CN101969177B - 利用双光学开关消除背景光信号的装置及方法 - Google Patents

利用双光学开关消除背景光信号的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光信号检测技术，具体是一种利用双光学开关消除背景光信号的装置及方法。本发明解决了现有抑制背景光技术无法消除与脉冲激光信号同步以及频率相同的背景光的问题。利用双光学开关消除背景光信号的装置包括脉冲激光器、目标靶、双光学开关、单光子探测器、以及计算机；双光学开关包括第一声光调制器和第二声光调制器；脉冲激光器的外部触发输入端连接有脉冲信号发生器，脉冲信号发生器的外部触发输入端连接有函数信号发生器，脉冲信号发生器的输出端连接有时间幅度转换仪。本发明有效解决了现有抑制背景光技术无法消除与脉冲激光信号同步以及频率相同的背景光的问题，适用于精密测量、通讯与信息处理和军事等领域的微弱脉冲激光信号检测。

Description

利用双光学开关消除背景光信号的装置及方法
技术领域
本发明涉及光信号检测技术，具体是一种利用双光学开关消除背景光信号的装置及方法。
背景技术
脉冲激光器被广泛运用于精密测量、通讯与信息处理和军事等领域。在脉冲激光器的应用领域中，普遍要求脉冲激光器所输出的脉冲激光信号具有较高的信号背景比。然而在实际应用中，微弱脉冲激光信号的信号背景比往往较低，即当使用光电探测器对微弱脉冲激光信号进行检测时，由于背景光（主要来源于周围环境的自然光、光学元件污染造成杂散光等）的存在，脉冲激光信号会受到背景光的干扰而不能被有效的探测，因此抑制背景光的干扰对提高脉冲激光信号的信号背景比尤为重要。目前，抑制背景光的干扰主要通过设置同步光学开关以及光学滤波器来进行，同步光学开关可以消除与脉冲激光信号不同步的背景光，光学滤波器可以消除脉冲激光信号频率以外的背景光噪声，但同步光学开关和光学滤波器均无法消除与脉冲激光信号同步并且频率相同的背景光。基于此，有必要发明一种能够消除与脉冲激光信号同步以及频率相同的背景光的装置及方法。
发明内容
本发明为了解决现有抑制背景光技术无法消除与脉冲激光信号同步以及频率相同的背景光的问题，提供了一种利用双光学开关消除背景光信号的装置及方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：利用双光学开关消除背景光信号的装置，包括脉冲激光器、目标靶、双光学开关、单光子探测器、以及计算机；双光学开关包括第一声光调制器和第二声光调制器；脉冲激光器的外部触发输入端连接有脉冲信号发生器，脉冲信号发生器的外部触发输入端连接有函数信号发生器，脉冲信号发生器的输出端连接有时间幅度转换仪；第一声光调制器的驱动模块与函数信号发生器的输出端相连，第二声光调制器的驱动模块与脉冲信号发生器的输出端相连；时间幅度转换仪的开始信号输入端与脉冲信号发生器的输出端相连，时间幅度转换仪的停止信号输入端与单光子探测器的输出端相连；单光子探测器的输出端连接有多功能数据采集卡，时间幅度转换仪的输出端连接有多通道分析器，多功能数据采集卡和多通道分析器均与计算机相连；脉冲激光器和目标靶之间设有半透半反棱镜，半透半反棱镜和第一声光调制器之间设有全息光学滤波片，第一声光调制器和第二声光调制器之间设有第一光阑，第二声光调制器和单光子探测器之间设有第二光阑。
利用双光学开关消除背景光信号的方法（所述方法在本发明所述的利用双光学开关消除背景光信号的装置中完成），该方法是采用如下步骤实现的：
a. 函数信号发生器输出逻辑电脉冲信号加载于第一声光调制器的驱动模块，同时函数信号发生器输出同步信号触发脉冲信号发生器；脉冲信号发生器输出与逻辑电脉冲信号同步且延迟时间可以控制的第一脉冲信号和第二脉冲信号，第一脉冲信号触发脉冲激光器，第二脉冲信号触发时间幅度转换仪，同时脉冲信号发生器输出与逻辑电脉冲信号频率相同且延迟时间可以控制的第三脉冲信号，第三脉冲信号加载于第二声光调制器的驱动模块；
b.脉冲激光器输出脉冲激光并照射到目标靶上，经目标靶反射回的脉冲激光通过半透半反棱镜反射后，再经全息光学滤波片滤波后入射到第一声光调制器，在逻辑电脉冲信号的控制下，第一声光调制器将脉冲激光与背景光在时域上进行分离；在第三脉冲信号的控制下，第二声光调制器将分离出的背景光消除，同时将分离出的脉冲激光入射到单光子探测器；
c. 单光子探测器将探测到的脉冲激光转化为逻辑信号输入多功能数据采集卡进行计数，同时将逻辑信号输入时间幅度转换仪；时间幅度转换仪将逻辑信号与第二脉冲信号之间的延时转化为脉冲电压幅度信号输入多通道分析器进行统计；多通道分析器将统计数据输入计算机进行分析处理。
与现有抑制背景光技术相比，本发明所述的利用双光学开关消除背景光信号的装置及方法采用由两个声光调制器构成的双光学开关来抑制脉冲激光中的背景光，通过控制加载在两个声光调制器驱动模块上的逻辑控制信号之间的延迟时间，能够获得被完全抑制掉背景光之后的脉冲激光，其可以有效抑制背景光学噪声，实现微弱光脉冲信号的有效恢复，提高被探测的脉冲信号的信号背景比，可应用于激光测距、光纤通讯、单光子检测、激光光谱等测量。
本发明有效解决了现有抑制背景光技术无法消除与脉冲激光信号同步以及频率相同的背景光的问题，适用于精密测量、通讯与信息处理和军事等领域的微弱脉冲激光信号检测。
附图说明
图1是本发明所述的利用双光学开关消除背景光信号的装置的结构示意图。
图2是本发明所述的利用双光学开关消除背景光信号的方法的信号时序控制图。
图3是本发明所述的利用双光学开关消除背景光信号的方法中脉冲激光通过第一声光调制器后相对于背景光的延时图。
图4是不同强度的脉冲激光相对于相同强度背景光的延时图。
图5是第二声光调制器对背景光的消除效果图。
图6是第三脉冲信号的延迟时间与脉冲激光的信号背景比之间的关系曲线图。
图中：1-脉冲激光器，2-目标靶，3-第一声光调制器，4-第二声光调制器，5-单光子探测器，6-多功能数据采集卡，7-函数信号发生器，8-脉冲信号发生器，9-时间幅度转换仪，10-多通道分析器，11-计算机，12-半透半反棱镜，13-全息光学滤波片，14-第一光阑，15-第二光阑；
A为函数信号发生器输出的逻辑电脉冲信号，B为脉冲信号发生器输出的第一脉冲信号，C为脉冲信号发生器输出的第二脉冲信号，D为脉冲信号发生器输出的第三脉冲信号；
τ0为逻辑电脉冲信号的延迟时间，τ1为第一脉冲信号的延迟时间，τ2为第二脉冲信号的延迟时间，τ3为第三脉冲信号的延迟时间。
具体实施方式
利用双光学开关消除背景光信号的装置，包括脉冲激光器1、目标靶2、双光学开关、单光子探测器5、以及计算机11；双光学开关包括第一声光调制器3和第二声光调制器4；脉冲激光器1的外部触发输入端连接有脉冲信号发生器8，脉冲信号发生器8的外部触发输入端连接有函数信号发生器7，脉冲信号发生器8的输出端连接有时间幅度转换仪9；第一声光调制器3的驱动模块与函数信号发生器7的输出端相连，第二声光调制器4的驱动模块与脉冲信号发生器8的输出端相连；时间幅度转换仪9的开始信号输入端与脉冲信号发生器8的输出端相连，时间幅度转换仪9的停止信号输入端与单光子探测器5的输出端相连；单光子探测器5的输出端连接有多功能数据采集卡6，时间幅度转换仪9的输出端连接有多通道分析器10，多功能数据采集卡6和多通道分析器10均与计算机11相连；脉冲激光器1和目标靶2之间设有半透半反棱镜12，半透半反棱镜12和第一声光调制器3之间设有全息光学滤波片13，第一声光调制器3和第二声光调制器4之间设有第一光阑14，第二声光调制器4和单光子探测器5之间设有第二光阑15；
利用双光学开关消除背景光信号的方法，所述方法在如权利要求1中所述的利用双光学开关消除背景光信号的装置中完成，该方法是采用如下步骤实现的：
a. 函数信号发生器7输出逻辑电脉冲信号A加载于第一声光调制器3的驱动模块，同时函数信号发生器7输出同步信号触发脉冲信号发生器8；脉冲信号发生器8输出与逻辑电脉冲信号A同步且延迟时间可以控制的第一脉冲信号B和第二脉冲信号C，第一脉冲信号B触发脉冲激光器1，第二脉冲信号C触发时间幅度转换仪9，同时脉冲信号发生器8输出与逻辑电脉冲信号A频率相同且延迟时间可以控制的第三脉冲信号D，第三脉冲信号D加载于第二声光调制器4的驱动模块；
b.脉冲激光器1输出脉冲激光并照射到目标靶2上，经目标靶2反射回的脉冲激光通过半透半反棱镜12反射后，再经全息光学滤波片13滤波后入射到第一声光调制器3，在逻辑电脉冲信号A的控制下，第一声光调制器3将脉冲激光与背景光在时域上进行分离；在第三脉冲信号D的控制下，第二声光调制器4将分离出的背景光消除，同时将分离出的脉冲激光入射到单光子探测器5；
c. 单光子探测器5将探测到的脉冲激光转化为逻辑信号输入多功能数据采集卡6进行计数，同时将逻辑信号输入时间幅度转换仪9；时间幅度转换仪9将逻辑信号与第二脉冲信号C之间的延时转化为脉冲电压幅度信号输入多通道分析器10进行统计；多通道分析器10将统计数据输入计算机11进行分析处理；
具体工作时，第一光阑14的作用是滤除由第一声光调制器3出射的零级衍射光，第二光阑15的作用是滤除由第二声光调制器4出射的零级衍射光；逻辑电脉冲信号A、第一脉冲信号B、第二脉冲信号C、第三脉冲信号D之间的信号控制时序如图2所示；通过控制逻辑电脉冲信号A的延迟时间，使得第一声光调制器3将脉冲激光与背景光在时域上进行分离，分离效果如图3所示；脉冲激光强度不同，其相对于背景光的延迟时间也不同，如图4所示；通过控制第三脉冲信号D的延迟时间，使得第二声光调制器4对背景光的消除效果也不同，如图5所示；第三脉冲信号D的延迟时间不同，脉冲激光的信号背景比也不同，如图6所示；
具体实施时，脉冲激光器1采用PicoQuant生产的PDL808型皮秒脉冲激光器，第一声光调制器3和第二声光调制器4均采用Crystal Technology生产的3080-122型声光调制器，单光子探测器5采用Perkin-Elmer生产的SPCM-AQR-15型单光子探测器，多功能数据采集卡6采用National Instruments生产的NI6251型数据采集卡，时间幅度转换仪9采用ORTEC生产的567-TAC型时间幅度转换仪，其量程为500ns对应于10V的脉冲电压幅度，多通道分析器10采用ORTEC生产的MAESTRO-32型多通道分析器，其通道数为2048道。

Claims (2)

1.一种利用双光学开关消除背景光信号的装置，其特征在于：包括脉冲激光器（1）、目标靶（2）、双光学开关、单光子探测器（5）、以及计算机（11）；双光学开关包括第一声光调制器（3）和第二声光调制器（4）；脉冲激光器（1）的外部触发输入端连接有脉冲信号发生器（8），脉冲信号发生器（8）的外部触发输入端连接有函数信号发生器（7），脉冲信号发生器（8）的输出端连接有时间幅度转换仪（9）；第一声光调制器（3）的驱动模块与函数信号发生器（7）的输出端相连，第二声光调制器（4）的驱动模块与脉冲信号发生器（8）的输出端相连；时间幅度转换仪（9）的开始信号输入端与脉冲信号发生器（8）的输出端相连，时间幅度转换仪（9）的停止信号输入端与单光子探测器（5）的输出端相连；单光子探测器（5）的输出端连接有多功能数据采集卡（6），时间幅度转换仪（9）的输出端连接有多通道分析器（10），多功能数据采集卡（6）和多通道分析器（10）均与计算机（11）相连；脉冲激光器（1）和目标靶（2）之间设有半透半反棱镜（12），半透半反棱镜（12）和第一声光调制器（3）之间设有全息光学滤波片（13），第一声光调制器（3）和第二声光调制器（4）之间设有第一光阑（14），第二声光调制器（4）和单光子探测器（5）之间设有第二光阑（15）。
2.一种利用双光学开关消除背景光信号的方法，所述方法在如权利要求1中所述的利用双光学开关消除背景光信号的装置中完成，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
a. 函数信号发生器（7）输出逻辑电脉冲信号（A）加载于第一声光调制器（3）的驱动模块，同时函数信号发生器（7）输出同步信号触发脉冲信号发生器（8）；脉冲信号发生器（8）输出与逻辑电脉冲信号（A）同步且延迟时间可以控制的第一脉冲信号（B）和第二脉冲信号（C），第一脉冲信号（B）触发脉冲激光器（1），第二脉冲信号（C）触发时间幅度转换仪（9），同时脉冲信号发生器（8）输出与逻辑电脉冲信号（A）频率相同且延迟时间可以控制的第三脉冲信号（D），第三脉冲信号（D）加载于第二声光调制器（4）的驱动模块；
b.脉冲激光器（1）输出脉冲激光并照射到目标靶（2）上，经目标靶（2）反射回的脉冲激光通过半透半反棱镜（12）反射后，再经全息光学滤波片（13）滤波后入射到第一声光调制器（3），通过控制逻辑电脉冲信号（A）的延迟时间，使得第一声光调制器（3）将脉冲激光与背景光在时域上进行分离，在第三脉冲信号（D）的控制下，第二声光调制器（4）将分离出的背景光消除，同时将分离出的脉冲激光入射到单光子探测器（5）；
c. 单光子探测器（5）将探测到的脉冲激光转化为逻辑信号输入多功能数据采集卡（6）进行计数，同时将逻辑信号输入时间幅度转换仪（9）；时间幅度转换仪（9）将逻辑信号与第二脉冲信号（C）之间的延时转化为脉冲电压幅度信号输入多通道分析器（10）进行统计；多通道分析器（10）将统计数据输入计算机（11）进行分析处理。
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