[发明专利]一种多波束激光雷达

说明书

本发明涉及一种多波束激光雷达，其包括光源以及激光信号接收装置；所述光源包括至少两个激光发射器，各所述激光发射器按照预定时序发射激光束；信号接收装置具有多个激光接收点，以接收被测目标反射的激光信号；所述激光接收点通过光纤与至少两个单光子探测器件耦合。本发明的优点在于，通过光源按照预定时序发射激光束，使得各单光子探测器件可以在时间通道上被复用，在保证单光子探测灵敏度的同时，极大的提高对强光信号有效探测的能力，利用现有的成熟的工艺和器件可以方便的实现规模的扩展。在扩展的过程中，单光子探测器件的数目可增加至128以上。

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，尤其是一种多波束激光雷达。

背景技术

随着激光雷达和激光测绘技术的不断发展，单光子探测技术作为现有的具有最高灵敏度的光学测量手段，已经越来越多的广泛的应用于集成化的激光测绘的系统中。由于单光子探测技术具有极高的探测灵敏度（能够实现单个光子水平的极限探测），能够极大的提高测绘系统的测量距离范围，也能够有效的降低测绘系统对激光光源的能量要求，这两点都是制约激光测绘系统应用的重要瓶颈问题。

然而，单光子探测技术在提供高探测灵敏度的同时，也带来了一些问题。用于实现单光子探测的最典型器件是雪崩光电二极管单光子探测器（SPAD）和光电倍增管（PMT）。以SPAD为例，它利用雪崩光电二极管在盖革工作模式下的雪崩增益实现对单光子信号的有效探测。雪崩增益虽然极大的提高了探测灵敏度，但是也一定程度限制了可探测入射光信号的强度动态范围，也就是说在测量微弱光信号时具有非常好的优势，但是随着入射光信号强度增加雪崩增益很容易达到饱和，提前进入探测器死时间区域，如下图1所示。此时对于测量结果来说，探测输出的信号脉冲与实际入射的光脉冲之间存在明显的时间差异（在入射光信号强度较强时，由t0变为了T0），严重影响了测量的精度。

对大动态范围的光信号强度响应对于测绘系统非常重要，因为观测目标通常是非合作的，可能是土壤、森林、水面等，对于光信号的反射率大不相同，导致返回待测量的光脉冲强度会分布在一个较大的动态范围内。目前行之有效的一种提高探测器强度响应动态范围的方法是将单点SPAD器件做成阵列SPAD器件，将入射光脉冲空间分布照射在SPAD阵列的多个像素上，从而能够适应强度更高的入射光信号。然而这种解决方法有非常大的限制，主要是SPAD阵列的器件工艺不够成熟，造价非常高昂，更重要的是阵列器件的驱动和读出电路尺寸和功耗较大，制约了探测器小型化和可靠性。

现有技术中，部分激光雷达在光源端使用多个激光束同时工作，这种多波束同时工作是现有的多波束激光雷达测绘系统的主要特点之一，该方案具有明显的先进性，但是同样受限于单点SPAD件无法实现大动态范围光信号探测的问题。如图2所示多波束激光雷达的工作原理，光源部分由1#至4#四台激光器组成，以一个1X4的激光点阵的形式输出，返回的待测光信号由测绘系统的成像装置收集并在像平面成像为1X4的激光点阵，编号为1#至4#。随后待测4路光信号分别经由光纤导引送入单点SPAD分别编号A-D。当返回的待测信号强度过高时，单点SPAD探测时就会遇到图1所述的情况，导致探测精度降低。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种多波束激光雷达，通过采用时间通道复用以及多个单光子探测器件复用使得激光雷达具备更大的动态范围。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种多波束激光雷达，其包括光源以及激光信号接收装置；所述光源包括至少两个激光发射器，各所述激光发射器按照预定时序发射激光束；信号接收装置具有多个激光接收点，以接收被测目标反射的激光信号；每个所述激光接收点通过光纤与至少两个单光子探测器件耦合。

所述激光接收点与所述光源发出的一束激光相对应。

每个所述单光子探测器件与至少两个所述激光接收点耦合；对于与同一个所述单光子探测器件相耦合的所述激光接收点，各所述激光接收点所对应的激光束的发射时间之间的间隔大于所述单光子探测器件的死时间间隔。