉冲激光，光电探测器2探测到信号作为本地信号，由穿孔反射镜3出射，经由被测目标反射，由光学接收系统4接收，再经由高分辨率窄线宽分光器件5进行选择，不同波长的回波光束经由高分辨率窄线宽分光器件5进行光谱匹配滤波与角度选择，随后由多个单光子探测器6接收，其余的噪声光子则不会被高分辨率窄线宽分光器件5选择通过，最后通过逻辑与门运算器7输出到时间相关光子计数仪8，多个探测器每一路的噪声进一步被压窄，以此达到激光雷达噪声抑制，达到零噪声的效果。经由高分辨率、窄线宽分光器件滤波后，噪声水平较低，多探测器对噪声进一步压低，结合时间相关单光子计数技术，可以接近零噪声。同时保证了每一路的信号光强度，以此达到激光雷达信噪比提升的效果。
25.需要说明的是，图中四个探测器仅作为示意，实际上的探测器个数不定。
26.图2是本发明的激光雷达探测概率模型与虚警概率模型仿真，结果显示该雷达相较于传统的多探测器探测方案，探测效率更高的同时虚警概率大幅度降低。
27.根据上述具体实施方案可知，本发明是一种零噪声激光雷达，相比传统的激光雷达，解决了传统装置接收效率低，光谱较宽，信噪比低的问题，简化了激光雷达内部结构，提升了激光雷达易用性，大大提升了激光雷达的噪声抑制能力，甚至可以达到“零噪声”的水平，有效提升了激光雷达在强噪声环境下的工作能力。扩大了激光雷达的应用范围。
28.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种零噪声激光雷达，其特征在于：包括窄线宽多纵模脉冲激光器(1)、光电探测器(2)、穿孔反射镜(3)、光学接收系统(4)、高分辨率窄线宽分光器件(5)、多个单光子探测器(6)、逻辑与门运算器(7)以及时间相关单光子计数仪(8)，窄线宽多纵模脉冲激光器(1)发出脉冲激光光束，光电探测器(2)探测到光束信号作为本地信号，激光光束经由所述的穿孔反射镜(3)出射并由目标反射的回波光束经由光学接收系统(4)接收，再经高分辨率窄线宽分光器件(5)进行角度选择与光谱匹配滤波后得到不同波长的回波信号，所述回波信号同时由多个单光子探测器(6)接收并经过逻辑与门运算器(7)运算后得到运算结果，将运算结果输出到时间相关单光子计数仪(8)。2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述窄线宽多纵模脉冲激光器(1)拥有较窄的总激光线宽，较窄的单个纵模的线宽，较窄的纵模间隔，总激光线宽不超过200pm，单个纵模线宽不超过50pm，纵模间隔一般不超过20pm。3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述的高分辨率窄线宽分光器件(5)的光谱滤波范围窄，衍射效率高，分光器件的光谱滤波带宽小于100pm，衍射效率超过80％。4.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述的高分辨率窄线宽分光器件(5)有角度选择特性，对不同波长的入射光束有不同的衍射角，角度分辨率较高，能够分开波长间隔窄的信号光。5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，高分辨率窄线宽分光器件能够对多个纵模不同中心波长同时进行匹配滤波，并且同时输出多纵模光束。6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述的多个单光子探测器(6)的每一路对应窄线宽多纵模脉冲激光器(1)的一个波长，探测器个数由激光器纵模个数决定，不小于2个纵模。

技术总结
本发明公开一种零噪声激光雷达，包括窄线宽多纵模脉冲激光器、光电探测器、穿孔反射镜光束接收系统、高分辨率、窄线宽分光器件和多个单光子探测器。窄线宽多纵模脉宽激光器输出光束经由所述的穿孔反射镜发射，同时光电探测器作为本地信号。由目标反射的回波信号光子经由接收系统接收、分光器件角度选择与光谱匹配滤波后最终由多个单光子探测器进行逻辑与门运算，将最终信号同时输入时间相关单光子计数仪。有效地提高光子计数激光雷达在强噪声环境的工作性能，在保证探测概率的情况下，极大的降低激光雷达的虚警概率，多探测器结合体光栅能够极大的降低背景噪声，达到零噪声。极大的提升回波信号的信噪比，提高激光雷达的探测能力。力。力。


技术研发人员：刘博 李文凯 蒋贇
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/14