CN101846745B - 基于强关联量子成像原理的激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于强关联量子成像原理的激光雷达。它由脉冲激光器、参量下变换非线性器件、接收透镜、光子探测器、成像透镜、面阵探测器、延时相关器、信号处理器组成；脉冲激光器发出激光脉冲，经过参量下变换非线性器件产生两束不同波长具有强关联效应的激光束，一路长波长激光束照射到被测物体上，经反射后通过接收透镜聚焦到光子探测器上进行探测，输出表示光子探测结果的开关信号；另一路短波长激光束经成像透镜照射到面阵探测器上获得二维光子图像信号；将两路信号进行相关后，经信号处理器积分获得被测物体的图像和距离信息。本发明利用处于大气窗口的长波长激光有效解决传输损耗问题实现超长距离探测，利用强关联效应实现超分辨探测。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种基于强关联量子成像原理的激光雷达。
背景技术
激光雷达成像系统是一种利用激光主动照明目标的方式获取目标图像和距离信息的系统。这种方式是由脉冲激光照明器发射一定频率的激光脉冲照明目标，再通过能接收激光的图像采集装置采集由目标反射回来的脉冲激光信号成像，同时通过计算激光脉冲的飞行时间获取目标的距离信息。相对于微波雷达，激光具有更短的波长能够实现被测目标的精确成像，而且能获取更多目标的光谱特性，例如可以获取大气中不同物质的成分和浓度信息等。相对于普通电视成像，激光雷达既可以获取图像信息又能获得高精度的目标距离信息。不仅如此，激光雷达不依赖外界光源能够在各种照度情况下成像，而且通过选择处于大气窗口的激光波长能够实现更远距离探测以及全天候探测。激光雷达已经成为在军事和民用两方面具有重要意义的探测手段。
目前的激光雷达技术大多采用两种方式：光束扫描和面阵接收两种方式。这两种方式都存在一定的问题：光束扫描方式成像需要激光束的快速扫描然后逐点探测成像，这种方法成像速度慢，而且受限于光束质量和偏转控制精度的限制，成像质量以及横向分辨率不高；另一种方式面阵接收方式成像受限于面阵探测器的灵敏度、成像速度的限制，无法满足远距离高精度的要求，特别对于中红外大气窗口的激光波长更难以实现。
为了解决这些难题，我们提出一种基于强关联量子成像原理的新型激光雷达，利用非线性下转换光学器件产生两束波长不同的具有强关联特性的激光，其中一束处于大气窗口波长的红外激光束照向目标物，利用桶形光子探测器对目标反射回来的光子进行高灵敏度探测，这样有利于降低大气传输损耗可以实现超远距离探测。另一路短波长激光利用面阵探测器获取光子分布的二维信息，两路信息经过精确延时控制之后进行相关获得目标物体的图像信息和距离信息。这种相关成像方法不仅能够实现超远距离的成像，而且利用两路不同波长激光束的几何成像关系能够实现超分辨成像。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于强关联量子成像原理的激光雷达。
基于强关联量子成像原理的激光雷达包括脉冲激光器、参量下变换非线性器件、发射透镜、接收透镜、桶形光子探测器、成像透镜、面阵探测器、延时相关器、信号处理器；由脉冲激光器发出的激光脉冲，经过参量下变换非线性器件产生两束不同波长的具有强关联效应的激光束，其中一路激光束经过发射透镜后照射到被探测物体上，经反射后通过接收透镜聚焦到桶形光子探测器上进行探测，其输出表示光子探测结果的开关信号；另一路激光束经成像透镜照射到面阵探测器上进行探测，获得二维光子图像信号；然后将两路信号经过延时相关器进行相关，最后经过信号处理器积分获得被测物体的图像和距离信息。
所述的参量下变换非线性器件是非线性晶体光学器件或人工处理的周期性畴极化反转晶体。所述的非线性晶体光学器件是β相偏硼酸钡晶体。所述的人工处理的周期性畴极化反转晶体是周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体。所述的桶形光子探测器是雪崩光电二极管或光电倍增管。所述的桶形光子探测器的脉冲响应时间与激光发射脉冲时间具有可明确测量的时间延迟量。所述的面阵探测器是二维有序排列的光学探测器阵列或二维位置敏感探测器。所述的延时相关器是延时相关电路。
本发明阐述了一种基于强关联量子成像原理的激光雷达。在利用了量子纠缠“鬼”成像原理的同时，避免了量子纠缠态难以产生以及容易退相干的困难，提出利用非线性下转换光学器件产生两束波长不同的具有强关联特性的激光，其中一束处于中红外大气窗口波长的激光束照向目标物，利用桶形光子探测器对目标反射回来的光子进行高灵敏度探测，这样有利于降低损耗可以实现超远距离探测。另一路短波长激光利用面阵探测器获取光子分布的二维信息，两路信息经过精确延时控制之后进行相关获得目标物体的图像信息和距离信息。这种相关成像方法不仅能够实现超远距离的成像，而且利用两路光束的几何成像关系能够实现超分辨成像。
附图说明
图1是基于强关联量子成像原理的激光雷达结构示意图；
图2是量子纠缠“鬼”图像原理示意图；
图3是本发明的激光雷达工作时序关系图；
图4是本发明的激光雷达成像几何关系图；
图5是本发明的产生强关联双波长光束的参量下变换非线性器件原理示意图；
图中：脉冲激光器1、参量下变换非线性器件2、发射透镜3、接收透镜4、桶形光子探测器5、成像透镜6、面阵探测器7、延时相关器8、信号处理器9、长波长激光束10、短波长激光束11、光源12、非线性BBO晶体13、偏振分束镜14、目标15、透镜16、桶形光子探测器17、透镜18、扫描平台19、光纤探针20、探测器21、符合计数器22、桶形探测器23、透镜24、目标25、透镜26、BBO晶体27、透镜焦平面28、面阵探测器成像面29、激光束30、聚焦透镜31、滤色片32。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，基于强关联量子成像原理的激光雷达包括脉冲激光器1、参量下变换非线性器件2、发射透镜3、接收透镜4、桶形光子探测器5、成像透镜6、面阵探测器7、延时相关器8、信号处理器9；由脉冲激光器1发出的激光脉冲，经过参量下变换非线性器件2产生两束不同波长的具有强关联效应的激光束，其中一路激光束10经过发射透镜3后照射到被探测物体上，经反射后通过接收透镜4聚焦到桶形光子探测器5上进行探测，其输出表示光子探测结果的开关信号；另一路激光束11经成像透镜6照射到面阵探测器7上进行探测，获得二维光子图像信号；然后将两路信号经过延时相关器8进行相关，最后经过信号处理器9积分获得被测物体的图像和距离信息。所述的参量下变换非线性器件2是非线性晶体光学器件或人工处理的周期性畴极化反转晶体。所述的非线性晶体光学器件是β相偏硼酸钡晶体。所述的人工处理的周期性畴极化反转晶体是周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体。所述的桶形光子探测器5是雪崩光电二极管或光电倍增管。所述的桶形光子探测器5的脉冲响应时间与激光发射脉冲时间具有可明确测量的时间延迟量。所述的面阵探测器7是二维有序排列的光学探测器阵列或二维位置敏感探测器。所述的延时相关器8是延时相关电路。
如图2所示，给出了量子纠缠“鬼”图像的基本原理图，这一原理来源于量子纠缠态的关联塌缩效应。首先由光源12产生激光经过非线性BBO晶体13产生纠缠光子对，然后经过偏振分束镜14将量子纠缠的光子对分别投射到两个方向，其中一束照向目标15，然后经过透镜16收集到桶形光子探测器17中，另一路通过透镜18之后，利用扫描平台19上的光纤探针20收集到探测器21中进行探测，两路光子探测信号经过符合计数器22的相关之后输出目标15的图像。这种成像方法依赖于BBO晶体13产生的纠缠光子对，这种纠缠光子对具有非定域的量子关联。一般认为，照向目标的光子受到目标扰动之后经过测量塌缩到某一位置的同时，与之纠缠的另一路光子也塌缩到相应位置上，这样照向目标的光子所包含的目标物信息经过量子关联被传送到另一路光子的位置信息中。因此，即使我们不对目标光子的位置信息进行测量，也能从纠缠光子对的量子相关中获取目标的“鬼”图像。这就是基于量子纠缠的量子成像基本原理。但是这一成像方法存在着一些困难和局限，首先量子纠缠态难以产生并且容易受到环境的干扰而退相干，这样导致量子相关性的丧失而失去成像的效果，因此这种方法难以运用到激光雷达成像中。我们在这一原理的基础上加以改进，首先利用脉冲激光在参量下变换非线性器件2作用下产生两束具有动量强关联的双波长光束，这种动量的强关联比双光子偏振纠缠态具有更强的抗干扰能力，即使在大气扰动之后仍然能保持其关联特性，其次在两路信号相关上进行精确的延时控制，这样可以保证两路信号探测到的光子处于波列的相干长度内。
如图3所示，是激光雷达工作时序关系图。在一个激光脉冲周期内需要划分出若干个探测时隙，每个时隙相对于激光脉冲的起始时刻是固定的，这样分别相同的时隙中利用桶形探测器进行光子探测和面阵探测器进行光子分布探测，而且只有相同时隙中的两路信号进行相关操作，这样能保障两路激光即使相差非常大的延时也能保证其相关性，获得相关成像的结果。
如图4所示，是激光雷达成像几何关系图。其中桶形探测器23经过透镜24收集目标25的光子信息，与光源之间的成像关系如透镜26以及BBO晶体27之间的几何关系，平面28是透镜26的焦平面，平面29是面阵探测器的成像面，这几个平面之间的距离分别为Si，So以及f。这几个距离满足简单的几何成像关系：1/Si+1/So＝1/f。这样通过调节相互之间的距离以及面阵探测器的成像分辨率，就能获得目标物体更小细节甚至超过成像孔径的分辨能力，实现超分辨成像。
如图5所示，是一种产生强关联双波长光束的参量下变换非线性转换原理示意图。脉冲激光束30经过聚焦透镜31，照射非线性光学晶体13，所发射光经过滤色片32，获得短波长激光束11和长波长激光束12。
Claims (1)
1.一种基于强关联量子成像原理的激光雷达，其特征在于包括脉冲激光器(1)、参量下变换非线性器件(2)、发射透镜(3)、接收透镜(4)、桶形光子探测器(5)、成像透镜(6)、面阵探测器(7)、延时相关器(8)、信号处理器(9)；由脉冲激光器(1)发出的激光脉冲，经过参量下变换非线性器件(2)产生两束不同波长的具有强关联效应的激光束，其中一路激光束(10)经过发射透镜(3)后照射到被探测物体上，经反射后通过接收透镜(4)聚焦到桶形光子探测器(5)上进行探测，其输出表示光子探测结果的开关信号；另一路激光束(11)经成像透镜(6)照射到面阵探测器(7)上进行探测，获得二维光子图像信号；然后将两路信号经过延时相关器(8)进行相关，最后经过信号处理器(9)积分获得被测物体的图像和距离信息，其次在两路信号相关上进行精确的延时控制，这样可以保证两路信号探测到的光子处于波列的相干长度内；所述的参量下变换非线性器件(2)是非线性晶体光学器件；所述的非线性晶体光学器件是β相偏硼酸钡晶体；所述的桶形光子探测器(5)是雪崩光电二极管或光电倍增管；所述的面阵探测器(7)是二维有序排列的光学探测器阵列或二维位置敏感探测器；所述的延时相关器(8)是延时相关电路。
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