专利名称：多孔径的光信号探测系统及方法
技术领域：
本发明涉及光探測技术领域，特别涉及ー种多孔径的光信号探测系统及方法。
背景技术：
随着APD (Avalanche Photo Diode,雪崩光电ニ极管)、光电倍增管等光探测器件的快速发展，以及时间相关光探測技术的发展和应用，现有的光探测技术可以对非常微弱的光信号进行探測。利用APD或光电倍增管对光信号采用直接探測的方式要求外界背景光相对于信号光非常微弱，即要有较高的信噪比。以脉冲光信号探测为例，利用直接检测的方式通常要求信噪比大于5，利用时间相关技术可以降低对探测信号信噪比的要求，提高探測 灵敏度，但这种技术不适合于探测快速运动的目标，当目标运动时，參与相关的各个信号脉冲的相关度会下降，相关效果会降低，且目标运动速度越快，相关效果越差，当由于目标运动引起的两个信号脉冲之间的时间差大于脉冲本身的时间宽度时，将无法进行时间相关。以激光测距为例，传统的普通激光测距系统100'如图I所示，图中测距激光器11发出的激光12经被测目标装置13漫反射后的光14进入激光测距系统前端的接收天线15，接收天线15将漫反射光14汇聚到探測器16上，经探测器16完成光电转换，转换后的电信号在信号处理单元17中对比信号激光的发射和接收时刻经历的时间差，由此得出被测目标与激光测距系统的距离，并由显示器18显示测距結果。当目标装置与激光测距系统较远，且背景光较强时，进入接收天线19中的光会非常弱，可能完全淹没在背景光噪声中，此时，利用图I所示的激光测距系统不能将信号光从背景光中分开，也就无法判断信号光到达的时间，因此无法进行测距；对于静止或运动速度慢的目标，可以采用时间相关的方法提高信噪比，将信号光从背景光中提取出来，但对于高速运动的目标，由于信号激光调制频率会随着目标运动速度的变化而变化，且回波信号激光的时间相关运算取决于信号激光的调制频率，这就导致目标运动速度越快，回波信号激光的调制频率改变越大，时间相关性也就越差，当目标运动速度超过某ー值时，会使得激光回波失去相关性。由此可见，当前激光测距系统虽然能够对非常微弱的光信号进行探測，但是当外界背景光的噪声比较强时，信号会淹没在噪声里，无法正确提取，采用时间相关技术可以提高信噪比和降低最小可探測光功率，但当探测目标高速运动时，该方法的作用效果将会下降，探測目标运动速度达到某一值时，无法进行时间相关。

发明内容
本发明的目的g在至少解决上述技术缺陷之一，特别提出ー种多孔径的光信号探测系统及方法，可以抑制噪声、凸显信号，并且可以提高信噪比和降低最小可探測光功率。为达到上述目的，本发明第一方面提出ー种多孔径的光信号探测系统，包括多个探测单元，用于接收被测目标发射或反射的光信号，并对所述光信号进行光电转换以生成多路初始电信号，其中，每个所述探测単元包括一个探测器和对应的ー个光学接收天线，每个所述光学接收天线对应一个接收孔径，每个所述探测单元用于接收所述被测目标发射或反射的光信号，并对所述光信号进行光电转换以生成一路初始电信号，其中，所述初始电信号包括噪声信号和被测目标信号；以及信号处理单元，用于接收来自所述多个探测单元所述多路初始电信号，并对所述多路初始电信号进行处理以提取所述被测目标信号，以及根据所述被测目标信号获取所述被测目标的信息。根据本发明的多孔径的光信号探测系统，利用多个探测单元对被测目标发射或反射的光信号进行探测，并且利用信号处理单元对探测到的多路电信号进行处理，从而抑制背景光噪声、提取有用光信号，并且提高信噪比和降低最小可探测光功率，进而实现对低信噪比的光信号的探测。本发明第二方面提出了一种多孔径的光信号探测方法，包括以下步骤 采用多个探测单元对被测目标发射或反射的光信号同时进行探测；每个探测单元对探测到的所述光信号分别进行光电转换，并将转换后的电信号在信号处理单元中进行处理以提取所述被测目标信号；以及根据所述被测目标信号获取所述被测目标的信息，并由显示器显示。根据本发明的多孔径的光信号探测方法，可以抑制空间随机分布和均匀分布的噪声、凸显信号，并且可以提高信噪比和降低最小可探测光功率，从而实现对低信噪比的光信号的探测。此外，还可以用于对高速运动目标进行探测。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。


本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图I为传统的普通激光测距系统的示意图；图2为根据本发明实施例的含有探测光源的多孔径的光信号探测系统的示意图；图3为根据本发明实施例的不含探测光源的多孔径光信号探测系统的示意图；以及图4为根据本发明实施例的多孔径的光信号探测方法的流程图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此夕卜，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。下面参照图2和图3描述根据本发明第一方面实施例提出的多孔径的光信号探测系统。如图2所示，该多孔径的光信号探测系统100包括多个探测单元5和信号处理单元8。其中，多个探测单元5用于接收被测目标3发射或反射的光信号，并对光信号进行光电转换以生成多路初始电信号。每个探测单元5包括一个探测器7和一个光学接收天线6，每个光学接收天线6对应一个接收孔径，每个探测单元5用于接收被测目标3发射或反射的光信号，并对光信号进行光电转换以生成一路初始电信号，其中，初始电信号包括噪声信号和被测目标信号。信号处理单元8用于接收来自多个探测单元5的多路初始电信号，并对多路初始电信号进行处理，抑制噪声，凸显目标信号，以提取被测目标信号，以及根据被测目标信号获取被测目标3的信息。在本发明的一个实施例中，如图2所示，该多孔径的光信号探测系统100还包括探测光源1，用于向被测目标3发射探测光信号2。这样，多个探测单元5接收被测目标3在探测光源I照射下反射的回波光信号4，并对回波光信号4进行光电转换以生成多路初始电信号，其中，初始电信号包括噪声信号和被测目标信号。在本发明的一个实施例中，每个探测单元5中的探测器7相同。对应的光学接收天线6的大小、形状及摆放方式也相同。可以理解的是，在其他应用中，每个探测单元5中的探测器7可以不相同，而对应的光学接收天线6的大小、形状及摆放方式也可以不相同。进一步地，每个探测单元5中的一个光学接收天线6对应着一个接收孔径，不同的光学接收天线6对应着不同的接收孔径，多个探测单元5就对应着多个接收孔径，光学接收天线6用于接收来自被测目标3的反射回波光信号4，并将反射回波光信号4会聚于探测器7，多个位于不同空间位置的探测单元5同时接收回波光信号4，每个探测单元对回波光信号4进行光电转换以生成一路初始电信号，其中，初始电信号包括噪声信号和被测目标信号。此外，被测目标可以是单个目标，也可以是两个、三个或者多个目标。
在本发明的另一个实施例中，如图3所示，上述多孔径的光信号探测系统100可以不包括探测光源，被测目标3自身发光或反射其他光源的光形成被测目标光信号10，被测目标光信号10到达多孔径的光信号探测系统100后，由多个探测单元5分别接收，每个探测单元5中的光学接收天线6将对应孔径内的光信号会聚于探測器7，经探测器7进行光电转换，形成多路包含噪声和被测目标信号的电信号，发送到信号处理单元8进行处理，抑制噪声、凸显信号，进而得到被测目标信息。在本发明的一个实施例中，本发明实施例提供的多孔径的光信号探測系统还包括探測光源1，用于向被测目标3发射探測光信号。具体地，当被测目标3自身不能发光时，利用探測光源I向被测目标3发射探測光信号，被测目标3反射探測光源I发射的光，形成回波光信号。在本发明的一个实施例中，如图2和图3所示，多孔径的光信号探测系统100还包括显示器8，用于显示被测目标的信息。
在本发明的ー个具体实施例中，为进ー步说明本发明的应用，以脉冲激光测距为例，探測光源I为测距脉冲激光器，测距脉冲激光器用于向被测目标3发射脉冲激光。信号处理单元8根据测距激光器发射激光时间和反射光到达多孔径的光信号探测系统100的时间差，计算被测目标3与多孔径的光信号探测系统100的距离。具体地说，如图2所示，探測光源I即测距脉冲激光器发出的激光2照射在被测目标3上，假设被测目标3为漫反射体，漫反射后的反射回波光信号4进入到多孔径的光信号探测系统100，探测单元5中的光学接收天线6接收对应孔径的回波光信号4，并会聚于对应的探測器7，在每个探測器7中进行光电转换，转换后的电信号送入信号处理单元8进行处理，抑制空间随机分布的背景光噪声，凸显信号，提高信噪比，在信号处理单元8中将信号激光的发射时刻和接收时刻进行对比，由二者的时间差计算出被测目标3与多孔径的光信号探测系统100之间的距离，测距结果由显示器8进行显示。与图I所示的普通激光测距系统相比较，图3所示的利用多孔径的光信号探測系统的激光测距方法采用多个探测単元，每ー个探测单元包含一个探测器和对应的一个接收光学天线，接收一定孔径的目标光信号，并将其会聚到相应的探測器上，每ー个探测单元会同时探测到背景光和目标信号光，由于背景光引起的噪声在空间上随机分布，因此，各个探测单元探測到的背景光互不相关，并且背景光与信号光也不相关，而信号光与信号光是相关的，利用这ー特点，对不同探测单元探測到的信号进行相关处理，可以达到抑制空间随机分布的噪声、凸显信号、提高信噪比的目的。与时间相关的方法相比较，由于多孔径的光信号探測方法是多个探测单元同时采集信号，对同时采集到的信号进行相关处理，因而不存在时间间隔的问题，所以可以用于对高速运动目标进行测距。当然，对于静止目标或低速运动目标，可与传统的时间相关激光测距系统相结合，可以先对每个探测单元的信号进行时间相关后，再对各个探测单元的信号进行相关处理；也可以对每个探测単元的信号进行相关处理后，再对处理后的信号在时间上进行相关处理，以便更大幅度的提高信噪比。在本发明的一个实施例中，多个探测单元分布于同一个平面或曲面。换言之，多个探测单元也可以分布于不同的平面或曲面。根据本发明实施例的提出的多孔径的光信号探测系统，可以有效地抑制外界背景光产生的噪声，当外界背景光噪声在空间上为随机分布的情况时，采用多孔径的光信号探测系统，每ー个探测器得到的背景光噪声是随机的，且互不相关。另外，考虑到背景光引起的噪声和信号光产生的脉冲亦不相关，因此，采用互相关的方法可以达到降低背景光噪声、凸显信号，提高信噪比的目的，利用多孔径的光信号探测系统，可以将淹没在噪声中的信号提取出来，实现对低信噪比的光信号进行探測。对于外界背景光在空间上不是随机分布，而是呈现均匀分布的情况，考虑信号光一般只来源于ー个方向，这样可以通过对不同朝向的探测单元探測到的信号直接加权相减，去掉背景光的干扰，提取有用的目标光信号。
本发明提出的多孔径的光信号探测系统，与传统的时间相关光探测技术相比，当对探测信号在时间上不进行相关等处理，只是对每个通道的信号进行相关处理吋，目标运动速度对信号的相关运算不产生影响，因此，本发明提出的多孔径的光信号探測系统适用于高速运动目标的探測。其次，在对低速运动目标或静止目标进行探测时，可与传统的时间相关探测方法相结合，可以先对每个探测单元的信号在时间上进行信号相关处理后，再对各个探测单元的信号进行相关处理；也可以对每个探测単元的信号进行相关等运算处理后，再对处理后的信号在时间上进行相关处理，以便更大幅度的提高信噪比。下面參照图4描述根据本发明第二方面实施例提出的多孔径的光信号探測方法。如图4所示，该多孔径的光信号探測方法包括以下步骤SI，采用多个探测単元对被测目标发射或反射的光信号进行探測；S2，每个探测单元对探测到的光信号分别进行光电转换，并将转换后的电信号在信号处理单元中进行处理以提取被测目标信号；S3，根据被测目标信号获取被测目标的信息，并由显示器显示。在本发明的实施例中，信号处理单元对每个探测单元的信号分别进行处理后，再对多个探测单元的信号进行综合处理。根据本发明实施例的多孔径的光信号探測方法，可以抑制空间随机分布的噪声、凸显信号，并且可以提高信噪比和降低最小可探測光功率，从而实现对低信噪比的光信号的探測。此外，还可以用于对高速运动目标进行探測。因此，根据本发明实施例提出的多孔径的光信号探测系统及方法，在光照強度非常微弱的情况下，多个探测単元同时进行探測，将探测结果进行叠加，与単一探測器相比，很显然地，多探測装置可以降低最小可探測光功率，从而实现对低信噪比的光信号的探測。在本说明书的描述中，參考术语“ー个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“ー些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少ー个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
权利要求
1.一种多孔径的光信号探测系统，其特征在于，包括 多个探测单元，用于接收被测目标发射或反射的光信号，并对所述光信号进行光电转换以生成多路初始电信号，其中，每个所述探测单元包括一个探测器和对应的一个光学接收天线，每个所述光学接收天线对应一个接收孔径，每个所述探测单元用于接收所述被测目标发射或反射的光信号，并对所述光信号进行光电转换以生成一路初始电信号，其中，所述初始电信号包括噪声信号和被测目标信号；以及 信号处理单元，用于接收来自所述多个探测单元所述多路初始电信号，并对所述多路初始电信号进行处理以提取所述被测目标信号，以及根据所述被测目标信号获取所述被测目标的信息。
2.如权利要求I所述的多孔径的光信号探测系统，其特征在于，所述被测目标是单个目标或多个目标。
3.如权利要求I或2所述的多孔径的光信号探测系统，其特征在于，还包括显示器，用于显示所述被测目标的信息。
4.如权利要求1-3中任一项所述的多孔径的光信号探测系统，其特征在于，还包括探测光源，用于向所述被测目标发射探测光信号。
5.一种多孔径的光信号探测方法，其特征在于，包括以下步骤 采用多个探测单元对被测目标发射或反射的光信号同时进行探测； 每个探测单元对探测到的所述光信号分别进行光电转换，并将转换后的电信号在信号处理单元中进行处理以提取所述被测目标信号；以及 根据所述被测目标信号获取所述被测目标的信息，并由显示器显示。
6.如权利要求5所述的多孔径的光信号探测方法，其特征在于， 所述信号处理单元对所述每个探测单元的信号分别进行处理后，再对所述多个探测单元的信号进行综合处理。
全文摘要
本发明提出一种多孔径的光信号探测系统，包括多个探测单元，用于接收被测目标发射或反射的光信号，并对所述光信号进行光电转换以生成多路初始电信号，每个探测单元包括一个探测器和对应的一个光学接收天线，每个光学接收天线对应一个接收孔径，每个探测单元将接收的光信号进行光电转换以生成一路初始电信号，其中，初始电信号包括噪声信号和被测目标信号；以及信号处理单元，用于接收来自多个探测单元多路初始电信号，并对多路初始电信号进行处理以提取被测目标信号，以及根据被测目标信号获取被测目标的信息。该系统可以抑制噪声、凸显信号，并且可以提高信噪比和降低最小可探测光功率。本发明还提出一种多孔径的光信号探测方法。
文档编号G01J1/04GK102636259SQ20121012498
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者巩马理, 张海涛, 杜鹏飞, 柳强, 王巍, 王涛, 耿东晛, 闫平, 黄磊 申请人:清华大学