專利名稱：單光子探測3d紫外脈沖激光成像雷達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光雷達(dá)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
現(xiàn)有的連續(xù)波激光成像雷達(dá)或脈沖激光成像雷達(dá)，一般都采用高增益雪崩光電二極管APD、具有像增強(qiáng)器的圖像探測器(Intensified CCDs，ICCD)等作為成像探測器件，該類成像探測器件具有很高的探測靈敏度，響應(yīng)速度快，但這些器件缺少擬制陽光背景噪聲的功能，器件本身噪聲大，因此不能全天候工作，系統(tǒng)整體探測靈敏度低，探測距離小。


發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的連續(xù)波激光成像雷達(dá)或脈沖激光成像雷達(dá)缺少抑制陽光背景噪聲的能力，系統(tǒng)整體探測靈敏度低，探測距離小的問題，本發(fā)明提供一種單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 一種單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)由光學(xué)發(fā)射天線、紫外脈沖調(diào)制激光器、同步脈沖控制電路、時鐘信號源、延遲電路、增益函數(shù)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)、MAMA紫外單光子探測器和光學(xué)接收天線組成，時鐘信號源的時鐘信號輸出端與同步脈沖控制電路的時鐘信號輸入端相連，所述同步脈沖控制電路的驅(qū)動脈沖信號輸出端與紫外脈沖調(diào)制激光器的驅(qū)動脈沖信號輸入端相連，所述同步脈沖控制電路的延遲控制信號輸出端和延遲電路的控制信號輸入端相連，紫外脈沖調(diào)制激光器發(fā)射的激光脈沖光信號由紫外脈沖調(diào)制激光器的光輸出端輸入到光學(xué)發(fā)射天線的光輸入端，光學(xué)接收天線接收到的激光回波脈沖信號由光學(xué)接收天線的光輸出端到MAMA紫外單光子探測器的光輸入端，延遲電路的延遲信號輸出端與增益函數(shù)發(fā)生器的延遲信號輸入端相連，所述增益函數(shù)發(fā)生器的兩個增益信號輸出端分別與MAMA紫外單光子探測器的兩個增益信號輸入端相連，所述MAMA紫外單光子探測器的信號輸出端與計(jì)算機(jī)的串口通信輸入端相連。
本發(fā)明的單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)工作于紫外波段，本發(fā)明采用一種具有日盲特性的多陽極微通道陣列(multianode microchannelarray，MAMA)的紫外單光子探測器，簡稱MAMA紫外單光子探測器作為激光探測器件，該MAMA紫外單光子探測器與APD、ICCD一樣，具有內(nèi)部增益，且靈敏度高、增益可調(diào)，并且MAMA紫外單光子探測器有不響應(yīng)日照光譜輻射的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的日盲特性和極強(qiáng)的擬制可見光背景能力，因此本發(fā)明的單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)可以全天候工作，具有探測靈敏度高、探測距離大、測距精度高、抗陽光背景噪聲能力好的優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)弱光單光子探測。



圖1是本發(fā)明的雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是具體實(shí)施方式
二中所述的MAMA紫外單光子探測器的結(jié)構(gòu)框圖，圖3是具體實(shí)施方式
一中所述的單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)的成像過程中激光發(fā)射脈沖、激光回波脈沖和增益信號的時序圖。

具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、參見圖1說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式所述的單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)由光學(xué)發(fā)射天線1、紫外脈沖調(diào)制激光器2、同步脈沖控制電路3、時鐘信號源4、延遲電路5、增益函數(shù)發(fā)生器6、計(jì)算機(jī)7、MAMA紫外單光子探測器8和光學(xué)接收天線9組成，時鐘信號源4的時鐘信號輸出端與同步脈沖控制電路3的時鐘信號輸入端相連，所述同步脈沖控制電路3的驅(qū)動脈沖信號輸出端與紫外脈沖調(diào)制激光器2的驅(qū)動脈沖信號輸入端相連，所述同步脈沖控制電路3的控制信號輸出端和延遲電路5的控制信號輸入端相連，紫外脈沖調(diào)制激光器2發(fā)射的激光脈沖信號由紫外脈沖調(diào)制激光器2的光輸出端輸入到光學(xué)發(fā)射天線1的光輸入端，光學(xué)接收天線9接收到的激光回波脈沖信號由光學(xué)接收天線9的光輸出端到MAMA紫外單光子探測器8的光輸入端，延遲電路5的延遲信號輸出端與增益函數(shù)發(fā)生器6的延遲信號輸入端相連，所述增益函數(shù)發(fā)生器6的兩個增益信號輸出端分別與MAMA紫外單光子探測器8的兩個增益信號輸入端相連，所述MAMA紫外單光子探測器8的信號輸出端與計(jì)算機(jī)7的串口通信輸入端相連。
參見圖3說明本實(shí)施方式所述的單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)的成像過程，具體過程為 紫外脈沖調(diào)制激光器2在同步脈沖控制電路3輸出的驅(qū)動脈沖作用下發(fā)射出的激光脈沖經(jīng)光學(xué)發(fā)射天線1整形后發(fā)射出去，在紫外脈沖調(diào)制激光器2的第一個激光脈沖周期T內(nèi)，通過增益函數(shù)發(fā)生器6發(fā)出的增益信號控制MAMA紫外單光子探測器8的增益為固定增益G0，在t1時間段內(nèi)光學(xué)接收天線9將接收到的激光回波脈沖匯聚到MAMA紫外單光子探測器8的光輸入端，MAMA紫外單光子探測器8輸出第一幅回波光脈沖的強(qiáng)度像，經(jīng)延遲電路5適當(dāng)時間延遲后，在t2時間段內(nèi)，即沒有激光回波脈沖的情況下，MAMA紫外單光子探測器8輸出第二幅強(qiáng)度像；在紫外脈沖調(diào)制激光器2的下一個激光脈沖發(fā)射周期T內(nèi)，通過增益函數(shù)發(fā)生器6發(fā)出的增益信號控制MAMA紫外單光子探測器8的增益為與距離有關(guān)的調(diào)制函數(shù)M＝G(r)，在t3時間段內(nèi)光學(xué)接收天線9將接收到的激光回波脈沖匯聚到MAMA紫外單光子探測器8的光輸入端，MAMA紫外單光子探測器8輸出第三幅回波光脈沖強(qiáng)度像，經(jīng)延遲電路5適當(dāng)時間延遲，在t4時間段內(nèi)，即沒有激光回波脈沖的情況下，MAMA紫外單光子探測器8輸出第四幅強(qiáng)度像，以上四幅強(qiáng)度像經(jīng)計(jì)算機(jī)7數(shù)據(jù)處理，即可獲得目標(biāo)的兩維輪廓強(qiáng)度像和一維距離像。
本實(shí)施方式中所述紫外脈沖調(diào)制激光器2可采用如下技術(shù)參數(shù)

由于所述紫外脈沖調(diào)制激光器2工作在紫外波段，所述MAMA紫外單光子探測器8不響應(yīng)日照光譜輻射，并且具有紫外敏感特性和極強(qiáng)的抑制背景光的能力，所以所述單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)可以全天候工作，所述單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)的靈敏度高，探測距離大，易于實(shí)現(xiàn)弱光單光子探測。
對獲得的上述四幅圖像的處理過程 將MAMA紫外單光子探測器8輸出第一幅和第二幅強(qiáng)度像的強(qiáng)度分別記為I1和I2，兩次獲得的測量值為 I1＝(Ib+ρIpulse)G0+Id1， I2＝IbG0+Id1， 上面兩式中Ib為背景光強(qiáng)，ρ為激光脈沖經(jīng)目標(biāo)反射后的系數(shù)，Ipulse是激光脈沖光強(qiáng)，Id1是其余光強(qiáng)噪聲及在增益G0條件下的器件暗噪聲，I1減去I2得到等式一 I1-I2＝ρIpulseG0， 將MAMA紫外單光子探測器8輸出的第三幅和第四幅強(qiáng)度像的強(qiáng)度分別記為I3和I4，其中 上面兩式中R是測量最大距離，Id2是該工作條件下的其余光強(qiáng)噪聲和器件暗噪聲。I3減去I4得到等式二 I3-I4＝ρIpulseG(r)； 由等式一和等式二，可以得到 所以得到等式三 根據(jù)等式三可知，已知MAMA紫外單光子探測器8的固定增益和四次光強(qiáng)測量差商值就能求出該目標(biāo)點(diǎn)的距離，從而經(jīng)處理得到距離圖像。
具體實(shí)施方式
二、參見圖2說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式
一所述的單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)中的MAMA紫外單光子探測器8的進(jìn)一步限定。所述MAMA紫外單光子探測器8由光電陰極8-1、微通道陣列8-2、陽極陣列8-3、電荷放大器一8-4、電荷放大器二8-5、電荷放大器三8-6、電荷放大器四8-7、解碼電路一8-8、解碼電路二8-9和存儲器8-10組成，沿信號輸入方向依次放置光電陰極8-1、微通道陣列8-2和陽極陣列8-3，所述光電陰極8-1的中心點(diǎn)、微通道陣列8-2中心點(diǎn)和陽極陣列8-3中心點(diǎn)在同一直線上，并且所述光電陰極8-1、微通道陣列8-2和陽極陣列8-3相互平行，所述陽極陣列8-3的四個信號輸出端分別與電荷放大器一8-4的信號輸入端、電荷放大器二8-5的信號輸入端、電荷放大器三8-6的信號輸入端和電荷放大器四8-7的信號輸入端相連，所述電荷放大器一8-4的信號輸出端和電荷放大器二8-5的信號輸出端分別與解碼電路一8-8的兩個信號輸入端相連，電荷放大器三8-6的信號輸出端和電荷放大器四8-7的信號輸出端分別與解碼電路二8-9的兩個信號輸入端相連，所述解碼電路一8-8的信號輸出端和解碼電路二8-9的信號輸出端分別與存儲器8-10的兩個信號輸入端相連，所述存儲器8-10的信號輸出端是MAMA紫外單光子探測器8的信號輸出端，此信號輸出端與計(jì)算機(jī)7的串口通信輸入端相連。
本實(shí)施方式中所述光電陰極8-1接收光學(xué)接收天線9輸出的激光回波脈沖信號，吸收光子并轉(zhuǎn)換為光電子，光電子進(jìn)入微通道陣列8-2放大后，再輸出給陽極陣列8-3，微通道陣列8-2的前表面(光電子輸入面)和后表面(光電子輸出面)分別接有電極，此電極是實(shí)施方式一中所述MAMA紫外單光子探測器8的兩個增益信號輸入端。
本實(shí)施方式中所述的陽極陣列8-3為二維陣列。
本實(shí)施方式中所述MAMA紫外單光子探測器8可采用如下技術(shù)參數(shù) 象元模塊1024×1024 象元尺寸25×25μm2 陽極陣列有效面積25.6×25.6mm2 有效面積MCP 27×27mm2 MCP孔徑 12μm 放大器數(shù)目 133(132+1) 光電陰極材料Cs2Te 響應(yīng)波長/nm 165～310 陽極陣列電位+150V MCP輸出面電極電位 0伏 MCP輸入面電極電位 G0～-2000伏，由增益信號G(r)決定 光電陰極電位-3000伏
權(quán)利要求
1、一種單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)，其特征在于所述單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)由光學(xué)發(fā)射天線(1)、紫外脈沖調(diào)制激光器(2)、同步脈沖控制電路(3)、時鐘信號源(4)、延遲電路(5)、增益函數(shù)發(fā)生器(6)、計(jì)算機(jī)(7)、MAMA紫外單光子探測器(8)和光學(xué)接收天線(9)組成，時鐘信號源(4)的時鐘信號輸出端與同步脈沖控制電路(3)的時鐘信號輸入端相連，所述同步脈沖控制電路(3)的驅(qū)動脈沖信號輸出端與紫外脈沖調(diào)制激光器(2)的驅(qū)動脈沖信號輸入端相連，所述同步脈沖控制電路(3)的延遲控制信號輸出端和延遲電路(5)的控制信號輸入端相連，紫外脈沖調(diào)制激光器(2)發(fā)射的激光脈沖光信號由紫外脈沖調(diào)制激光器(2)的光輸出端輸入到光學(xué)發(fā)射天線(1)的光輸入端，光學(xué)接收天線(9)接收到的激光回波脈沖信號由光學(xué)接收天線(9)的光輸出端到MAMA紫外單光子探測器(8)的光輸入端，延遲電路(5)的延遲信號輸出端與增益函數(shù)發(fā)生器(6)的延遲信號輸入端相連，所述增益函數(shù)發(fā)生器(6)的兩個增益信號輸出端分別與MAMA紫外單光子探測器(8)的兩個增益信號輸入端相連，所述MAMA紫外單光子探測器(8)的信號輸出端與計(jì)算機(jī)(7)的串口通信輸入端相連。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)，其特征在于所述MAMA紫外單光子探測器(8)由光電陰極(8-1)、微通道陣列(8-2)、陽極陣列(8-3)、電荷放大器一(8-4)、電荷放大器二(8-5)、電荷放大器三(8-6)、電荷放大器四(8-7)、解碼電路一(8-8)、解碼電路二(8-9)和存儲器(8-10)組成，沿激光回波脈沖信號輸入方向依次放置光電陰極(8-1)、微通道陣列(8-2)和陽極陣列(8-3)，所述光電陰極(8-1)的中心點(diǎn)、微通道陣列(8-2)中心點(diǎn)和陽極陣列(8-3)中心點(diǎn)在同一直線上，并且所述光電陰極(8-1)、微通道陣列(8-2)和陽極陣列(8-3)相互平行，所述微通道陣列(8-2)前表面的電極和后表面的電極是MAMA紫外單光子探測器(8)的兩個增益信號輸入端，陽極陣列(8-3)的四個信號輸出端分別與電荷放大器一(8-4)的信號輸入端、電荷放大器二(8-5)的信號輸入端、電荷放大器三(8-6)的信號輸入端和電荷放大器四(8-7)的信號輸入端相連，所述電荷放大器一(8-4)的信號輸出端和電荷放大器二(8-5)的信號輸出端分別與解碼電路一(8-8)的兩個信號輸入端相連，電荷放大器三(8-6)的信號輸出端和電荷放大器四(8-7)的信號輸出端分別與解碼電路二(8-9)的兩個信號輸入端相連，所述解碼電路一(8-8)的信號輸出端和解碼電路二(8-9)的信號輸出端分別與存儲器(8-10)的兩個信號輸入端相連，所述存儲器(8-10)的信號輸出端是MAMA紫外單光子探測器(8)的信號輸出端。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)，其特征在于所述陽極陣列(8-3)是二維陣列。
全文摘要
單光子探測3D紫外脈沖激光成像雷達(dá)，它屬于激光雷達(dá)領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有激光雷達(dá)缺少抑制陽光背景噪聲的能力，系統(tǒng)整體探測靈敏度低，探測距離小的問題。本發(fā)明由光學(xué)發(fā)射天線、紫外脈沖調(diào)制激光器、同步脈沖控制電路、時鐘信號源、延遲電路、增益函數(shù)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)、MAMA紫外單光子探測器和光學(xué)接收天線組成，其中紫外脈沖調(diào)制激光器在同步脈沖控制電路的驅(qū)動脈沖的作用下發(fā)出紫外波段的激光脈沖信號，此信號輸入到光學(xué)發(fā)射天線，激光回波脈沖信號由光學(xué)接收天線的光輸出端到MAMA紫外單光子探測器的光輸入端，增益函數(shù)發(fā)生器的兩個增益信號輸出端分別與MAMA紫外單光子探測器的兩個增益信號輸入端相連。
文檔編號G01S17/89GK101609153SQ20091007251
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月16日
發(fā)明者龍 吳, 遠(yuǎn) 趙, 劉麗萍, 宇 張, 孫秀冬, 杰 吳, 陳鍾賢 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)