CN105182351A - 基于量子偏振的多维信息探测装置及多维信息探测方法 - Google Patents

Abstract

基于量子偏振的多维信息探测装置及多维信息探测方法，属于激光雷达技术领域，本发明为解决现有目标识别领域中远距离微弱信号回波遇到灵敏度极限的问题。本发明同步控制模块产生同步信号驱动激光器产生脉冲信号，同时将同步信号输出至偏振态编码器进行水平、垂直、对角和反对角伪随机脉冲序列调制，调制后经过发射光学器准直扩束照射目标，回波信号入射至接收光学器，然后通过三个分光器将回波信号分为四路信号，分别经过一个单光子探测器Gm-APD；同步信号处理器根据四个单光子探测器Gm-APD探测的脉冲信号获得回波脉冲序列，根据回波脉冲序列和同步信号获得目标距离、强度和偏振的多维信息。本发明用于激光雷达远距离微弱信号的探测。

Description

基于量子偏振的多维信息探测装置及多维信息探测方法

技术领域

本发明涉及一种基于量子偏振的多维信息探测装置及多维信息探测方法，属于激光雷达技术领域。

背景技术

激光雷达远距离微弱信号的探测一直都是一个技术难题，百公里甚至千公里小目标回波信号十分的微弱，甚至平均每个回波脉冲不足一个光子，这是传统激光雷达无法响应的。单光子探测技术的出现极大的提高了激光雷达探测灵敏度，但是却只能响应信号的有无，不能响应信号的强度，因此急需远距离微弱信号多维信息的探测方法。

发明内容

本发明目的是为了解决现有目标识别领域中远距离微弱信号回波遇到灵敏度极限的问题，提供了一种基于量子偏振的多维信息探测装置及多维信息探测方法。

本发明所述基于量子偏振的多维信息探测装置，它包括同步控制模块、激光器、偏振态编码器、发射光学器、接收光学器、三个分光器、全反射镜、检偏器、四分之一波片、二分之一波片、第一单光子探测器Gm-APD、第二单光子探测器Gm-APD、第三单光子探测器Gm-APD、第四单光子探测器Gm-APD和同步信号处理器；

同步控制模块产生同步信号驱动激光器，激光器产生高保偏度的脉冲信号，同时同步控制模块将同步信号输出至偏振态编码器，偏振态编码器将脉冲信号进行水平、垂直、对角和反对角伪随机的脉冲序列调制，调制后的激光经过发射光学器的准直扩束照射目标，目标的回波信号入射至接收光学器，接收光学器对回波信号进行聚焦收集，然后通过三个分光器将回波信号分为四路信号，一路信号经过全反射镜的反射后入射至第一单光子探测器Gm-APD，第一单光子探测器Gm-APD对一路信号进行探测，二路信号经过检偏器的起偏后入射至第二单光子探测器Gm-APD，第二单光子探测器Gm-APD对二路信号进行探测，三路信号经过四分之一波片的透射和检偏器的起偏后入射至第三单光子探测器Gm-APD，四路信号经过二分之一波片的透射和检偏器的起偏后入射至第四单光子探测器Gm-APD；

同步信号处理器根据第一单光子探测器Gm-APD、第二单光子探测器Gm-APD、第三单光子探测器Gm-APD和第四单光子探测器Gm-APD探测的脉冲信号获得回波的脉冲序列，同步信号处理器根据回波的脉冲序列和同步控制模块产生的同步信号获得目标的距离、强度和偏振的多维信息。

本发明所述基于量子偏振的多维信息探测装置的多维信息探测方法，该多维信息探测方法的具体过程为：

步骤1、同步控制模块、激光器和偏振态编码器同时工作，产生具有四种偏振态的四个不同码值的伪随机编码脉冲序列；

步骤2、发射光学器将步骤1产生的伪随机编码脉冲序列发射出去；

步骤3、目标接收到伪随机编码脉冲序列，目标的回波信号经过往返时间的延迟返回到接收光学器；

步骤4、回波信号经过四路单光子探测器Gm-APD测量斯托克斯参量，获取四路偏振分光，分别探测出四个偏振态的编码序列信号；

步骤5、同步信号处理器根据步骤4获取的四个偏振态的编码序列信号和步骤1获取的四个不同码值的伪随机编码脉冲序列，获取相关峰；

步骤6、同步信号处理器判断相关峰是否大于等于阈值，如果是则认为发现目标，如果否则返回步骤1；

步骤7、同步信号处理器根据步骤3的往返时间获取目标距离；

步骤8、同步信号处理器测量步骤5获取的相关峰的强度，即为回波信号的强度；

步骤9、根据步骤8获取的回波信号强度和步骤4的斯托克斯参量获得回波信号强度与反射光斯托克斯矢量的关系；

步骤10、根据发射光学器发射出信号和回波信号的斯托克斯参量，获得目标的米勒矩阵，即为目标的偏振信息。

本发明的优点：本发明解决了现有目标识别领域中远距离微弱信号回波遇到灵敏度极限的问题，能够对低可探测性的微小目标进行距离、强度和目标偏振测量。本发明基于量子偏振的多维信息探测装置能够在远距离微弱信号回波的情况下，同时获得目标的距离、强度、偏振等多维信息。同时，该装置采用了水平、垂直、对角、反对角(即0°、90°、45°、-45°)的伪随机调制编码，使得系统具有极强的抗干扰能力。另外通过编码序列的调制-解调处理，其中相关处理可以有效的提高系统的探测性能，提高信噪比和探测距离。

附图说明

图1是本发明所述基于量子偏振的多维信息探测装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于量子偏振的多维信息探测装置，它包括同步控制模块1、激光器2、偏振态编码器3、发射光学器4、接收光学器5、三个分光器6、全反射镜7、检偏器8、四分之一波片9、二分之一波片10、第一单光子探测器Gm-APD11、第二单光子探测器Gm-APD12、第三单光子探测器Gm-APD13、第四单光子探测器Gm-APD14和同步信号处理器15；

同步控制模块1产生同步信号驱动激光器2，激光器2产生高保偏度的脉冲信号，同时同步控制模块1将同步信号输出至偏振态编码器3，偏振态编码器3将脉冲信号进行水平、垂直、对角和反对角伪随机的脉冲序列调制，调制后的激光经过发射光学器4的准直扩束照射目标，目标的回波信号入射至接收光学器5，接收光学器5对回波信号进行聚焦收集，然后通过三个分光器6将回波信号分为四路信号，一路信号经过全反射镜7的反射后入射至第一单光子探测器Gm-APD11，第一单光子探测器Gm-APD11对一路信号进行探测，二路信号经过检偏器8的起偏后入射至第二单光子探测器Gm-APD12，第二单光子探测器Gm-APD12对二路信号进行探测，三路信号经过四分之一波片9的透射和检偏器8的起偏后入射至第三单光子探测器Gm-APD13，四路信号经过二分之一波片10的透射和检偏器8的起偏后入射至第四单光子探测器Gm-APD14；

同步信号处理器15根据第一单光子探测器Gm-APD11、第二单光子探测器Gm-APD12、第三单光子探测器Gm-APD13和第四单光子探测器Gm-APD14探测的脉冲信号获得回波的脉冲序列，同步信号处理器15根据回波的脉冲序列和同步控制模块1产生的同步信号获得目标的距离、强度和偏振的多维信息。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，激光器2采用高偏振脉冲激光器。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，偏振态编码器3对脉冲信号采用伪随机非正交的水平、垂直、对角和反对角调制编码，所述水平、垂直、对角和反对角分别为：0°、90°、45°和-45°。

具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，一路信号的探测过程为总光强路，二路信号的探测过程为线偏振路，三路信号的探测过程为四分之一波片路，四路信号的探测过程为二分之一波片路。

具体实施方式五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，二路信号的检偏器8的起偏角为45°；三路信号的检偏器8的起偏角为0°；四路信号的检偏器8的起偏角为0°。

具体实施方式六：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，三路信号的四分之一波片9的方位角为45°。

具体实施方式七：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，四路信号的二分之一波片10的方位角为45°。

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于量子偏振的多维信息探测装置的多维信息探测方法，该多维信息探测方法的具体过程为：

步骤1、同步控制模块1、激光器2和偏振态编码器3同时工作，产生具有四种偏振态的四个不同码值的伪随机编码脉冲序列；

步骤2、发射光学器4将步骤1产生的伪随机编码脉冲序列发射出去；

步骤3、目标接收到伪随机编码脉冲序列，目标的回波信号经过往返时间的延迟返回到接收光学器5；

步骤4、回波信号经过四路单光子探测器Gm-APD测量斯托克斯参量，获取四路偏振分光，分别探测出四个偏振态的编码序列信号；

步骤5、同步信号处理器15根据步骤4获取的四个偏振态的编码序列信号和步骤1获取的四个不同码值的伪随机编码脉冲序列，获取相关峰；

步骤6、同步信号处理器15判断相关峰是否大于等于阈值，如果是则认为发现目标，如果否则返回步骤1；

步骤7、同步信号处理器15根据步骤3的往返时间获取目标距离；

步骤8、同步信号处理器15测量步骤5获取的相关峰的强度，即为回波信号的强度；

步骤9、根据步骤8获取的回波信号强度和步骤4的斯托克斯参量获得回波信号强度与反射光斯托克斯矢量的关系；

步骤10、根据发射光学器4发射出信号和回波信号的斯托克斯参量，获得目标的米勒矩阵，即为目标的偏振信息。

本实施方式中，距离信息获取方法为：发射脉冲序列表示为x(t)＝s(t)，经过τ往返时间的延迟回波信号表示为x(t-τ)＝s(t-τ)+n(t)，其中，n(t)表示回波探测中的噪声，回波互相关的结果表示为：

$\begin{array}{c}R=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^{T}x\left(t\right)x\left(t-\mathrm{\τ}\right)dt\\ =\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^{T}s\left(t\right)\[s\left(t-\mathrm{\τ}\right)+n\left(t\right)\]dt\\ =\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^{T}s\left(t\right)s\left(t-\mathrm{\τ}\right)dt+\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^{T}s\left(t\right)n\left(t\right)dt\\ =R_{ss}\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{sn}\end{array};$

其中，第一项为回波信号相关项，该项给出相关峰位置与τ往返时间成正比，第二项是本振信号和噪声相关的结果，由于信号和噪声没有相关性，所以在序列的累积中趋于0，这样通过相关的方法提取出目标的距离值。

强度信息的获取方法为：获得了信号相关峰，通过它的延迟时间可以得到目标的距离，相关峰的强度与回波信号的强度有关。

在目标发现过程中，对于超过阈值的相关峰，认为是信号回波，在目标测量过程中通过相关峰位置的探测给出距离信息，即相关峰位置对应着回波信号的延迟时间τ，根据R＝cτ/2的雷达距离方程就能给出目标的距离，然后测量相关峰的强度即可以反应回波信号的强弱。

回波信号的强度为I，脉冲宽度为t，探测器被触发的概率为：

相关峰的强度I_peak正比于触发概率，即：

这样相关峰的强度I_peak和回波信号强度I拥有固定的函数关系，从而可以通过相关峰的强度得到回波信号的强度。

偏振信息的获取方法为：系统采用四路Gm-APD测量斯托克斯参量，利用Gm-APD光子计数进行极微弱光的强度测量时，假设经过了M次测量统计，在第m区间的雪崩脉冲数为K(m)，则探测概率P(m)可以计算得到：

则入射的光电子数为： $N_{sn}\left(m\right)=-\ln \[1-\frac{K\left(m\right)}{M}\exp \left(\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Σ}}{N}_{sn}\left(i\right)\right)\];$

将探测到的信号光强带入，可以得到探测器探测信号强度和反射光的斯托克斯矢量之间的表达式：

$\left[\begin{array}{c}-\ln \left\{1-\frac{K_0}{M}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Π}}\exp \[N_{sn}\left(i\right)\]\right\}\\ -\ln \left\{1-\frac{K_1}{M}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Π}}\exp \[N_{sn}\left(i\right)\]\right\}\\ -\ln \left\{1-\frac{K_2}{M}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Π}}\exp \[N_{sn}\left(i\right)\]\right\}\\ -\ln \left\{1-\frac{K_3}{M}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Π}}\exp \[N_{sn}\left(i\right)\]\right\}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{00}& a_{01}& a_{02}& a_{03}\\ a_{10}& a_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{20}& a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{30}& a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S_0}^{\′}\\ {S_1}^{\′}\\ {S_2}^{\′}\\ {S_3}^{\′}\end{array}\right];$

其中， $A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{00}& a_{01}& a_{02}& a_{03}\\ a_{10}& a_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{20}& a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{30}& a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]$ 为本系统的仪器矩阵，表现为系统光学器件对光子偏振态的影响。

左右两边同乘以系统仪器矩阵的米勒矩阵，可以求得从目标反射的光子的斯托克斯矢量：

$\left[\begin{array}{c}{S_0}^{\′}\\ {S_1}^{\′}\\ {S_2}^{\′}\\ {S_3}^{\′}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cccc}{a}_{00}& a_{01}& a_{02}& a_{03}\\ a_{10}& a_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{20}& a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{30}& a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}-\ln \left\{1-\frac{K_0}{M}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Π}}\exp \[N_{sn}\left(i\right)\]\right\}\\ -\ln \left\{1-\frac{K_1}{M}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Π}}\exp \[N_{sn}\left(i\right)\]\right\}\\ -\ln \left\{1-\frac{K_2}{M}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Π}}\exp \[N_{sn}\left(i\right)\]\right\}\\ -\ln \left\{1-\frac{K_3}{M}\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Π}}\exp \[N_{sn}\left(i\right)\]\right\}\end{array}\right];$

最后，根据反射光和入射光的斯托克斯参量，得到目标的米勒矩阵。

本发明中，同步控制模块1作为本发明的核心，用于控制激光器2的输出状态、偏振态编码器3的工作状态和各分系统之间的工作时序，采用32位浮点中央处理器TMS320F28335，时钟频率为150MHz，时钟周期为6.67ns，为低功耗设计。

激光器2作为本发明的光源，要求具有较高的功率稳定性和频率稳定性，同时要求能够输出稳定的偏振态脉冲激光，激光器2是功率稳定性小于3％，重复频率为10KHz，峰值功率为100KW，脉冲宽度为10ns的脉冲激光器。

偏振态编码器3是通过光电效应来实现对偏振态的控制。在外电场的作用下，电光晶体的折射率会发生变化，因此光波在通过晶体时所经历的光程或位相延迟受到外电场控制，偏振态发生变化，从而实现对偏振态的编码。偏振态编码器3的调制速率为100MHz，损伤阈值为2W/m²，半波电压为135V。

发射光学器4是用于对发射的激光进行准直扩束的光学镜头，能够减小激光的束散角。

接收光学器5是对目标散射的激光回波进行收集汇聚。其中接收光学器5种还包括窄带滤光片，用于减弱背景噪声的影响。接收光学器5的波长为532nm，为激光纯化滤波片，带宽为2nm，中心波长透过率＞90％，直径为25.4mm。

分光器6是普通的分光棱镜，用于对激光回波信号能量的分光，分光器6是材料为K9玻璃，尺寸为25.4×25.4×25.4mm³，分光比为50：50，偏差±5％，平均偏振，波长450-650nm，斜面镀部分反射膜，所有直角面增透。

检偏器8采用格兰泰勒棱镜，材料为a-BBO晶体，波长532nm，直径25.4mm，消光比＜5×10^-6，损伤阈值＞10MW/cm²，镀膜。

四分之一波片9用于对偏振光的斯托克斯参量产生特定的变化。四分之一波片9的材料为石英晶体，空气隙零级波片，通关孔径18mm，支架外径25.4mm，相位1/4，波长532nm，双面增透。

二分之一波片10用于对偏振光的斯托克斯参量产生特定的变化。二分之一波片10的材料为石英晶体，空气隙零级波片，通关孔径18mm，支架外径25.4mm，相位1/2，波长532nm，双面增透。

第一单光子探测器Gm-APD11、第二单光子探测器Gm-APD12、第三单光子探测器Gm-APD13和第四单光子探测器Gm-APD14均采用相同的Gm-APD探测器模块，用于实现单光子量级的光子计数探测，采用采用美国LASERCOMPONENTS的COUNT-100C-FCGm-APD探测器模块。

Claims (8)

1.基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，它包括同步控制模块(1)、激光器(2)、偏振态编码器(3)、发射光学器(4)、接收光学器(5)、三个分光器(6)、全反射镜(7)、检偏器(8)、四分之一波片(9)、二分之一波片(10)、第一单光子探测器Gm-APD(11)、第二单光子探测器Gm-APD(12)、第三单光子探测器Gm-APD(13)、第四单光子探测器Gm-APD(14)和同步信号处理器(15)；

同步控制模块(1)产生同步信号驱动激光器(2)，激光器(2)产生高保偏度的脉冲信号，同时同步控制模块(1)将同步信号输出至偏振态编码器(3)，偏振态编码器(3)将脉冲信号进行水平、垂直、对角和反对角伪随机的脉冲序列调制，调制后的激光经过发射光学器(4)的准直扩束照射目标，目标的回波信号入射至接收光学器(5)，接收光学器(5)对回波信号进行聚焦收集，然后通过三个分光器(6)将回波信号分为四路信号，一路信号经过全反射镜(7)的反射后入射至第一单光子探测器Gm-APD(11)，第一单光子探测器Gm-APD(11)对一路信号进行探测，二路信号经过检偏器(8)的起偏后入射至第二单光子探测器Gm-APD(12)，第二单光子探测器Gm-APD(12)对二路信号进行探测，三路信号经过四分之一波片(9)的透射和检偏器(8)的起偏后入射至第三单光子探测器Gm-APD(13)，四路信号经过二分之一波片(10)的透射和检偏器(8)的起偏后入射至第四单光子探测器Gm-APD(14)；

同步信号处理器(15)根据第一单光子探测器Gm-APD(11)、第二单光子探测器Gm-APD(12)、第三单光子探测器Gm-APD(13)和第四单光子探测器Gm-APD(14)探测的脉冲信号获得回波的脉冲序列，同步信号处理器(15)根据回波的脉冲序列和同步控制模块(1)产生的同步信号获得目标的距离、强度和偏振的多维信息。

2.根据权利要求1所述的基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，激光器(2)采用高偏振脉冲激光器。

3.根据权利要求1所述的基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，偏振态编码器(3)对脉冲信号采用伪随机非正交的水平、垂直、对角和反对角调制编码，所述水平、垂直、对角和反对角分别为：0°、90°、45°和-45°。

4.根据权利要求1所述的基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，一路信号的探测过程为总光强路，二路信号的探测过程为线偏振路，三路信号的探测过程为四分之一波片路，四路信号的探测过程为二分之一波片路。

5.根据权利要求1所述的基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，二路信号的检偏器(8)的起偏角为45°；三路信号的检偏器(8)的起偏角为0°；四路信号的检偏器(8)的起偏角为0°。

6.根据权利要求1所述的基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，三路信号的四分之一波片(9)的方位角为45°。

7.根据权利要求1所述的基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，四路信号的二分之一波片(10)的方位角为45°。

8.基于权利要求1所述基于量子偏振的多维信息探测装置的多维信息探测方法，其特征在于，该多维信息探测方法的具体过程为：

步骤1、同步控制模块(1)、激光器(2)和偏振态编码器(3)同时工作，产生具有四种偏振态的四个不同码值的伪随机编码脉冲序列；

步骤2、发射光学器(4)将步骤1产生的伪随机编码脉冲序列发射出去；

步骤3、目标接收到伪随机编码脉冲序列，目标的回波信号经过往返时间的延迟返回到接收光学器(5)；

步骤4、回波信号经过四路单光子探测器Gm-APD测量斯托克斯参量，获取四路偏振分光，分别探测出四个偏振态的编码序列信号；

步骤5、同步信号处理器(15)根据步骤4获取的四个偏振态的编码序列信号和步骤1获取的四个不同码值的伪随机编码脉冲序列，获取相关峰；

步骤6、同步信号处理器(15)判断相关峰是否大于等于阈值，如果是则认为发现目标，如果否则返回步骤1；

步骤7、同步信号处理器(15)根据步骤3的往返时间获取目标距离；

步骤8、同步信号处理器(15)测量步骤5获取的相关峰的强度，即为回波信号的强度；

步骤9、根据步骤8获取的回波信号强度和步骤4的斯托克斯参量获得回波信号强度与反射光斯托克斯矢量的关系；

步骤10、根据发射光学器(4)发射出信号和回波信号的斯托克斯参量，获得目标的米勒矩阵，即为目标的偏振信息。