CN104502917B - 利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法和系统 - Google Patents

利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法和系统，该方法包括以下步骤：1)激光器发射激光光子；2)对激光器发射的激光光子进行特征标记；3)接收光信号时对到达的光子进行甄别探测，判断光子是否携带发射时的特征标记，若是，则接收到的光子是信号光子；若否，则接收到的光子是噪声光子；4)滤去噪声光子仅保留信号光子。本发明提供了一种可提高整个激光雷达系统的信噪比的利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法和系统。

Description

利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法和 系统
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，涉及一种激光雷达探测灵敏度的方法和系统，尤其涉及一种利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法和系统。
背景技术
激光雷达是通过发射激光脉冲并通过测量激光脉冲从发射经目标反射返回接收机的激光脉冲飞行时间进行测距和成像的重要设备，在国防和民用等领域都具有广泛应用。当对远距目标测距和成像时，由于发射的激光脉冲能量有限，加上大气的衰减，尤其是反射信号受距离平方反比因子的限制，反射回来的光信号会非常微弱，通常会淹没在背景噪声光子中，难以区别噪声光子和信号光子，使得激光雷达难以或无法实现对远距目标进行探测和识别。把微弱的信号光子从背景噪声光子中识别并提取出来是光子计数激光雷达技术远距遥感、目标探测和识别应用需要解决关键技术之一。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可提高整个激光雷达系统的信噪比的利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法和系统。
本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：
1)激光器发射激光光子；
2)对激光器发射的激光光子进行特征标记；
3)接收光信号时对到达的光子进行甄别探测，判断光子是否携带发射时的特征标记，若是，则接收到的光子是信号光子；若否，则接收到的光子是噪声光子；
4)滤去噪声光子仅保留信号光子。
上述步骤2)的具体实现方式是：
调控激光器发射激光光子的光子态，使激光器发射激光光子的自旋角动量量子数为+1或-1同时激光器发射激光光子的轨道角动量量子数为-1或+1的量子态。
上述使激光器发射激光光子的自旋角动量量子数为+1或-1的具体实现方式是：
将激光器输出的线偏振光转化为左旋偏振光或右旋偏振光，形成自旋角动量为+1或-1的圆偏振光。
上述将激光器输出的线偏振光转化为左旋偏振光或右旋偏振光时，首先判断激光器输出的是否是线偏振光，若是，则直接将激光器输出的线偏振光转化为左旋偏振光或右旋偏振光；若否，则将非偏振光变成线偏振光后将激光器输出的线偏振光转化为左旋偏振光或右旋偏振光。
上述步骤2)中是通过拓扑荷为1/2的拓扑荷板将光子自旋角动量以及轨道角动量进行转换的。
上述拓扑荷板包括但不限于电调液晶板、微等离子阵列天线以及计算机控制全息板。
上述步骤3)的具体实现方式是：
3.1)接收光信号时对接收到的光子的角动量进行调控，使接收到的光子的轨道角动量以及自旋角动量同时发生改变；所述改变的方式是：将接收到的光子的轨道角动量从-1或+1变为0，将自旋角动量量子数为+1或-1的变为-1或+1；
3.2)判断接收到的信号光子是否携带发射时的特征标记，若是，则接收到的光子是信号光子；若否，则接收到的光子是噪声光子；所述判断方式是：
所有轨道角动量不为零的光子为噪声光子；所述轨道角动量为0的是信号光子。
上述步骤4)的具体实现方式是：滤去轨道角动量不为零的噪声光子，仅留下轨道角动量是0的信号光子。
一种用于实现如上所述的利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法的系统，包括激光雷达激光发射机以及光接收机，其特殊之处在于：所述系统还包括光子自旋角动量调控器、第一光子自旋角动量和轨道角动量转换器、第二光子自旋角动量和轨道角动量转换器以及轨道角动量过滤器；所述激光雷达激光发射机、光子自旋角动量调控器以及第一光子自旋角动量和轨道角动量转换器沿激光出射方向依次设置同一光路上；所述光接收机、第二光子自旋角动量和轨道角动量转换器以及轨道角动量过滤器沿接收到的激光信号的传播方向依次设置同一光路上。
上述第一光子自旋角动量和轨道角动量转换器以及第二光子自旋角动量和轨道角动量转换器均是拓扑荷为1/2的拓扑荷板；所述拓扑荷板包括但不限于电调液晶板、微等离子阵列天线以及计算机控制全息板；所述角动量过滤器包括但不限于单模光纤以及微孔光阑。
本发明的优点是：
本发明提供了一种利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法和系统，其原理是在发射激光时对发射的激光光子进行调控，为其打上特征标记，在接收光信号时对到达的光子进行甄别探测，判断光子是否携带有发射时所加注的特征标记，如果有特征标记就判定为信号光子，而如果没有特征标记时就判定为噪声光子。通过滤去噪声光子保留有特征标记的信号光子用于探测，从而提高整个激光雷达系统的信噪比，本发明将极有助于光子计数激光雷达在弱信号强背景下的远距应用，尤其适合在白天对远距目标的探测、测距、成像应用。具体而言，本发明具有以下优点：
1)由于自旋角动量量子数为+1同时其轨道角动量量子数为-1量子态的这种光子的总角动量为零，是一种具有旋转不变性的光子态，具有抗大气扰动影响的能力。
2)由于自旋角动量量子数为+1同时其轨道角动量量子数为-1量子态的这种光子的总角动量为零，是一种具有旋转不变性的光子态，具有无需发射坐标系和接收坐标系对准的特性。
3)由于自然界存在的光子基本上都是没有轨道角动量的，它们通过光子轨道角动量、自旋角动量调控器件后变成轨道角动量非零的光子，再用非零轨道角动量滤波器滤去，可以消除绝大多数噪声光子，从而提高激光雷达信噪比。
附图说明
图1是本发明所提供利用光子调控增强激光雷达对目标特征灵敏度的系统结构示意图；
图2是光子标记示意图；
图3是光子甄别挑选示意图；
其中：
1-1/4波片；2-拓扑荷为1/2的拓扑荷板；3-单模光纤；H-水平偏振光；V-垂直偏振光；SAM-自旋角动量；OAM-轨道角动量。
具体实施方式
本发明提出了一种利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法，其原理是：在发射激光时对发射的激光光子进行调控，为其打上特征标记，在接收光信号时对到达的光子进行甄别探测，判断光子是否携带有发射时所加注的特征标记，如果有特征标记就判定为信号光子，而如果没有特征标记时就判定为噪声光子。通过滤去噪声光子保留有特征标记的信号光子用于探测，从而提高整个激光雷达系统的信噪比。这种方法和系统尤其适合于工作在单光子计数模式的激光雷达。
该方法的具体实现方式是：
1)调控发射的光子态，使其处于自旋角动量量子数为+1同时其轨道角动量量子数为-1的量子态，或者使其处于自旋角动量量子数为-1同时其轨道角动量量子数为+1的量子态。
2)在接收光子时对接收到的光子的角动量进行调控，使得所发射的信号光子的轨道角动量和自旋角动量同时发生改变，然后对光子的轨道角动量与自旋角动量进行测量分析。
3)当接收到的光子为发射的信号光子时，调控分析装置把光子的轨道角动量从-1(或+1)变为0，而其自旋角动量量子数为改变螺旋的手征性，即原来自旋角动量量子数为+1的变为-1，或者原来自旋角动量量子数为-1变为+1。
4)当接收到的光子为背景噪声光子时，由于背景噪声光子原来没有轨道角动量，调控分析装置把光子的轨道角动量从0变为-1或+1。
5)对调控过的光子同时进行自旋角动量挑选和轨道角动量挑选识别，所有轨道角动量不为零的光子为背景噪声光子，轨道角动量为0的为信号光子。滤去轨道角动量不为零的背景噪声光子，只留下轨道角动量为0的信号光子。
采用圆偏振片把激光器输出的线偏振光转化为左旋偏振光或右旋偏振光，从而形成自旋角动量为+1或-1的圆偏振光；如果激光器输出的不是线偏振光，就需要在圆偏振片前加起偏器，把非偏振光变成线性偏振光；圆偏振片可以采用但不限于1/4波片1；采用拓扑荷为1/2的拓扑荷板2作为光子自旋角动量-轨道角动量转换器；拓扑荷为1/2的拓扑荷板2包括但不限于采用电调液晶板、微等离子阵列天线、计算机控制全息板等制作；滤去轨道角动量不为零的角动量过滤器，可以采用但不限于单模光纤、微孔光阑。
参见图1、图2以及图3，本发明还提供了一种利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的系统，除包括传统的激光雷达系统外，本发明还包括光子自旋角动量调控器、第一光子自旋角动量和轨道角动量转换器、第二光子自旋角动量和轨道角动量转换器以及轨道角动量过滤器；激光雷达激光发射机、光子自旋角动量调控器以及第一光子自旋角动量和轨道角动量转换器沿激光出射方向依次设置同一光路上；光接收机、第二光子自旋角动量和轨道角动量转换器以及轨道角动量过滤器沿接收到的激光信号的传播方向依次设置同一光路上。该系统的工作原理是：在激光发射机处加装光子调控装置，对发射的激光光子进行特征标记；在光接收机处加装光子甄别装置，对接收到的光子进行甄别，提取信号光子并滤去噪声光子，再对信号光子进行光电探测，从而提高接收信号的信噪比。特别属于利用光子调控提高探测信噪比的光子调控光子计数激光雷达。其中，在图2以及图3中，附图标记分为是：1/4波片1、拓扑荷为1/2的拓扑荷板2、单模光纤3、水平偏振光H、垂直偏振光V、自旋角动量SAM、轨道角动量OAM。
本发明提出的利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的系统的实现方案是：
1)在传统的激光雷达激光发射机后安装光子自旋角动量调控器，把光子的自旋角动量调控为+1(或-1)；
2)在光子自旋角动量调控器后安装光子自旋角动量-轨道角动量转换器，使光子的自旋角动量反转(+1变-1，或-1变+1)的同时产生轨道角动量量子数为+1(或-1)的轨道角动量(如图2所示)；
3)所发射的光子经目标反射或散射后返回到光接收机；
4)在光接收机收集望远镜后加装光子自旋角动量-轨道角动量转换器，使光子的自旋角动量反转(+1变-1，或-1变+1)的同时使信号光子的轨道角动量量子数从+1(或-1)变为0；
5)在光接收机收集望远镜后加装的光子自旋-轨道角动量转换器使原本轨道角动量量子数为0的背景噪声光子变为+1(或-1)而产生轨道角动量量子数不为0；
6)在光接收机的光子自旋-轨道角动量转换器后加装轨道角动量过滤器，滤去轨道角动量量子数已不为0的背景噪声光子，而由于信号光子轨道角动量已经变成零而被保留下来，达到保留信号光子滤去噪声光子的目的(如图3所示)，从而提高系统的信噪比。

Claims (10)

1.一种利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)激光器发射激光光子；
2)对激光器发射的激光光子进行特征标记；
3)接收光信号时对到达的光子进行甄别探测，判断光子是否携带发射时的特征标记，若是，则接收到的光子是信号光子；若否，则接收到的光子是噪声光子；
4)滤去噪声光子仅保留信号光子。
2.根据权利要求1所述的利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法，其特征在于：所述步骤2)的具体实现方式是：
调控激光器发射激光光子的光子态，使激光器发射激光光子的自旋角动量量子数为+1或-1同时激光器发射激光光子的轨道角动量量子数为-1或+1的量子态。
3.根据权利要求2所述的利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法，其特征在于：所述使激光器发射激光光子的自旋角动量量子数为+1或-1的具体实现方式是：
将激光器输出的线偏振光转化为左旋偏振光或右旋偏振光，形成自旋角动量为+1或-1的圆偏振光。
4.根据权利要求3所述的利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法，其特征在于：所述将激光器输出的线偏振光转化为左旋偏振光或右旋偏振光时，首先判断激光器输出的是否是线偏振光，若是，则直接将激光器输出的线偏振光转化为左旋偏振光或右旋偏振光；若否，则将非偏振光变成线偏振光后将激光器输出的线偏振光转化为左旋偏振光或右旋偏振光。
5.根据权利要求2或3或4所述的利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法，其特征在于：所述步骤2)中是通过拓扑荷为1/2的拓扑荷板将光子自旋角动量以及轨道角动量进行转换的。
6.根据权利要求5所述的利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法，其特征在于：所述拓扑荷板包括电调液晶板、微等离子阵列天线以及计算机控制全息板。
7.根据权利要求6所述的利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法，其特征在于：所述步骤3)的具体实现方式是：
3.1)接收光信号时对接收到的光子的角动量进行调控，使接收到的光子的轨道角动量以及自旋角动量同时发生改变；所述改变的方式是：将接收到的光子的轨道角动量量子数从-1或+1变为0，将自旋角动量量子数为+1或-1的变为-1或+1；
3.2)判断接收到的信号光子是否携带发射时的特征标记，若是，则接收到的光子是信号光子；若否，则接收到的光子是噪声光子；所述判断方式是：
所有轨道角动量不为零的光子为噪声光子；所述轨道角动量为0的是信号光子。
8.根据权利要求7所述的利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法，其特征在于：所述步骤4)的具体实现方式是：滤去轨道角动量不为零的噪声光子，仅留下轨道角动量是0的信号光子。
9.一种用于实现权利要求8所述的利用光子调控增强光子计数激光雷达探测灵敏度的方法的系统，包括激光雷达激光发射机以及光接收机，其特征在于：所述系统还包括光子自旋角动量调控器、第一光子自旋角动量和轨道角动量转换器、第二光子自旋角动量和轨道角动量转换器以及轨道角动量过滤器；所述激光雷达激光发射机、光子自旋角动量调控器以及第一光子自旋角动量和轨道角动量转换器沿激光出射方向依次设置同一光路上；所述光接收机、第二光子自旋角动量和轨道角动量转换器以及轨道角动量过滤器沿接收到的激光信号的传播方向依次设置同一光路上。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述第一光子自旋角动量和轨道角动量转换器以及第二光子自旋角动量和轨道角动量转换器均是拓扑荷为1/2的拓扑荷板；所述拓扑荷板包括电调液晶板、微等离子阵列天线以及计算机控制全息板；所述角动量过滤器包括单模光纤以及微孔光阑。
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