[发明专利]一种基于窄脉冲激光器的长距离测距方法

说明书

本发明公开了一种基于窄脉冲激光器的长距离测距方法，主控系统包括发光模块和收光模块，发光模块和收光模块共享同一时钟基准；发光模块随机产生由0和1组成的一串数字序列A；数字序列A经过整形电路驱动窄脉冲激光器发出光脉冲信号，同时发光模块对光脉冲信号进行位置信息标记；该光脉冲信号发射至目标物体再反射至单光子探测器，单光子探测器将其接收到的单光子信号传递至收光模块，收光模块对接收到的单光子信号进行位置信息标记后，与窄脉冲激光器发出的光脉冲信号进行时序匹配，从而确定光子飞行时间，实现对目标距离测量。本发明可以实现1000公里以上的距离测量，并且测量速度快、精度高。

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其是一种基于窄脉冲激光器的长距离测距方法。

背景技术

近些年，单光子激光测距技术迅速发展，在工业生产乃至日常生活中，逐渐占据重要地位。单光子激光测距利用单光子探测器测量能量小于单个光子的光脉冲信息，以实现远距离测距，其工作原理主要是通过飞行时间进行目标测距，即通过激光器发射激光，激光照射到目标物体之后，目标物体将激光漫反射回来，通过光学接收系统将反射信号接收到探测器靶面，通过计时模块记录激光出射产生起始信号时间以及接收到目标物体反射回波产生终止信号时间，则目标距离L可由公式L= c (t2-t1)/2 求得，其中c为光在真空中的传播速度，t1、t2 分别是信号起始时间、终止时间。

传统飞行时间法激光测距的弊端在于，激光在空气中受到大气的扰动，导致激光衰减太快，所以测量距离越远所需要的激光发射的能量就越大；因此尽管基于飞行时间法的单脉冲测距技术日益成熟，但是单脉冲测距系统的测程受限，通常只有数百米。与此同时，大功率激光器的体积和重量都比较大，因此很多领域大功率连续激光测距系统的应用会受到限制。

现有单脉冲测距通常选用波长为532nm或1064nm的激光器，脉冲宽度在几百微秒或毫秒级别，光源重复频率较低，仅为KHz级别，结合基于TDC（时间数字转换器）的光子计数方法，统计时长至少需要数十秒时间，还需经过最优值算法（例如深度学习算法）得出最优值，整个过程耗时较长；并且这两个波长的激光容易造成人眼损伤，安全性较差。

虽然随着激光器技术不断发展，脉冲激光的脉宽已经实现皮秒量级，但是目前TDC的响应速度最大只能达到MHz级别，无法达到GHz级别，因此限制了窄脉冲激光器在单光子激光测距上的应用。

发明内容

针对现有单光子激光测距技术测程受限的问题，本发明提出一种基于窄脉冲激光器的长距离测距方法。

一种基于窄脉冲激光器的长距离测距方法，主控系统包括发光模块和收光模块，发光模块和收光模块共享同一时钟基准，其中主控系统优选FPGA，窄脉冲激光器优选皮秒激光器，尤其是GHz以上光重复频率的皮秒激光器，单光子探测器优选铟镓砷单光子探测器。

发光模块随机产生由0和1组成的一串数字序列A；数字序列A经过整形电路驱动窄脉冲激光器发出光脉冲信号，其中随机数1对应有光脉冲，随机数0对应无光脉冲；

该光脉冲信号发射至目标物体再反射至单光子探测器，单光子探测器将其接收到的单光子信号传递至收光模块，收光模块对接收到的单光子信号进行时序标记，形成一串由0和1组成数字序列B，其中数字1对应有光子，数字0对应无光子；再将数字序列B与数字序列A进行时序匹配，从而确定光子飞行时间，实现对目标距离测量。

进一步的，时序匹配是将数字序列B与数字序列A进行前后遍历的对位比较统计，直至比较统计结果为无光计数值＜K*单光子探测器暗计数，则时序匹配成功，其中无光计数值为数字序列B中与数字序列A中的数字0对位的数字1的数量，其中1≤K≤30。

进一步的，前后遍历的过程为，先将数字序列B的第一个数字1与数字序列A的第一个数字1对位，然后进行比较统计，若无光计数值＜K*单光子探测器暗计数，则时序匹配成功；