技术领域
[0001] 本
发明属于单光子激光雷达探测领域，更具体地，涉及一种基于超导
纳米线单光子探测器及二维扫描镜的超远程单光子三维激光雷达扫描成像系统。
背景技术
[0002] 激光雷达是一种主动的现代光学遥感技术，它结合传统的雷达技术和激光技术。激光雷达具有着高
角度
分辨率、高距离分辨率及高测量
精度等特点，成为了一种重要的主动探测手段。常见的激光雷达包括有：测距激光雷达、测速激光雷达、三维成像激光雷达、测绘激光雷达及合成孔径激光雷达等。其中，三维成像激光雷达技术在科学实验领域、军事领域和民用领域具有着广泛的需求和应用。
[0003]
三维扫描激光雷达由
激光器发射激光脉冲
信号，通过扫描机构的转动实现对目标的垂直和
水平扫描。经目标发射后的回波信号被探测器接收，经过
信号处理后获得目标的距离和强度信息，从而获得目标的距离图像和强度图像。随着探测机制的逐渐成熟，如何获得更极限的探测距离成为一个关键的研究目标。
[0004] 根据激光雷达方程，提高探测器的
量子效率和降低探测器的暗噪声是提高激光雷达作用距离的关键。自从20世纪末，单光子探测器的发展使得更远的探测距离成为了可能。盖格模式
雪崩光电
二极管(Gm-APD)由于其单光子灵敏度和亚皮秒量级的
时间分辨率的两大特点，很快被应用到激光雷达探测领域。然而，常见的
硅基雪崩
光电二极管，通常工作在可见光波段，在三维扫描激光雷达工作的
近红外波段的量子效率通常不足2％；而基于铟镓砷的
雪崩光电二极管在近红外波段有着不错的量子效率(超过50％)，而其暗噪声通常超过
10kHz。因此这两种常见的单光子探测器在提高激光雷达极限探测距离上的贡献有限。近年来随着超导
薄膜、微加工技术及制冷技术的发展，使在近红外波段有着较高量子效率(大于
50％)，同时小于100Hz暗噪声的超导纳米线单光子探测器的研制成为了可能，也让超远程单光子三维激光雷达的实现成为了可能。
发明内容
[0005] 针对
现有技术的以上
缺陷或改进需求，本发明提出了一种超远程单光子三维激光雷达扫描成像系统，由此解决原有单光子激光雷达探测系统因探测器暗噪声和探测效率对极限探测距离的限制和仅能进行距离测量的技术问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种超远程单光子三维激光雷达扫描成像系统，包括：发射单元、接收单元、超导纳米线单光子探测器及
数据处理单元；
[0007] 所述发射单元，用于在调整激光脉冲的光束指向后，向目标成像区域发射所述激光脉冲，以使所述目标成像区域中的目标接收所述激光脉冲后，反射目标回波
光信号；
[0008] 所述接收单元，用于收集所述目标回波光信号，并滤除噪声、杂散光及背景光的影响，再将滤波后的目标回波光信号聚焦后进行汇集；
[0009] 所述超导纳米线单光子探测器，用于接收汇集后的目标回波光信号，并进行光电转换得到
电信号；
[0010] 所述数据处理单元，用于采集所述电信号，并将所述电信号处理成时间相关单光子计数直方图，基于所述直方图得到所述目标的距离信息，在未完成所述目标成像区域的扫描时，继续调整激光脉冲的光束指向，直至完成所述目标成像区域的扫描，显示三维扫描成像结果，其中，所述直方图为预设
采样时间内累计的回波光子数与时间的关系。
[0011] 优选地，所述发射单元包括：激光器、激光器电源、光束指向微调器、分光镜、发射系统二维扫描镜及激光扩束器；
[0012] 所述激光器电源与所述激光器电连接，以用于给所述激光器供电并用于设置预设参数以使所述激光器按照预设要求发射激光光束；
[0013] 所述光束指向微调器设置于所述激光器的出射激光方向，以用于对所述激光器的出射激光光轴进行微调来保证发射光轴与接收光轴的平行性；
[0014] 所述分光镜设置于所述光束指向微调器的光路后端，以用于将所述激光器的出射光束分为互相垂直的第一光束和第二光束，所述第一光束入射到45°安置的所述发射系统二维扫描镜上；
[0015] 所述发射系统二维扫描镜，用于将所述第一光束反射入所述激光扩束器，以进行发散角压缩，经过发散角压缩后的第一光束照射入目标成像区域。
[0016] 优选地，所述接收单元包括：接收望远镜、接收系统二维扫描镜、带通滤光片、窄带滤光片、聚焦透镜及探测器耦合光纤；
[0017] 所述接收望远镜，用于收集目标反射回来的所述目标回波光信号，然后所述目标回波光信号经过所述接收系统二维扫描镜反射后依次通过所述带通滤光片和所述窄带滤光片后经所述聚焦透镜聚焦之后汇集到所述探测器耦合光纤，最后进入所述超导纳米线单光子探测器，以使所述超导纳米线单光子探测器将接收的光信号转换为第一电信号。
[0018] 优选地，所述系统还包括：PIN型光电二极管；
[0019] 所述PIN型光电二极管，用于接收所述第二光束，并将所述第二光束转换为第二电信号。
[0020] 优选地，所述数据处理单元包括：时间相关单光子计数器、处理器及扫描镜
控制器；
[0021] 所述时间相关单光子计数器的触发信道与所述PIN型光电二极管连接，所述时间相关单光子计数器的测量信道与所述超导纳米线单光子探测器连接，所述时间相关单光子计数器的输出端与所述处理器连接；
[0022] 所述处理器与所述扫描镜控制器连接，所述扫描镜控制器分别与所述发射系统二维扫描镜及所述接收系统二维扫描镜连接；
[0023] 所述时间相关单光子计数器，用于在接收到所述第二电信号的触发后，由所述测量信道接收并存储所述第一电信号，并将在所述预设采样时间内采集的第一电信号处理成时间相关单光子计数直方图；
[0024] 所述扫描镜控制器，用于根据所述处理器的控制信息，调整所述发射系统二维扫描镜的镜面转动，以调整发射第一光束的光轴指向，及调整所述接收系统二维扫描镜的镜面转动，以调整接收视场的光轴指向；
[0025] 所述处理器，用于基于所述时间相关单光子计数直方图得到所述目标的距离信息，在未完成所述目标成像区域的扫描时，调整所述发射系统二维扫描镜和所述接收系统的二维扫描镜的偏转角度，继续下一个
像素点的测量，直至完成所述目标成像区域的扫描，显示三维扫描成像结果。
[0026] 优选地，所述发射系统二维扫描镜和所述接收系统二维扫描镜同步工作，在完成发射激光光束和接收视场同步对目标场景扫描的同时，确保发射激光光束光轴与接收视场光轴的平行性。
[0027] 优选地，发射激光光束的光轴与接收视场光轴之间的夹角不大于0.1mrad。
[0028] 优选地，所述接收视场为扩束后激光光束发散角的2倍。
[0029] 优选地，所述发射系统二维扫描镜和所述接收系统二维扫描镜协同工作，以保证扫描过程中激光光斑与接收视场始终处于重合状态。
[0030] 优选地，所述发射系统二维扫描镜和所述接收系统二维扫描镜的单个维度最小转动角度为10μrad，扫描量程为25mrad。
[0031] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0032] 1、本发明由于使用了超导纳米线单光子探测器作为探测器件，具有更低的暗噪声和更高的探测效率，能够实现更加微弱信号的探测，有助于提高系统的极限探测距离。
[0033] 2、本发明分别在发射光路和接收光路中设置二维扫描振镜，同步对发射接收光轴进行控制，实现对目标区域的三维扫描成像。
附图说明
[0034] 图1是本发明
实施例提供的一种超远程单光子三维扫描成像系统的结构示意图；
[0035] 图2是本发明实施例提供的一种完成一次扫描成像过程的工作
流程图；
[0036] 图3是本发明实施例提供的一种在完成一次扫描成像过程中的初始化流程图；
[0037] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0038] 1-激光器，2-激光器电源，3-光束指向微调器，4-分光镜，5-PIN型光电二极管，6-发射系统二维扫描镜，7-激光扩束器，8-接收望远镜，9-接收系统二维扫描镜，10-带通滤光片，11-窄带滤光片，12-聚焦透镜，13-探测器耦合光纤，14-超导纳米线单光子探测器SNSPD，15-时间相关单光子计数器TCSPC，16-上位机，17-扫描镜控制器。
具体实施方式
[0039] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0040] 本发明基于超导纳米线单光子探测器(Superconducting nanowire single-photon detector，SNSPD)和二维扫描镜设计了一套能够在良好大气条件下实现超过50km作用距离的超远程单光子三维激光雷达扫描成像系统。
[0041] 图1是本发明实施例中超远程单光子三维激光雷达扫描成像系统的结构示意图，由图可知主要包括的器件有：激光器1、激光器电源2、光束指向微调器3、分光镜4、PIN型光电二极管5、发射系统二维扫描镜6、激光扩束器7、接收望远镜8、接收系统二维扫描镜9、带通滤光片10、窄带滤光片11、聚焦透镜12、探测器耦合光纤13、超导纳米线单光子探测器SNSPD14、时间相关单光子计数器(Time Correlated Single Photon Counting，TCSPC)15、处理器16及扫描镜控制器17。
[0042] 在本发明实施例中，可以通过上位机等终端设备实现处理器16的功能，具体采用何种终端设备本发明实施例不做唯一性限定。
[0043] 其中，各个部件的连接关系以及作用分别如下：激光器电源2与激光器1电连接，以用于给激光器1供电并设定参数使激光器1按照预期发射激光光束。在激光器1出射激光的方向上设置有光束指向微调器3，用以对激光光束指向进行微调以达到发射接收光轴平行的效果。指向微调后的光束出射方向上设置有分光镜4，用于将激光器1出射的光束分为相互垂直的第一光束和第二光束，第一光束入射到45°安置的发射系统二维扫描镜6上，光束反射进入激光扩束镜7进行发散角压缩，经过发散角压缩后的第一光束照射目标成像区域。发射系统二维扫描镜6与扫描镜控制器17电连接，扫描镜控制器17通过调整
电压控制发射系统二维扫描镜6的镜面转动调整发射第一光束的光轴指向。第二光束直接入射到PIN型光电二极管5上。PIN型光电二极管5与时间相关单光子计数器TCSPC 15的触发信道电连接，进入PIN型光电二极管5的光被转
化成电信号后传输到时间相关单光子计数器TCSPC 15的触发信道作为一次探测事件的起始。接收望远镜8用于收集目标反射回来的目标回波光信号。
带通滤光片10、窄带滤光片11和聚焦透镜12依次设置在接收系统二维扫描镜9的出光光轴上，目标回波光信号经接收望远镜8收集后，经过接收系统二维扫描镜9反射后依次通过带通滤光片10，窄带滤光片11后经聚焦透镜12聚焦之后汇集到探测器耦合光纤13。接收系统二维扫描镜9与扫描镜控制器17电连接，扫描镜控制器17通过调整电压控制发射系统二维扫描镜9的镜面转动调整接收视场的光轴指向。带通滤光片10用于滤除可见光波段噪声，窄带滤光片11用于进一步滤除杂散光。探测器耦合光纤13接收的光
信号传输到超导纳米线单光子探测器SNSPD 14的光敏面上进行光电转换。超导纳米线单光子探测器SNSPD 14与时间相关单光子计数器TCSPC 15的第一测量信道(CH1)电连接。进入超导纳米线单光子探测器SNSPD 14的目标回波光信号被转换成电信号传输到时间相关单光子计数器TCSPC 15的测量信道(CH1)作为一次探测事件的终止。时间相关单光子计数器TCSPC 15的输出端连接处理器16。时间相关单光子计数器TCSPC 15用于将采集到的时间相关单光子计数数据输送到处理器16以进行后续处理和显示。处理器16同时可以通过与时间相关单光子计数器TCSPC
15的连接控制时间相关单光子计数器TCSPC 15的工作状态。同时处理器16与扫描镜控制器
17电连接，用以同步控制发射系统二维扫描镜6和接收系统二维扫描镜9的控制电压以同步调节发射光束指向和接收视场光轴指向。
[0044] 本发明实施例中，采用
波长为1064nm的
脉冲激光器，脉冲宽度为10nm，经过伽利略望远镜扩束之后作为
光源发射单元，通过开普勒接收望远镜滤光片和聚焦透镜组成的接收光学单元来接收目标反射回来的目标回波光信号，并由光电单元转换后得到电信号，再由数据处理单元将电信号做进一步的处理，最终获得目标像素的距离信息。
[0045] 本发明实施例中的发射激光光束的发散角为0.1mrad，接收视场角为0.2mrad，以保证发射激光在目标上照亮的光斑能够完全被接收视场
覆盖的同时保证较高的扫描成像分辨率。
[0046] 本发明实施例中的发射激光光束的光轴与接收视场的光轴之间处于准平行设置。发射激光光束的光轴与接收视场光轴之间的夹角不大于0.1mrad，以保证在无穷远处发射激光光束光斑在接收视场范围内。本发明中发射激光光路与接收光路中均设置有同步控制的二维扫描镜，两套扫描镜组同步工作，完成激光光束和接收视场同步对目标场景扫描的同时确保激光光束光轴与接收视场光轴的平行性，使激光光斑和接收视场时钟处于重合状态。
[0047] 本发明实施例中，激光扩束器7可以为伽利略望远镜系统，接收望远镜8可以为开普勒望远镜系统。
[0048] 本发明实施例中，接收视场为扩束后激光光束发散角的2倍。
[0049] 本发明实施例中，带通滤光片10用于滤除可见光噪声，其截止波长为980nm。
[0050] 本发明实施例中，窄带滤光片11用于进一步滤除杂散光噪声，其中心波长为1064nm，其带宽不大于2nm。
[0051] 本发明实施例中，探测器耦合光纤13的光纤芯径为100μm。
[0052] 本发明实施例中，发射系统二维扫描镜6和接收系统二维扫描镜9协同工作，以保证扫描过程中激光光斑与接收视场始终处于重合状态。
[0053] 本发明实施例中，时间相关单光子计数器TCSPC的最小时间分辨率为64ps。
[0054] 本发明实施例中，发射系统二维扫描镜6和接收系统二维扫描镜9的单个维度最小转动角度为10μrad，扫描量程为25mrad。
[0055] 本发明实施例中，扫描镜控制电源输出控制电压的最小分辨率为50mV。
[0056] 本发明实施例中，超导纳米线单光子探测器SNSPD 14在1064nm波段的量子效率不小于50％，暗计数率不大于100Hz。
[0057] 本发明实施例中，超远程单光子三维激光雷达扫描成像系统能在大气能见度不小于20km的条件下有效作用距离不小于50km。
[0058] 本发明系统的具体工作过程如下：
[0059] 首先在确定扫描成像场景完成扫描范围和时间相关单光子计数器TCSPC 15初始化之后，上位机16控制扫描镜控制器17分别调整发射系统二维扫描镜6和接收系统二维扫描镜9的控制电压，使发射激光光束的光轴和接收视场的光轴同时指向扫描场景中的第一个像素点。
[0060] 接着，在发射系统二维扫描镜6和接收系统二维扫描镜9到位之后，由激光器1向目标扫描成像场景发射激光脉冲光束，该激光光束的单脉冲
能量为300mJ，波长为1064nm，处于大气透过窗口波段。由于在激光光路中设置有分光镜4，分光镜4将光束分为两束，一束经过发射系统二维扫描镜6调整光束指向后，进入激光扩束器7进行激光扩束和发散角压缩之后，照亮目标扫描场景中的一个像素单元，另一束则直接入射到PIN型光电二极管5中。
[0061] 一方面，入射到PIN型光电二极管5中的光束为触发信号，该光束由PIN型光电二极管5转化成电信号并输入到时间相关单光子计数器TCSPC 15的触发信道中。
[0062] 另一方面，经过激光扩束镜7进行激光扩束和发散角压缩之后的光束，射向目标成像区域，光束照亮目标后发生反射，一部分光子反射后按原路径往回传播。由接收望远镜8将反射回来的光信号收集。接收望远镜8的输出端设置有接收系统二维扫描镜9，用来保证只有目标像素单元返回的光信号被接收。由接收望远镜8和接收系统二维扫描镜9组合的光学系统接收的光信号依次通过中心波长为1064nm的带通滤光片10和窄带滤光片11，以消除背景其他波段杂散光的影响，然后经过聚焦透镜12聚焦后汇聚到探测器耦合光纤13的输入端。收集到探测器耦合光纤13中的光信号传导到超导纳米线单光子探测器SNSPD 14的光敏面上转化成电信号，并传输到时间相关单光子计数器TCSPC 15的第一测量信道(CH1)。
[0063] 然后时间相关单光子计数器TCSPC 15在PIN型光电二极管5输出的信号触发后，第一测量信道(CH1)接收超导纳米线单光子探测器SNSPD 14的
输出信号并采集。时间相关单光子计数器TCSPC 15将每个周期采集到的信号存储到内部
存储器中，并按照上位机的设定，在
指定统计时间之后将存储于内部存储器中的数据以直方图的形式传输到上位机上显示与存储。该直方图为累计后的回波光子数与时间的关系。最后可以在该直方图数据的
基础上，使用飞行时间计算的方法计算获得当前测量像素点的目标距离信息。完成当前像素点的目标距离测量之后，同时更新发射系统二维扫描镜6和接收系统的二维扫描镜9的偏转角度，开始下个像素点的测量，
迭代该过程直到完成整个目标成像场景的三维扫描成像。
[0064] 图2是本发明实施例系统完成一次扫描成像过程的工作流程图，由图可知实施例系统开始一次单光子扫描成像过程之后，首先分别对扫描镜和时间相关单光子计数器TCSPC 15进行初始化；初始化完成之后开始单像素点的测量。在单个像素点的测量过程中，首先上位机16发送该像素点的扫描镜控制信息，经过扫描镜控制电源17转化成扫描镜控制电压之后驱动发射系统扫描镜6和接收系统扫描镜9转动到指定角度。两个扫描镜完成指定角度偏转之后，激光器1发射激光脉冲，其中一路激光光束触发PIN型光电二极管5进行光电转换后触发时间相关单光子计数器TCSPC 15开始一个周期的
数据采集。采集完成之后时间相关单光子计数器TCSPC 15判断是否达到设定采集次数，如果未达到，则激光器1继续发射脉冲重复采集过程；如果达到采集次数，则统计采集数据绘制时间相关单光子计数直方图，并上传到上位机16中。上位机16接收到一次测量结果之后判断是否完成整个场景的扫描成像测量，如果未完成，则更新扫描镜控制电压，重新发送扫描镜控制信息，开始下个像素点的测量。如果完成整个场景的扫描成像测量，则显示三维扫描成像结果并保存数据，结束扫描成像。
[0065] 其中，本发明实施例系统在完成一次扫描成像过程中的初始化流程如图3所示。初始化过程中包含扫描镜初始化和时间相关单光子计数器TCSPC 15的初始化。其中扫描镜的初始化开始后，系统等待用户输入扫描镜控制参数，包括扫描成像幅宽即成像水平和竖直两个方向上的像素数，成像分辨率即相邻像素点之间的扫描镜转动的角度。完成参数输入后即完成扫描镜初始化。时间相关单光子计数器TCSPC 15初始化开始后，系统等待用户输入计数器工作参数，包括计数器的采集时间(通常为毫秒)和计数器计时分辨率。完成参数输入后即完成时间相关单光子计数器TCSPC 15的初始化。
[0066] 相对于已有的单光子三维扫描成像系统，本系统采用了超导纳米线单光子探测器SNSPD 14作为系统的探测器来采集目标反射回来的极其微弱的光信号。超导纳米线单光子探测器SNSPD 14在相对于常用的硅雪崩光电二极管Si-APD在1064nm波段有着更高的量子效率，通常为Si-APD的50至100倍。而相对于常用的铟镓砷雪崩光电二极管InGaAs-APD具有着更低的暗计数率，通常小于100Hz。因此本系统能够进行更远距离的探测。同时，本系统同时在发射光学系统和接收光学系统中设置同步控制的二维扫描镜，相对于现有系统在发射和接收光学系统扩束之后设置共孔径扫描镜，本系统需要的扫描镜尺寸可以更小，有利于压缩光学系统的体积，并实现超远程单光子扫描成像。
[0067] 本发明旨在解决原有单光子激光雷达探测系统因探测器暗噪声和探测效率对极限探测距离的限制和仅能进行距离测量的问题。本发明由于使用了超导纳米线单光子探测器作为探测器件，具有更低的暗噪声和更高的探测效率，能够实现更加微弱信号的探测，有助于提高系统的极限探测距离。本发明分别在发射光路和接收光路中设置二维扫描振镜，同步对发射接收光轴进行控制，实现对目标区域的三维扫描成像。
[0068] 总的来说，本发明系统在良好大气条件下能够实现超过50km的三维扫描成像，这对于军事预警，测绘等领域有着重要的意义。
[0069] 需要指出，根据实施的需要，可将本
申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
[0070] 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。
