CN106054206B - 基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统及方法，涉及量子激光雷达技术领域。它解决了现有的目标方位角探测领域中对方位角探测遇到经典衍射极限的问题。光学系统收集回波信号并将信号汇聚至分束器进行处理；两路信号分别在分束器透射反射后入射至量子平衡零差探测器，量子平衡零差探测器用于对接收的信号做差值处理并解算出目标的方位角信息，实现量子平衡零差探测器对分束器的出射信号进行探测。通过量子平衡零差探测实现超分辨率的方位角探测，突破经典衍射极限。利用两个光学系统同时接收目标的回波信号，然后将信号做相关处理，采用量子平衡零差探测将相关信号做差值处理，从而得到目标的方位角信息。适合于远距离目标方位角的精确测量。

Description

基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统及方法
技术领域
本发明涉及一种高分辨率的目标方位角的探测系统及方法，涉及量子激光雷达技术领域。
背景技术
在激光雷达领域中，对目标方位角的精确测量一直是一个技术难题，传统的目标方位角测量受到了经典衍射极限的限制，尤其是对远距离目标方位角的探测，衍射极限的影响更是明显。现有技术中给出了很多种测量目标方位角的方法，如：CN101251595号的专利文献给出了一种基于非抽样Contourlet变换的SAR图像目标方位角估计方法，CN101887120A号的专利文献给出了一种用于单波束机械扫描雷达测量目标方位角的方法，现有的这些方法很难突破衍射极限，不能对目标方位角进行精确测量。
对于传统方案而言，对目标方位角的探测受到衍射极限的限制，其探测分辨率为
其中ΘC为目标方位角，λ为回波信号波长，L为两探测器之间的距离。公式中可以看出，若要减小ΘC的波动范围必须扩大两探测器之间的距离L，但是实验装置不可能做到无限的扩大，其探测分辨率受到了限制。
发明内容
本发明为了解决现有的目标方位角测量方法无法突破衍射极限，不能对目标方位角进行精确测量的问题，进而提供了一种基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统及方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明所采用的技术方案是：
一种基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统，所述系统包括至少两个光学系统、分束器和至少两个量子平衡零差探测器，两个有一定距离的光学系统用于接收目标返回的带有方位角信息的回波信号，光学系统收集回波信号并将信号汇聚至分束器进行处理；两路信号分别在分束器透射反射后入射至量子平衡零差探测器，实现量子平衡零差探测器对分束器的出射信号进行探测。
所述系统还包括一个多通道高速计数卡和一个信号后处理模块；每个光学系统包括外凸透镜、内凸透镜和全反射镜，所述分束器为一个50％-50％光束分束棱镜，每个量子平衡零差探测器包括光纤耦合器、多模光纤和单光子探测器；外凸透镜和内凸透镜同轴设置，回波信号经外凸透镜和内凸透镜作用被收集，然后再经对应的全反射镜进行反射，反射后的两路信号分别进入50％-50％光束分束棱镜进行光学干涉；50％-50％光束分束棱镜的两个输出端的输出信号分别由对应的光纤耦合器进行收集，经每个光纤耦合器收集的信号经过对应多模光纤传输给对应的单光子探测器，两个单光子探测器的输出信号由一个多通道高速计数卡进行采集，然后两路探测结果被输入到一个信号后处理模块进行平衡零差的信号后处理，从而解算出目标的方位角信息。
两个有一定距离的光学系统接收目标的回波信号，两个光学系统之间的距离L为固定距离。L是确定的数值，要波动尽可能的小。
两个外凸透镜主光轴的间距为L，每个外凸透镜的口径为D，要求L＞＞D，这样两个光学系统收集到信号的相位差能远大于同一光学系统内信号相位差的影响。
所述光学系统为将光束汇于一点收集的光学望远镜。
一种基于量子平衡零差探测目标方位角测量方法，所述方法基于上述测量系统来实现，所述方法的实现过程为：
步骤一、确定波前的相位差φ与方位角Θ之间的关系：
激光器经扩束后照射目标，回波信号以一定方位角入射到目标方位角测量系统的光学系统上，两光学系统之间的距离为L，同一时间到达两光学系统的两波前的相位差φ与其方位角Θ之间的关系为：
λ为回波信号波长，L为两光学系统之间的距离，
步骤二、测得同时到达的波前的相位差φ：
两光学系统接收到信号后将其汇聚到分束器上进行干涉，基于干涉现象两信号的不同相位差对应着分束器两路出射信号的强度分配，两路平均光子数有如下形式：
其中为光学系统前的平均光子数，在分束器出射的两路光子入射到量子平衡零差探测器，对光子进行计数从而实现相位的精确测量，相位有：
相位测量分辨率δ有：
所述分辨率达到散粒噪声极限时，根据(3)式进一步得到方位角：
方位角的探测分辨率为：
式中，δ表示表示方位角测量的标准差(也就是精度)。
本发明的有益效果是：
本方案提出了基于量子平衡零差探测的目标方位角测量系统，探测分辨率有：
其中ΘQ为目标方位角，λ为回波信号波长，L为两光学系统之间的距离，信号平均光子数。计算证明当平均光子数达到100时，基于量子平衡零差探测的目标方位角测量系统的量子探测极限比经典衍射极限小60倍。该方案可有效地提升方位角探测分辨率。
本发明解决了现有的目标方位角探测领域中对方位角探测遇到经典衍射极限的问题，通过量子平衡零差探测实现超分辨率的方位角探测，突破经典衍射极限。它利用两个光学系统同时接收目标的回波信号，然后将信号做干涉处理，然后将两路干涉信号进行差值处理，从而得到目标的方位角信息。本发明适合于远距离目标方位角的精确测量。本发明方法克服上述现有技术的不足，实现对目标方位角的超分辨探测。与现有技术相比，本发明的有益效果是提升了目标方位角的探测分辨率。
附图说明
图1是基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统的结构框图，图2是具体实施方式二所述的基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统的结构图，图3是两探测误差之比随光子数的变化图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统包括至少两个光学系统1、分束器2和至少两个量子平衡零差探测器3，两个有一定距离的光学系统1用于接收目标返回的带有方位角信息的回波信号，光学系统1收集回波信号并将信号汇聚至分束器2进行处理；两路信号分别在分束器透射反射后入射至量子平衡零差探测器3，实现量子平衡零差探测器3对分束器2的出射信号进行探测。
具体实施方式二：如图2所示，本实施方式所述的基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统还包括一多通道高速计数卡4和一个信号后处理模块5；
每个光学系统1包括外凸透镜1-1、内凸透镜1-2和全反射镜1-3，所述分束器2为一个50％-50％光束分束棱镜，每个量子平衡零差探测器3包括光纤耦合器3-1、多模光纤3-2和单光子探测器3-3；
外凸透镜1-1和内凸透镜1-2同轴设置，回波信号经外凸透镜1-1和内凸透镜1-2作用被收集，然后再经对应的全反射镜1-3进行反射，反射后的两路信号分别进入50％-50％光束分束棱镜进行光学干涉；
50％-50％光束分束棱镜的两个输出端的输出信号分别由对应的光纤耦合器3-1进行收集，经每个光纤耦合器3-1收集的信号经过对应多模光纤3-2传输给对应的单光子探测器3-3，两个单光子探测器3-3的输出信号由一个多通道高速计数卡4进行采集，然后两路探测结果被输入到一个信号后处理模块5进行平衡零差的信号后处理，从而解算出目标的方位角信息。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图1和2所示，本实施方式中，两个有一定距离的光学系统1接收目标的回波信号，两个光学系统1之间的距离L为固定距离。L是确定的数值，要波动尽可能的小。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：如图1和2所示，本实施方式中，两个外凸透镜1-1主光轴的间距为L，每个外凸透镜1-1的口径为D，要求L＞＞D，这样两个光学系统收集到信号的相位差能远大于同一光学系统内信号相位差的影响。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式中，所述光学系统1为将光束汇于一点收集的光学望远镜。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式给出一种基于量子平衡零差探测目标方位角测量方法，其特征在于：所述方法基于上述基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统来实现的，
所述方法的实现过程为：
步骤一、确定波前的相位差φ与方位角Θ之间的关系：
激光器经扩束后照射目标，回波信号以一定方位角入射到目标方位角测量系统，两个光学系统之间的距离为L，同一时间到达两光学系统1的两波前的相位差φ与其方位角Θ之间的关系为：
λ为回波信号波长，L为两光学系统1之间的距离，
步骤二、测得同时到达的波前的相位差φ：
两个光学系统1接收到信号后将其汇聚到分束器2上进行干涉，基于干涉现象两信号的不同相位差对应着分束器两路出射信号的强度分配，两路平均光子数有如下形式：
其中为光学系统1前的平均光子数，在分束器出射的两路光子入射到量子平衡零差探测器，对光子进行计数从而实现相位的精确测量，相位有：
相位测量分辨率δ有：
所述分辨率达到散粒噪声极限时，根据(3)式进一步得到方位角：
方位角的探测分辨率为：
式中，δ表示表示方位角测量的标准差(也就是精度)。
如图1和2所示，本实施方式给出了基于量子平衡零差探测目标方位角测量方法：其过程为：激光器经扩束后照射目标，回波信号以一定方位角入射到探测系统。探测系统中两光学系统1相聚一定距离L，同一时间到达两光学系统1的波前是不同的，两波前的相位差与其方位角有关。
因此只要测得同时到达的波前的相位差即可得到方位角信息。
两光学系统1接收到信号后将其汇聚到分束器上进行干涉。由于干涉现象的存在，两信号的不同相位差对应着分束器两路出射信号的强度分配。两路平均光子数有如下形式：
其中为光学系统1前的平均光子数。在分束器出射的两路光子入射到量子平衡零差探测器，对光子进行计数从而实现相位的精确测量，相位有：
相位测量分辨率有：
此分辨率已经达到散粒噪声极限，根据(3)式进一步得到方位角：
方位角的探测分辨率为：
由(8)式可得到目标方位角，将(1)式与(9)做比，可以得到不同光子数下平衡零差探测误差与经典衍射极限误差之间的比例关系(如图3所示)，图中横轴为光子数，纵轴为两误差之比。可以看出当光子数为100时，量子平衡零差探测误差是经典衍射极限的0.16％，极大的提升了探测精度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统，其特征在于：所述系统包括至少两个光学系统(1)、分束器(2)和至少两个量子平衡零差探测器(3)，
两个有一定距离的光学系统(1)用于接收目标返回的带有方位角信息的回波信号，光学系统(1)收集回波信号并将信号汇聚至分束器(2)进行处理；两路信号分别在分束器透射反射后入射至量子平衡零差探测器(3)，实现量子平衡零差探测器(3)对分束器(2)的出射信号进行探测；
所述系统还包括一个多通道高速计数卡(4)和一个信号后处理模块(5)；
每个光学系统(1)包括外凸透镜(1-1)、内凸透镜(1-2)和全反射镜(1-3)，所述分束器(2)为一个50％-50％光束分束棱镜，每个量子平衡零差探测器(3)包括光纤耦合器(3-1)、多模光纤(3-2)和单光子探测器(3-3)；
外凸透镜(1-1)和内凸透镜(1-2)同轴设置，回波信号经外凸透镜(1-1)和内凸透镜(1-2)作用被收集，然后再经对应的全反射镜(1-3)进行反射，反射后的两路信号分别进入50％-50％光束分束棱镜进行光学干涉；
50％-50％光束分束棱镜的两个输出端的输出信号分别由对应的光纤耦合器(3-1)进行收集，经每个光纤耦合器(3-1)收集的信号经过对应多模光纤(3-2)传输给对应的单光子探测器(3-3)，两个单光子探测器(3-3)的输出信号由一个多通道高速计数卡(4)进行采集，然后两路探测结果被输入到一个信号后处理模块(5)进行平衡零差的信号后处理，从而解算出目标的方位角信息。
2.根据权利要求1所述的基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统，其特征在于：两个有一定距离的光学系统(1)接收目标的回波信号，两个光学系统(1)之间的距离L为固定距离。
3.根据权利要求1所述的基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统，其特征在于：两个外凸透镜(1-1)主光轴的间距为L，每个外凸透镜(1-1)的口径为D，要求L＞＞D。
4.根据权利要求2所述的基于量子平衡零差探测目标方位角测量系统，其特征在于：所述光学系统(1)为将光束汇于一点收集的光学望远镜。
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