基於密集脈衝的雷射探測方法
2023-07-13 05:08:41
專利名稱：基於密集脈衝的雷射探測方法
技術領域：
本發明涉及雷射探測技術領域，尤其涉及一種基於密集脈衝的雷射探測方法。
背景技術：
弱光探測器件及其相應的弱信號處理電路的發展使得人們能夠探測到的光功率越來越小，某些規格的光電 倍增管、雪崩光電ニ極管(APD)可以對單個光子產生響應，因而應用於單光子探測(Wolfgang Becker. Advanced time-correlated singlephoton counting techniques[M]. 2005, Berlin, Heidelberg Springer Verlag BerlinHeidelberg)，對於500nm的可見光，相應的單光子能量為4X 10_19J，可見其可探測的光能量非常小，因而可以用於極微弱的光探測。在實際應用中，進行光探測時，很多情況下除了信號光進入光探測器以外，周圍環境的雜散光也會進入，要準確測得信號光就需要信號光和雜散光之間有一定的信噪比，一般要求其強度比要大於5，這就使得探測器能夠探測的信號光的最小光功率在很大程度上依賴於雜散光的光功率，為了降低最小可探測信號光功率、提高信噪比，最簡單、直接的辦法就是提高信號光的發射功率或降低雜散光的功率。提高信號光的發射功率會帶來雷射器體積的增大和耗能的増加，因而不能無限提高；降低噪聲光功率可以通過對探測器及其對應的光學天線的設計減小接收視場角或通過設計與雷射器發射波長相對應的窄帶濾波器對進入探測器的光進行濾波處理，探測器的接收視場角不能很小，否則其探測對準要求就會很高，並且過小的視場角會限制進入探測器的信號光，濾波器的帶寬也不能太窄，帶寬越窄，其透過率越低，雜散光衰減的同時，信號光也會衰減，並且，帶寬越窄，製作越困難，造價也就越高，很不經濟，因此，雜散光功率也不可能無限降低。採用多脈衝疊加的時間相關探測技術或光外差探測的方法可以有效的提高信噪比，降低最小可探測信號光功率，但這兩種方法在實際應用中都是有局限的。多脈衝疊加的方法是發ー個脈衝，接收到探測脈衝的回波信號後再發射下ー個脈衝，所需要的時間較長，且不適合於較快運動目標的探測，因為當目標運動時，參與相關的各個信號脈衝的相關度會下降，相關效果會降低，且目標運動速度越快，相關效果越差，當由於目標運動引起的兩個信號脈衝之間的時間差大於脈衝本身的時間寬度時，將無法進行時間相關(胡廣書.數位訊號處理一理論、算法與實現(第二版)[M]，2003,北京清華大學出版社33-38)。這是因為雷射回波的時間相關性主要取決於相鄰脈衝的間隔，相鄰脈衝信號的時間相關性從相鄰兩個雷射脈衝回波信號相對發射信號(主波)的時間差來確定，滿足At0^-Tp(I)
C式中，V為目標相對測量點的視線距離變化速度，Tp為相鄰兩雷射脈衝的時間間隔，c為光速，Atci的取值主要受限於探測雷射的寬度(一般為15ns)，由(I)式可知，當Atci確定吋，目標相對測量點的視線距離變化速度V和相鄰兩雷射脈衝的時間間隔Tp之間成反比，Tp越大，可用多脈衝疊加的方式測量的目標的速度V越小，減小測量脈衝之間的時間間隔Tp，採用脈衝串技術，可以使V増大，但由於測量點與目標之間的距離L滿足L = CTp(2)可見，減小測量脈衝之間的時間間隔Tp會相應的降低雷射探測的作用距離，這主要是因為利用脈衝串的雷射測量技術中，美國飛彈防禦系統中的「門警」雷射測距系統(王戎瑞.美國飛彈防禦雷射雷達技術 [J].雷射與紅外，1999，29 (5) =263-266)採用的是3個雷射脈衝組成一個脈衝串，脈衝之間的時間間隔為8ms，可以實現100 1000公裡測距；我國華北光電技術研究所提出的脈衝串雷射測距技術中也採用3個脈衝脈衝組成一個脈衝串，實驗中採用的脈衝間隔為300 550us，最遠測距距離為112km(鐘聲遠，李松山.脈衝串雷射測距技術研究[J]·雷射與紅外，2006，36 (増刊)797-799)。光外差探測的方法對光的相干性要求較高，雷射在大氣中傳輸時，大氣湍流效應會嚴重影響雷射的相干性，因此，光外差檢測的方法在大氣中應用是受限制的(郭培源，付楊.光電檢測技術與應用(第二版)[M]，2011，北京北京航空航天大學出版社)。另外，在人造衛星雷射測距技術中，可以採用高重複頻率的雷射脈衝(幾KHz)，雷射脈衝之間的時間間隔相等且小於雷射在觀測系統和被測人造衛星之間往返所需要的時間，在這種方法中，探測雷射器持續向被測目標發射高重頻的雷射脈衝，記錄每個探測雷射脈衝的發射時刻，探測器檢測由目標返回的回波脈衝，記錄回波脈衝的接收時刻，根據人造衛星的運行軌道預先計算光在探測裝置和被測目標之間往返所用的時間，根據這ー計算時間確定與每ー個回波脈衝對應的探測雷射脈衝，再根據相應的接收時刻和發射時刻得到被測人造衛星的距離信息。與傳統的低於IOHz的雷射測距相比較，高重頻雷射測距大大增加了回波數據量，進而大幅度提高了測量精度，但這種探測方法要求預先知道衛星相對於觀測系統的計算距離，這樣才能判斷回波脈衝與哪ー個發射脈衝相對應(DEGNAN JJ. Satelite laser ranging in the 1990’s :report of the 1994 belmont workshop[R].Maryland NASA,Conference Publication, 1994 :3283)，人造衛星雷射測距中，被測目標為合作目標，目標運行速度測量針對人造衛星的角速度，其對回波雷射脈衝時間間隔的影響不大。綜上，利用弱光探測器直接進行光探測時，由於環境雜散光的影響，信噪比較低；採用多脈衝疊加的時間相關探測技術或光外差探測的方法雖然可以提高信噪比，降低最小可探測信號光功率，但多脈衝疊加的時間相關探測技術由於相鄰探測雷射脈衝之間的時間間隔太大，不利於遠距離探測快速運動的目標，而光外差探測的方法受大氣湍流影響較大，人造衛星雷射測距中採用的高重頻雷射測距技術需要預先知道被測目標和測量點的計算距離，如果預先不知道被測目標的距離或計算距離與時間距離偏差較大，則不能利用該方法得到目標的距離信息，並且高重頻雷射探測脈衝是持續發射的，相鄰探測脈衝之間的時間間隔相等，被測目標為合作目標。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何提高對未知距離的快速移動目標進行雷射探測時的信噪比，降低最小可探測光功率，且探測方法不受大氣湍流的影響，適應性強。
(ニ)技術方案為了解決上述技術問題，本發明提供一種基於密集脈衝的雷射探測方法，雷射器向被測目標發射的探測雷射脈衝不是持續發射，而是分組發射，可對未知距離的快速運動的非合作目標進行探測，且不受大氣湍流的影響，該方法包括以下步驟SI、探測信號發生器控制雷射器向被測目標發射分組探測雷射脈衝，其中，所述探測雷射脈衝的組數大於或等於I; S2、第一光電轉換器接收所述探測雷射脈衝經所述被測目標反射後的回波雷射脈衝及由環境光形成的光噪聲，並將所述回波雷射脈衝和所述光噪聲轉換為相應的電信號；S3、對所轉換的電信號進行處理，檢測出所述回波雷射脈衝對應的回波電脈衝，並確定與每個所述回波電脈衝對應的所述探測雷射脈衝，依據所述回波電脈衝得到所述被測目標的信；每ー組探測雷射脈衝中包含時間間隔小於光從雷射器經被測目標反射到達第一光電轉換器所需時間的多個雷射脈衝，相鄰所述雷射脈衝之間的時間間隔不固定，具體數值根據實際需要確定，所述多個雷射脈衝形成ー組密集脈衝。優選地，步驟SI中，所述雷射器向所述被測目標一次發射ー組所述密集脈衝，步驟S3中，所述第一光電轉換器接收到所述回波雷射脈衝後，所述雷射器再向所述被測目標發射下一組所述密集脈衝。優選地，步驟SI中，所述探測信號發生器在控制所述雷射器在發出探測雷射脈衝的同吋，還向執行步驟S3的信號處理器發出包含所述密集脈衝中各脈衝間時間間隔信息的參考信號；或者步驟SI中，所述雷射器發出雷射脈衝，經分光鏡分開，一部分射向被測目標，形成所述探測雷射脈衝，一部分作為參考雷射脈衝，所述參考雷射脈衝經第二光電轉換器後形成所述參考信號，交由所述信號處理器處理。優選地，步驟S3具體為對於所轉換的電信號中，滿足相鄰電脈衝之間的時間間隔與所述參考信號提供的對應相鄰探測雷射脈衝之間的時間間隔之差小於或等於相鄰脈衝時間間隔偏差容限的電脈衝為回波電脈衝；依據發射和接收的時間順序或所述回波電脈衝間的時間間隔信息確定每個所述回波電脈衝對應的所述探測雷射脈衝。優選地，所述相鄰脈衝時間間隔偏差容限取決於所述被測目標相對於所述雷射器及所述第一光電接收器的相對運動速度，所述相對運動速度越大，所述相鄰脈衝時間間隔偏差容限也越大。優選地，所述回波雷射脈衝中包含所述被測目標的特徵信息。優選地，所述被測目標的特徵信息包括被測目標的大小、距所述雷射器及所述第一光電接收器的距離、運動速度、加速度、反射率、反射率分布及相對反射率分布。優選地，步驟S2中，利用第一光電轉換器將所述回波雷射脈衝和所述光噪聲轉換為相應的電信號，且所述回波雷射脈衝通過光學天線及窄帶濾波器處理後，再會聚到第一光電轉換器進行轉換；所述參考雷射脈衝進入第二光電轉換器轉換為相應的參考信號。優選地，根據所述第一光電轉換器、所述窄帶濾波器及所述光學天線的特性參數，計算出所述回波雷射脈衝中單個脈衝的峰值功率及到達所述第一光電轉換器的時間，根據所述第二光電轉換器及所述分光鏡的特性參數計算出探測雷射脈衝從所述雷射器經所述被測目標反射到達所述第一光電轉換器所需的時間及接收到的每個所述回波雷射脈衝中單個脈衝的峰值功率與對應的所述探測雷射脈衝中單個脈衝的峰值功率的比值，經過處理得到被測目標的特徵信息。(三)有益效果上述技術方案具有如下優點本發明的基於密集脈衝的雷射探測方法，與傳統的時間相關光探測技術相比，探測距離只受脈衝組間隔的限制，不受密集脈衝時間間隔的限制，因此，在相同的時間內，可實現多 個密集脈衝的相關運算，從而大幅度節省了探測時間；另外，由於組內的密集脈衝時間相關不是採用簡單的脈衝ー個個疊加的方式，而是每ー組作為ー個整體進行相關，這樣提高了運算的靈活性，可以使探測到的回波信號與參考脈衝信號進行互相關，也可以對回波信號進行鎖相、外差放大等處理，以最大限度的提高信噪比，降低最小可探測光功率。
圖I為本發明的方法流程圖；圖2為基於本發明的雷射探測方法的一種實現方式的探測裝置示意圖；圖3為基於本發明的雷射探測方法的一種實現方式的脈衝分布示意圖；圖4為基於本發明的雷射探測方法被測目標相對反射率表面分布的裝置示意圖；圖5為基於本發明的雷射探測方法被測目標相對反射率表面分布的脈衝分布示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進ー步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。下面參照圖I、圖2和圖3描述本發明基於密集脈衝的雷射探測方法，雷射器向目標發射的探測雷射脈衝不是持續發射，而是分組發射，探測雷射脈衝之間的時間間隔可以相等也可以不相等，被測目標可以為合作目標也可以為非合作目標，被測目標相對於所述雷射器及所述第一光電接收器的距離可以未知，適用於快速運動目標的探測，且不受大氣瑞流的影響。圖I為本發明所述基於密集脈衝的雷射探測方法的流程圖，本發明基於密集脈衝的雷射探測方法包括三個步驟SI、探測信號發生器控制雷射器向被測目標發射分組探測雷射脈衝，其中，探測雷射脈衝的組數大於或等於I。S2、第一光電轉換器接收探測雷射脈衝經被測目標反射後的回波雷射脈衝及周圍環境光形成的光噪聲，並將回波雷射脈衝和光噪聲轉換為對應的電信號，回波雷射脈衝中包含被測目標的信息；S3、信號處理器對第一光電轉換器轉換的電信號進行處理依據密集脈衝中各脈衝之間的時間間隔檢測出回波雷射脈衝對應的回波電脈衝，並確定與每個回波電脈衝對應的探測雷射脈衝，根據回波電脈衝得到被測目標的信息；其中，每ー組探測雷射脈衝中包含時間間隔小於光從雷射器經被測目標反射到達第一光電轉換器所需時間的多個雷射脈衝，所述多個雷射脈衝形成ー組密集脈衝。相鄰兩組密集脈衝之間的時間間隔均相同，或者部分相鄰兩組密集脈衝之間的時間間隔相同，或者所有相鄰兩組密集脈衝之間的時間間隔均不相同。每ー組密集脈衝內，相鄰雷射脈衝之間的時間間隔均相同，或者部分相鄰雷射脈衝之間的時間間隔相同，或者所有相鄰雷射脈衝之間的時間間隔均不相同。每ー組密集脈衝中包含的雷射脈衝的個 數均相同，或者部分組的密集脈衝中包含的雷射脈衝的個數相同，或者每ー組密集脈衝中包含的雷射脈衝的個數均不相同。每ー組密集脈衝內每個雷射單脈衝的能量均相同，或者部分雷射單脈衝的能量相同，或者每ー個雷射單脈衝的能量均不相同。基於本發明所述基於密集脈衝的雷射探測方法的一種實現方式的探測裝置示意圖如圖2所示,相應的脈衝分布示意圖如圖3所示。按照圖I中給出的步驟，圖2中探測信號發生器I依據圖3中12所示的探測脈衝信號形式控制雷射器2發射分組探測雷射脈衝3，同時向信號處理器9發出包含探測雷射脈衝時間間隔信息的參考信號，雷射器2中可以包含發射光學天線，用來減小探測雷射的發散角，圖3中探測脈衝信號12中每ー組探測脈衝Gi包含多個時間間隔小於光從雷射器2經被測目標4反射到達第一光電轉換器8所需時間的脈衝Cp形成ー組密集脈衝11，一次探測時，探測雷射脈衝3可以是ー組密集脈衝，也可以是多組密集脈衝，探測脈衝3為多組密集脈衝時，每ー組密集脈衝內包含的雷射脈衝的個數可以均相同，也可以部分組的密集脈衝內包含的雷射脈衝的個數相同，也可以每ー組密集脈衝內包含的雷射脈衝的個數均不相同；相鄰兩組密集脈衝的時間間隔AGi可以均相同，也可以部分鄰兩組密集脈衝的時間間隔AGi相同，也可以所有相鄰兩組密集脈衝的時間間隔AGi均不相同；每ー組密集脈衝Gi內，相鄰兩個雷射脈衝之間的時間間隔ACj可以均相同，也可以部分相鄰兩個雷射脈衝之間的時間間隔Λ _相同，也可以所有相鄰兩個雷射脈衝之間的時間間隔Λ _均不相同；另外，每ー組密集脈衝內，每個雷射單脈衝的能量可以均相同，或者部分雷射單脈衝能量相同，或者每ー個雷射單脈衝的能量均不相同；對於探測脈衝3是多組密集脈衝的情況，雷射器2向被測目標4發射ー組密集脈衝，第一光電轉換器8接收到對應的回波雷射脈衝後，雷射器2再向被測目標4發射下ー組密集脈衝。探測雷射脈衝3經圖2中被測目標4反射後，回波雷射脈衝5通過光學天線6及窄帶濾波器7後，會聚到光電轉換器8，同時，外界環境中產生的光噪聲51也會聚到光電轉換器8，如果回波雷射脈衝5的光功率密度足夠大，不需要光學天線6對回波雷射脈衝5進行會聚，光電轉換器8也能正常探測回波雷射脈衝5，則光學天線6可以去掉；如果在光電轉換器8的響應光譜範圍內，回波雷射脈衝5的光功率遠大於環境光噪聲51的光功率,或在回波雷射脈衝5的光譜範圍以外,環境光噪聲51的光功率很低，則窄帶濾波器7可以去掉；可見，光學天線6和窄帶濾波器7使用與否要根據實際情況確定。光電轉換器8將光信號(回波雷射脈衝和光噪聲)轉換為電信號後交由信號處理器9進行處理，信號處理器9根據探測信號發生器I給出的探測雷射脈衝之間的時間間隔，並預估被測目標4相對於所述雷射器及所述第一光電接收器的相對運動速度，根據相對運動速度的大小，確定相鄰脈衝時間間隔偏差容限，進而判斷光電轉換器8轉換後的電信號中的回波電脈衝，並確定與每個回波電脈衝對應的探測雷射脈衝，具體步驟為對於所轉換的電信號中，滿足相鄰電脈衝之間的時間間隔與參考信號提供的對應相鄰探測雷射脈衝之間的時間間隔之差小於或等於相鄰脈衝時間間隔偏差容限的電脈衝為回波電脈衝；若發射的探測雷射密集脈衝中，各個雷射脈衝的時間間隔相等，則可以依據發射和接收的時間順序來確定與回波電脈衝所對應的探測雷射脈衝，當然，也可以根據回波電脈衝間的時間間隔信息確定每個回波電脈衝對應的探測雷射脈衝，譬如可以先確定首尾兩個回波電脈衝對應的探測雷射脈衝，然後根據其他回波電脈衝與這兩個回波電脈衝之間的時間間隔來確定其他回波電脈衝對應的探測雷射脈衝；對於密集脈衝中，各個脈衝之間的時間間隔不相等的情況，當然也可以依據發射和 接收的時間順序來確定與回波電脈衝所對應的探測雷射脈衝，也可以根據回波電脈衝間的時間間隔信息確定每個回波電脈衝對應的探測雷射脈衝，這時由於相鄰回波電脈衝之間的時間間隔不同，因此，直接根據相鄰回波電脈衝的時間間隔就可以確定所對應的探測雷射脈衝。顯然，不能判斷為回波電脈衝的電脈衝要麼為外界環境產生的光噪聲51引起的電脈衝信號，要麼為電路本身產生的電噪聲，可以不予理會。由於回波雷射脈衝5中含有被測目標4的信息，將回波雷射脈衝5對應的電脈衝進行處理，得到圖2中被測目標4的信息，由顯示器10顯示出來。下面以測量被測目標表面相對反射率分布為例，闡述本發明所述基於密集脈衝的雷射探測方法。本實施例並不用以局限本發明。凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換等，均應包含在本發明的保護範圍之內。利用本發明所述基於密集脈衝的雷射探測方法被測目標的相對反射率分布的裝置示意圖參考圖4，相應的基於本發明所述基於密集脈衝的雷射探測方法測量目標表面相對反射率分布的脈衝分布示意圖參考圖5，被測目標4相對於探測點靜止。圖4中探測信號發生器I控制圖4中雷射器2依照圖5中14所示的脈衝信號形式發射ー組雷射密集脈衝。本實施例中，對每一點的每一次探測採用一組雷射密集脈衝，其中包含六個相鄰時間間隔很小於光從雷射器2經被測目標4反射到達第一光電轉換器8所需要的時間的雷射脈衝，分別為和C6，相鄰脈衝之間的時間間隔相等，均為AC，每個雷射脈衝的單脈衝能量相等，圖4中的雷射器2發射形如圖5中14的雷射脈衝序列，經分光鏡11』後分成探測雷射脈衝3和參考雷射脈衝12，探測雷射脈衝3經圖4中被測物體4反射後，回波雷射脈衝5通過光學天線6及窄帶濾波器7進入光電轉換器8，所述回波雷射脈衝5的脈衝分布如圖5中15所示，和探測雷射脈衝分布14相對應，每ー組回波雷射脈衝G』包含6個雷射脈衝，分別為C』いC』 2、C』 3、C』 4、C』 5和C』 6，相鄰兩雷射脈衝之間的間隔，也為AC，回波雷射脈衝5進入光電轉換器8的同時，周圍環境中產生的光噪聲51也通過光學天線6及窄帶濾波器7進入光電轉換器8,光電轉換器8將光信號轉換為電信號後交由信號處理器9進行處理；參考雷射脈衝12進入參考光電轉換器13』，轉換為電信號後進入信號處理器9進行處理，由於預先知道分光鏡11』的分光比，那麼由參考雷射脈衝12的強度就可以推知探測雷射脈衝3的強度在信號處理器9中，對參考雷射脈衝12在參考光電轉換器13』中轉換的六個電脈衝的強度進行判斷，依據參考光電轉換器13』的特性參數得到每個參考雷射脈衝的峰值功率(Jeff Hecht著.賈東方等譯.光纖光學[M]，北京人民郵電出版社，2004，333-338)，將參考雷射脈衝12中的6個參考雷射脈衝的峰值功率計算平均值，得到單個光脈衝的平均峰值功率，由此，再根據分光鏡11』的分光比得到探測雷射脈衝3中單個脈衝的平均峰值功率。
對於光電轉換器8輸出的電信號，信號處理器9結合探測信號發生器I給出的參考信號(也可以替換為參考雷射脈衝12)對光電轉換器8傳入的電脈衝信號之間的時間間隔進行計算對比，當光電轉換器8傳入的電脈衝信號的時間間隔和參考信號脈衝之間的時間間隔相等，即和探測雷射脈衝3的脈衝時間間隔相等時，則對應的電脈衝信號就是回波雷射脈衝5轉換的電脈衝信號，相應地，脈衝時間間隔和參考信號不相等的就是周圍環境產生的光噪聲51對應的電脈衝或電路本身的電噪聲，應當注意，本實施例中，由於在探測過程中，探測裝置(包括圖4中被測目標4左側的所有裝置)和被測目標之間的相對距離不發生變化，所以，回波雷射脈衝5的脈衝時間間隔和參考信號的脈衝時間間隔相等，如果目標是運動的話，則會稍微有所差別。將回波雷射脈衝5對應的電脈衝信號確定出來後，信號處理器9根據光電轉換器8輸入的電信號的強 度、光電轉換器8的光電轉換特性參數，計算得到入射到光電轉換器8的光脈衝的峰值功率(Jeff Hecht著.賈東方等譯.光纖光學[M]，北京人民郵電出版社，2004，333-338)，然後依據入射到光電轉換器8的光脈衝的峰值功率、窄帶濾波器7的透過率及由於窄帶濾波器7具有的一定透射光譜範圍而引入的背景光噪聲的大小計算得到入射到窄帶濾波器7的回波雷射脈衝5的峰值功率。光學天線6對光具有匯聚作用，用於增強進入光電轉換器8的光信號，其接收孔徑、透過率及接收角度範圍對匯聚作用都有影響，根據這些參量，可以由進入窄帶濾光器7的雷射脈衝峰值功率反推得到入射光學天線6的雷射脈衝峰值功率(毛登森，張記龍.微弱雷射輻射探測技術在雷射告警設備中的應用[J].測試技術學報，2004，18 (4) :373-376)，再對所有的六個脈衝的峰值功率進行平均，得到回波雷射脈衝單個脈衝的平均峰值功率，與探測雷射脈衝的單個脈衝的平均峰值功率比對，即可得到被測目標4的對應探測點的相對反射率，由於本實施例的目的是測量目標的相對反射率分布，因此，只要調整入射光的位置，在於紙面垂直的平面內對被測目標4掃描，就可以得到被測目標4的表面相對反射率分布特性，由顯示器10顯示出來。本發明所述的基於密集脈衝的雷射探測方法，與傳統的時間相關光探測技術相比，探測距離只受脈衝組間隔的限制，不受密集脈衝時間間隔的限制，因此，在相同的時間內，可實現多個密集脈衝的相關運算，從而大幅度節省了探測時間；另外，由於組內的密集脈衝時間相關不是採用簡單的脈衝ー個ー個疊加的方式，而是每一組作為一個整體進行相關，這樣提高了運算的靈活性，可以使探測到的回波信號與參考脈衝信號進行互相關，也可以對回波信號進行鎖相、外差放大等處理，以最大限度的提高信噪比，降低最小可探測光功率，脈衝串雷射測距技術中使用了 3個脈衝作為ー個脈衝串，本發明提出的方法中完全可以使用4個及4個以上的雷射脈衝作為ー組密集脈衝。本發明所述的基於密集脈衝的雷射探測方法，與傳統的光外差探測技術相比，具有可操作性強，可在大氣中應用的優點，傳統的光外差探測技術，對回波光的頻率、相位、偏振狀態依賴較強，系統調整精度要求高，可操作性差，考慮到雷射在大氣中傳輸吋，大氣湍流效應會嚴重影響雷射的相干性，因此，光外差檢測的方法在大氣中應用是受限制的。本發明所述的基於密集脈衝的雷射探測方法，先進行光電轉換，然後再對電信號進行外差處理，同樣具有外差放大作用，但對光的相干性不再做要求，因此，可以用於大氣中目標的探測。本發明所述的基於密集脈衝的雷射探測方法，與人造衛星雷射測距技術中高重頻雷射測距相比，不需要預知被測目標和測量點(可以認為是所述雷射器及所述第一光電接收器)之間的計算距離，也就是並不需要對被測目標的距離進行估算，可以直接使用本發明所提出的方法對目標測距，拓寬了測距應用範圍，特別是對於未知距離的目標進行測距，人造衛星雷射測距中的高重頻雷射測距方法是無法使用的，而本發明提出的基於密集脈衝的雷射測距方法可正常使用。 以上所述僅是本發明的優選 實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種基於密集脈衝的雷射探測方法，其特徵在於，包括以下步驟 51、探測信號發生器控制雷射器向被測目標發射分組探測雷射脈衝，其中，所述探測雷射脈衝的組數大於或等於I; 52、第一光電轉換器接收所述探測雷射脈衝經所述被測目標反射後的回波雷射脈衝及由環境光形成的光噪聲，並將所述回波雷射脈衝和所述光噪聲轉換為相應的電信號； 53、對所轉換的電信號進行處理，檢測出所述回波雷射脈衝對應的回波電脈衝，並確定與每個所述回波電脈衝對應的所述探測雷射脈衝，依據所述回波電脈衝得到所述被測目標的信息； 其中，每ー組探測雷射脈衝中包含時間間隔小於光從雷射器經被測目標反射到達第一光電轉換器所需時間的多個雷射脈衝，相鄰所述雷射脈衝之間的時間間隔不固定，所述多個雷射脈衝形成ー組密集脈衝。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，步驟SI中，所述雷射器向所述被測目標一次發射ー組所述密集脈衝，步驟S3中，所述第一光電轉換器接收到所述回波雷射脈衝後，所述雷射器再向所述被測目標發射下一組所述密集脈衝。
3.如權利要求I所述的方法，其特徵在幹，步驟SI中，所述探測信號發生器在控制所述雷射器在發出探測雷射脈衝的同吋，還向執行步驟S3的信號處理器發出包含所述密集脈衝中各脈衝間時間間隔信息的參考信號；或者 步驟SI中，所述雷射器發出雷射脈衝，經分光鏡分開，一部分射向被測目標，形成所述探測雷射脈衝，一部分作為參考雷射脈衝，所述參考雷射脈衝經第二光電轉換器後形成所述參考信號，交由所述信號處理器處理。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，步驟S3具體為對於所轉換的電信號中，滿足相鄰電脈衝之間的時間間隔與所述參考信號提供的對應相鄰探測雷射脈衝之間的時間間隔之差小於或等於相鄰脈衝時間間隔偏差容限的電脈衝為回波電脈衝；依據發射和接收的時間順序或所述回波電脈衝間的時間間隔信息確定每個所述回波電脈衝對應的所述探測雷射脈衝。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述相鄰脈衝時間間隔偏差容限取決於所述被測目標相對於所述雷射器及所述第一光電接收器的相對運動速度，所述相對運動速度越大，所述脈衝時間間隔偏差容限也越大。
6.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述回波雷射脈衝中包含所述被測目標的特徵信息。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述被測目標的特徵信息包括被測目標的大小、距所述雷射器及所述第一光電接收器的距離、運動速度、加速度、反射率、反射率分布及相對反射率分布。
8.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，步驟S2中，利用所述第一光電轉換器將所述回波雷射脈衝和所述光噪聲轉換為相應的電信號，且所述回波雷射脈衝通過光學天線及窄帶濾波器處理後，再會聚到所述第一光電轉換器進行轉換；所述參考雷射脈衝進入第二光電轉換器轉換為相應的參考信號。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，根據所述第一光電轉換器、所述窄帶濾波器及所述光學天線的特性參數，計算出所述回波雷射脈衝中單個脈衝的峰值功率及到達所述第一光電轉換器的時間，根據所述第二光電轉換器及所述分光鏡的特性參數計算出探測雷射脈衝從所述雷射器經所述被測目標反射到達所述第一光電轉換器所需的時間及接收到的每個所述回波雷射脈衝中單個脈衝的峰值功率與對應的所述探測雷射脈衝中單個脈衝的峰值功率 的比值，經過處理得到被測目標的特徵信息。
全文摘要
本發明涉及雷射探測領域，公開了一種基於密集脈衝的雷射探測方法，包括步驟雷射器向被測目標發射分組探測雷射脈衝，探測雷射脈衝的組數大於或等於1，每組探測雷射脈衝中包含密集的多個脈衝；第一光電轉換器接收探測雷射脈衝經被測目標反射後的回波雷射脈衝及周圍環境光噪聲，並將回波雷射脈衝和光噪聲轉換為相應的電信號，回波雷射脈衝中包含被測目標的信息；信號處理器對探測單元轉換的電信號進行處理，依據密集脈衝之間的時間間隔凸顯回波雷射脈衝對應的電信號，抑制光噪聲對應的電信號及電路本身產生的電噪聲，並根據回波雷射脈衝對應的電信號得到被測目標的信息。本發明的方法可以抑制噪聲、凸顯信號，提高信噪比及降低最小可探測光功率。
文檔編號G01S7/483GK102692622SQ201210170169
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月28日 優先權日2012年5月28日
發明者劉歡, 鞏馬理, 張海濤, 柳強, 王巍, 王濤, 閆平, 黃磊 申請人:清華大學