CN106772426A - 实现远距离激光高灵敏单光子成像的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及量子成像领域，提供一种实现远距离激光高灵敏单光子成像的系统，其包括激光主动照亮模块、线性探头、接收望远镜、第一分束器、单光子探测阵列、CCD成像模块以及时序控制模块。本发明提出的技术方案实现了高灵敏度单光子级成像，具有重复频率高，集成度高，体积小，功耗低等优良特性，同时本发明实施例将CCD表面纹理成像和高程信息进行在轨实时信息融合，提高了信息融合实时效率。
Description
技术领域
本发明属于量子成像领域，特别涉及一种实现远距离激光高灵敏单光子成像的系统。
背景技术
现有的星载/机载激光主动探测系统是一种线性探测系统，均存在以下问题：
(1)由于传统探测系统采用的是线性光电探测器，对回波信号的能量要求较高，导致星载/机载发射激光能量较大，因此系统能耗及体积均较大、系统集成度较低；
(2)采用单光束替换多光束扫描的方法虽然可降低激光发射功率，但单次只能测量单点高程信息，获取某一地区大比例尺制图所需的高密度覆盖的高程信息，需要多次环绕飞行，长期累积测量，重复频率低，获取高程信息时间很长；
(3)现有探测系统的高程信息与表面纹理信息必须采用分立系统采集获得，然后再进行信息融合，无法做到在轨实时信息融合，必须传输到地面进行信息融合，既增加了天地信息传输压力，同时也导致信息融合实时性很差。
发明内容
【要解决的技术问题】
本发明的目的是提供一种实现远距离激光高灵敏单光子成像的系统，采用激光主动照射目标，然后根据回波信息进行单光子级别的三维成像，以至少解决以上技术问题之一。
【技术方案】
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明涉及一种实现远距离激光高灵敏单光子成像的系统，包括激光主动照亮模块、线性探头、接收望远镜、第一分束器、单光子探测阵列、CCD成像模块以及时序控制模块，所述单光子探测阵列与CCD成像模块连接，所述时序控制模块分别与CCD成像模块、单光子探测阵列和线性探头连接，所述第一分束器设置在接收望远镜的发射光路上，所述CCD成像模块设置在第一分束器的第一输出光路上，所述单光子探测阵列设置在第一分束器的第二输出光路上。
作为一种优选的实施方式，所述时序控制模块包括时间分辨单元和数据处理单元，所述时间分辨单元的一个输入端与单光子探测阵列连接，所述时间分辨单元的另一个输入端与线性探头连接，所述时间分辨单元的输出端与数据处理单元连接，所述CCD成像模块的输出端与数据处理单元连接。
作为另一种优选的实施方式，所述激光主动照亮模块包括激光器、第二分束器和扩束调焦装置，所述第二分束器设置在激光器的发射光路上，所述线性探头设置在第二分束器的第一输出光路上，所述扩束调焦装置设置在第二分束器的第二输出光路上。
作为另一种优选的实施方式，所述接收望远镜的发射光路上还设置有窄带滤波片，所述第一分束器的第二输出光路上还设置有可调衰减器。
【有益效果】
本发明提出的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明采用了多元单光子探测阵列进行高程信息测量，重复频率高，获取高程信息时间效率明显提高；
(2)本发明运用单光子计数技术来实现返回光子的检测，在实现增大系统测量范围的同时，降低对激光发射功率的要求，进一步减小系统能耗及尺寸，同时具备高灵敏度，高重复频率，高集成度，体积小，功耗低等优良特性；
(3)本发明通过主动激光照射目标，单光子探测阵列感知目标后，精确控制自适应单光子级CCD进行成像，单光子探测阵列测量高程信息，自适应单光子级CCD获取表面纹理图像信息，可以实现在轨实时信息融合，无须传输到地面进行信息融合，降低了天地信息传输压力，提高了信息融合实时效率。
附图说明
图1为本发明的实施例一提供的实现远距离激光高灵敏单光子成像的系统的原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的具体实施方式进行清楚、完整的描述。
图1为本发明实施例一提供的实现远距离激光高灵敏单光子成像的系统的原理框图，图中，实线表示连接关系，虚线表示光路方向。如图1所示，该系统包括激光主动照亮模块、线性探头2、接收望远镜3、分束器4、单光子探测阵列5、CCD成像模块6、时序控制模块、窄带滤波片8和可调衰减器9，单光子探测阵列5与CCD成像模块6连接，时序控制模块分别与CCD成像模块6、单光子探测阵列5和线性探头2连接，分束器4设置在接收望远镜3的发射光路上，CCD成像模块6设置在分束器4的第一输出光路上，单光子探测阵列5设置在分束器4的第二输出光路上。窄带滤波片8设置在接收望远镜3的发射光路上，可调衰减器9设置在分束器4的第二输出光路上。
本实施例中，激光主动照亮模块包括激光器11、分束器12和扩束调焦装置13，分束器12设置在激光器11的发射光路上，2线性探头设置在分束器12的第一输出光路上，扩束调焦装置13设置在分束器12的第二输出光路上。
本实施例中，时序控制模块具体包括时间分辨单元71和数据处理单元72。时间分辨单元71的一个输入端与单光子探测阵列5连接，用于接收单光子探测阵列5发送的计数信号。时间分辨单元71的另一个输入端与线性探头2连接，用于接收线性探头2发送的参考信号。时间分辨单元71的输出端与数据处理单元72连接。CCD成像模块6的输出端与数据处理单元72连接，用于将图像信号发送至数据处理单元72。
下面说明本实施例的工作原理。
激光器11发出的脉冲激光(如：光波长为532nm的激光)经过扩束调焦装置13调焦扩束，精确指向目标，使得激光主动照亮的视场和方向精确可控。然后通过接收望远镜3收集回波光信号，在焦平面之前，经过窄带滤光片8抑制背景光，然后通过分束器4，将大部分信号光送入高灵敏的CCD成像模块6，并将小部分信号光送入单光子探测阵列5。单光子探测阵列5完成单光子水平多像素测距和4×4像素的三维成像，通过符合计数结果，产生门控时序信号控制高灵敏CCD成像模块6，使得CCD成像模块6仅在百纳秒的极短时间内采集信号光，从而达到单光子水平的信噪比，最终实现单光子水平的高分辨成像。数据处理单元72融合单光子探测阵列5的多像素距离数据和高灵敏CCD成像模块6的高分辨图像，可以生成高分辨的三维图像，为目标搜索甄别以及精确测绘提供重要数据。
从以上实施例及其工作原理可以看出，本发明实施例实现了高灵敏度单光子级成像，具有重复频率高，集成度高，体积小，功耗低等优良特性，同时本发明实施例将CCD表面纹理成像和高程信息进行在轨实时信息融合，提高了信息融合实时效率。
需要说明，上述描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，也不是对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种实现远距离激光高灵敏单光子成像的系统，其特征在于包括激光主动照亮模块、线性探头、接收望远镜、第一分束器、单光子探测阵列、CCD成像模块以及时序控制模块，所述单光子探测阵列与CCD成像模块连接，所述时序控制模块分别与CCD成像模块、单光子探测阵列和线性探头连接，所述第一分束器设置在接收望远镜的发射光路上，所述CCD成像模块设置在第一分束器的第一输出光路上，所述单光子探测阵列设置在第一分束器的第二输出光路上。
2.根据权利要求1所述的实现远距离激光高灵敏单光子成像的系统，其特征在于所述时序控制模块包括时间分辨单元和数据处理单元，所述时间分辨单元的一个输入端与单光子探测阵列连接，所述时间分辨单元的另一个输入端与线性探头连接，所述时间分辨单元的输出端与数据处理单元连接，所述CCD成像模块的输出端与数据处理单元连接。
3.根据权利要求1所述的实现远距离激光高灵敏单光子成像的系统，其特征在于所述激光主动照亮模块包括激光器、第二分束器和扩束调焦装置，所述第二分束器设置在激光器的发射光路上，所述线性探头设置在第二分束器的第一输出光路上，所述扩束调焦装置设置在第二分束器的第二输出光路上。
4.根据权利要求1所述的实现远距离激光高灵敏单光子成像的系统，其特征在于所述接收望远镜的发射光路上还设置有窄带滤波片，所述第一分束器的第二输出光路上还设置有可调衰减器。
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