CN107907885A - 一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置 - Google Patents

一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN107907885A
CN107907885A CN201710895111.7A CN201710895111A CN107907885A CN 107907885 A CN107907885 A CN 107907885A CN 201710895111 A CN201710895111 A CN 201710895111A CN 107907885 A CN107907885 A CN 107907885A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
photon counting
module
single photon
device based
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710895111.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107907885B (zh
Inventor
冯飞
许江盟
马菁汀
刘尊龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Huahang Radio Measurement Research Institute
Original Assignee
Beijing Huahang Radio Measurement Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Huahang Radio Measurement Research Institute filed Critical Beijing Huahang Radio Measurement Research Institute
Priority to CN201710895111.7A priority Critical patent/CN107907885B/zh
Publication of CN107907885A publication Critical patent/CN107907885A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107907885B publication Critical patent/CN107907885B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
    • G01S17/08Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G01S17/14Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves wherein a voltage or current pulse is initiated and terminated in accordance with the pulse transmission and echo reception respectively, e.g. using counters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J11/00Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置,由脉冲激光器输出窄脉冲激光经光隔离器组件后分成两部分,一部分直接由光电探测模块探测,光电探测模块输出的电信号分别输入到时间相关单光子计数系统和延时模块,其中输入到时间相关单光子计数系统的信号作为计时起始信号,输入到延时模块的信号作为距离选通控制信号;另一部分经光束整形后照射目标,目标回波信号入射到单光子探测模块后作为计时终止信号输入到时间相关单光子计数系统,通过对时间相关单光子计数系统的信号进行数据处理后,获取目标信息。本发明具有高精度、高灵敏度的优点,有利于实现水下目标探测系统的低功耗和小型化。

Description

一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置
技术领域
本发明属于激光探测技术领域,具体涉及一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置。
背景技术
本发明所涉及的水下目标激光探测系统,是一种通过测量脉冲飞行时间实现水下目标探测的系统。该系统通过测量从发射激光脉冲到收到目标回波脉冲之间的时间,结合光在水介质中的传播速度计算待测目标的距离。首先由脉冲激光光源发射信号光束,该光束在光路中分成两部分,一部分光束用光电探测器接收,光电探测器接收到的光信号转换为电信号后输入到数据采集系统,数据采集系统对该信号进行存储并记录下原始脉冲峰值对应的时刻;另一部分光束照射待测目标,并利用另一光电探测器记录由目标散射的回波信号,由光电探测器将回波信号转换为电信号后输入到同一数据采集系统,数据采集系统将该电信号存储并记录下脉冲峰值对应的时刻,通过原始脉冲峰值对应时刻与回波脉冲峰值对应时刻的时间差即可计算出待测目标距离。
这种方式充分利用激光波长短、方向性好等特点,具有快速、准确、清晰等独特优势,但缺点是一方面由于不同水介质对光波具有的强衰减特性,极大的制约了水下目标探测距离;另一方面,水下环境对光束的后向散射作用影响了激光测距精度和成像效果。若要提高探测距离和探测精度,传统技术手段是增加激光器发射功率,并采用具有极窄脉冲的激光,这不仅极大的增加了激光器的体积和成本,同时对水下应用平台也提出了更高的要求,不利于军事和民用对水下目标探测高效、高精度的应用需求。
发明内容
为解决以上难题,本发明提出一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置。该装置采用时间相关单光子计数方法,即将传统线性探测体制下对回波强度的探测转换为针对单个回波光子的随时间的统计“计数”,通过充分利用回波信号中单光子级别的能量,能够将传统激光探测系统的探测灵敏度提高2~3个数量级,可用于水下目标的远距离、高精度探测。
一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置,包括:
窄脉冲激光器、光隔离器组件、光电探测模块、时间相关单光子计数系统、延时模块、光束整形系统、单光子探测模块和信号处理器;由窄脉冲激光器发射脉冲光,经光隔离器组件分光,将所述脉冲光分为两部分:一部分脉冲光入射到光电探测模块,所述光电探测模块对接收到的脉冲光进行光电转换,光电转换后的电信号分别输入到时间相关单光子计数系统和延时模块,其中输入到时间相关单光子计数系统的电信号作为计时起始信号,输入到延时模块的电信号作为距离选通控制信号;另一部分脉冲光经光束整形系统进行光束整形后照射到目标,目标反射的回波信号由单光子探测模块接收,该接收的回波信号作为计时终止信号输入到时间相关单光子计数系统;最后由信号处理器对时间相关单光子计数系统获取的信号进行处理后即可获取目标信息。
进一步的,所述的窄脉冲激光器输出脉冲脉宽小于等于1ns,重频大于等于19kHz。
进一步的,所述的光隔离器组件由格兰棱镜、四分之一波片、半波片组成。
进一步的,所述的光电探测模块为具有双通道的光电探测模块。
进一步的,所述的时间相关单光子计数系统为具有双通道的时间相关单光子计数系统,时间分辨率为ps量级。
进一步的,所述的延时模块可输出延迟和占空比可调的触发信号和脉冲信号。
进一步的,所述的光束整形系统由双透镜组成。
进一步的,所述的单光子探测模块为具有门控选通功能的单光子探测模块,暗计数率25Hz、探测死时间24ns~35ns、时间抖动300ps~400ps、计数率大于20MHz。
进一步的,所述的信号处理器为具有单光子信号提取功能的信号处理器。
根据上述技术方案,本发明的有益效果为:
1.使用脉冲脉宽小于1ns的窄脉冲激光器,降低由激光脉宽时间抖动对系统测距精度引入的影响,有利于减小系统测距误差。
2.提出使用时间相关单光子计数系统对水下目标进行探测,通过对目标回波信号光子出现的概率进行统计,代替传统探测技术对回波信号强度进行探测,该计数系统的时间分辨精度达ps量级,能够实现水下目标回波信号中各个光子到达时间的精确测量,提高了水下目标的距离测量精度。
3.提出使用单光子探测模块探测水下目标回波信号,单光子探测模块能够响应单光子级别的能量,比传统光电探测器的探测灵敏度提高2~3个数量级,在激光器相同发射功率下,探测距离可提高一个数量级以上,有利于实现水下激光探测系统的低功耗和小型化。
4.使用延时模块和单光子探测模块的门控选通功能实现距离选通,降低水中后向散射光的噪声、背景噪声以及暗计数噪声的影响,提高接收信号光的信噪比和探测概率。
附图说明
图1为基于单光子计数方法的水下目标探测装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
如图1所示,基于单光子计数方法的水下目标探测装置,包括窄脉冲激光器1、光隔离器组件2、光电探测模块3、时间相关单光子计数模块4、延时模块5、光束整形系统6、单光子探测模块7和信号处理器8;由窄脉冲激光器1发射532nm绿光,经光隔离器组件2分为两部分,一部分直接入射到光电探测模块3,由光电探测模块3将接收到的光信号转换为电信号后分别输入到时间相关单光子计数系统4和延时模块5,其中输入到时间相关单光子计数系统的信号作为计时起始信号,输入到延时模块的信号作为距离选通控制信号,用于控制单光子探测模块7的选通时间;另一部分光经光束整形系统6扩束后照射待测目标,由待测目标反射的信号入射到单光子探测模块7,该信号作为计时终止信号输入到时间相关单光子计数系统4,最后由信号处理器8对时间相关单光子计数系统获取的起始信号和终止信号处理后即可获取目标信息。
其中,所述目标信息包括:距离信息。
所述的激光器为窄脉冲激光器,脉宽小于1ns,重频大于19kHz,满足水下目标高精度探测的使用要求;所述的光隔离器组件由格兰棱镜、四分之一波片、半波片组成,其中格兰棱镜用于对不同偏振态的光分束,四分之一波片和半波片可实现线偏振光和圆偏振光的转换,三者组合可实现光束的收发隔离;所述的光电探测模块具有双通道,其中一个通道的信号作为计时起始信号,另一个通道的信号作为距离选通控制信号,量子效率为40%,接收光敏面直径5mm;所述的时间相关单光子计数模块,时间分辨率达ps量级,其时间分辨率可达4ps,时间精度小于12ps,可实现信号到达时间的精密计时;所述的延时模块可输出延迟和占空比可调的触发信号和脉冲信号,实现选通时间的调节;所述的光束整形系统由两个透镜组成,其间距等于两个透镜的焦距之和,用于对发射信号的扩束整形;所述的单光子探测模块具有门控选通功能,暗计数率25Hz、探测死时间24ns~35ns、时间抖动300ps~400ps、计数率大于20MHz,可实现单光子信号的探测;所述的信号处理器具有单光子信号提取功能,可有效提取微弱信号信息。
与现有技术相比,本发明使用窄脉冲激光器,降低由激光脉宽时间抖动对系统测距精度引入的影响,有利于减小系统测距误差;本发明提出使用时间相关单光子计数系统对水下目标进行探测,通过对目标回波信号光子出现的概率进行统计,代替传统探测技术对回波信号强度的探测,该计数系统的时间分辨精度达ps量级,能够实现水下目标回波信号中各个光子到达时间的精确测量,提高了水下目标的距离测量精度;提出使用单光子探测模块探测水下目标回波信号,单光子探测模块能够响应单光子级别的能量,比传统光电探测器的探测灵敏度提高2~3个数量级,在激光器相同发射功率下,探测距离可提高一个数量级以上,有利于实现水下激光探测系统的低功耗和小型化;本发明使用延时模块和单光子探测模块的门控选通功能实现距离选通,降低水中后向散射光的噪声、背景噪声以及暗计数噪声的影响,提高接收信号光的信噪比和探测概率。
根据上述具体实施方式的介绍可知,本发明是一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置,相比传统水下目标激光探测技术,探测精度高、灵敏度高,有利于水下激光探测系统的低功耗和小型化;通过结合扫描成像技术,本发明可开展水下目标成像试验,为水下目标高精度探测及成像试验提供技术支持。
上述具体实施方式仅用于解释和说明本发明的权利要求,并不能构成对权利要求的限定。本领域技术人员应当清楚,在本发明的技术方案的基础上进行的任何简单的修改、变形或替换,而得到的新的技术方案,均将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置,其特征在于:
所述装置包括:
窄脉冲激光器、光隔离器组件、光电探测模块、时间相关单光子计数系统、延时模块、光束整形系统、单光子探测模块和信号处理器;由窄脉冲激光器发射脉冲光,经光隔离器组件分光,将所述脉冲光分为两部分:一部分脉冲光入射到光电探测模块,所述光电探测模块对接收到的脉冲光进行光电转换,光电转换后的电信号分别输入到时间相关单光子计数系统和延时模块,其中输入到时间相关单光子计数系统的电信号作为计时起始信号,输入到延时模块的电信号作为距离选通控制信号;另一部分脉冲光经光束整形系统进行光束整形后照射到目标,目标反射的回波信号由单光子探测模块接收,该接收的回波信号作为计时终止信号输入到时间相关单光子计数系统;最后由信号处理器对时间相关单光子计数系统获取的信号进行处理后即可获取目标信息。
2.如权利要求1所述的基于单光子计数方法的水下目标探测装置,其特征在于:所述的窄脉冲激光器输出脉冲脉宽小于等于1ns,重频大于等于19kHz。
3.如权利要求1所述的基于单光子计数方法的水下目标探测装置,其特征在于:所述的光隔离器组件由格兰棱镜、四分之一波片、半波片组成。
4.如权利要求1所述的基于单光子计数方法的水下目标探测装置,其特征在于:所述的光电探测模块为具有双通道的光电探测模块。
5.如权利要求1所述的基于单光子计数方法的水下目标探测装置,其特征在于:所述的时间相关单光子计数系统为具有双通道的时间相关单光子计数系统,时间分辨率为ps量级。
6.如权利要求1所述的基于单光子计数方法的水下目标探测装置,其特征在于:所述的延时模块可输出延迟和占空比可调的触发信号和脉冲信号。
7.如权利要求1所述的基于单光子计数方法的水下目标探测装置,其特征在于:所述的光束整形系统由双透镜组成。
8.如权利要求1-7中任一项所述的基于单光子计数方法的水下目标探测装置,其特征在于:所述的单光子探测模块为具有门控选通功能的单光子探测模块。
9.如权利要求1-8中任一项所述的基于单光子计数方法的水下目标探测装置,其特征在于:所述的信号处理器为具有单光子信号提取功能的信号处理器。
CN201710895111.7A 2017-09-28 2017-09-28 一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置 Active CN107907885B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710895111.7A CN107907885B (zh) 2017-09-28 2017-09-28 一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710895111.7A CN107907885B (zh) 2017-09-28 2017-09-28 一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107907885A true CN107907885A (zh) 2018-04-13
CN107907885B CN107907885B (zh) 2020-03-27

Family

ID=61840216

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710895111.7A Active CN107907885B (zh) 2017-09-28 2017-09-28 一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107907885B (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110274698A (zh) * 2019-07-10 2019-09-24 中国人民解放军陆军工程大学 一种重频编码脉冲激光的性能检测装置
CN110398750A (zh) * 2019-09-03 2019-11-01 中智科仪(北京)科技有限公司 一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统
CN112346076A (zh) * 2020-11-25 2021-02-09 Oppo(重庆)智能科技有限公司 电子装置的控制方法、电子装置及计算机可读存储介质
CN113267799A (zh) * 2021-05-17 2021-08-17 重庆邮电大学 一种基于星海光量子链路传输的水下量子测距方法
CN114488174A (zh) * 2022-01-04 2022-05-13 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于双通道单光子探测和二维互相关的测距系统及方法
CN115079199A (zh) * 2022-08-22 2022-09-20 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种水下目标多模态信息感知系统及方法
CN116804760A (zh) * 2023-08-21 2023-09-26 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种高重频正交偏振光子计数测深系统及方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2585203Y (zh) * 2002-07-08 2003-11-05 中国科学院物理研究所 单光子探测器量子效率的绝对自身标定装置
CN101915925A (zh) * 2010-07-28 2010-12-15 北京理工大学 一种基于电子快门的水下距离选通成像方法
CN102323591A (zh) * 2011-08-04 2012-01-18 长春理工大学 基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置
CN102375144A (zh) * 2011-09-22 2012-03-14 北京航空航天大学 单光子计数压缩采样激光三维成像方法
CN203909297U (zh) * 2014-01-20 2014-10-29 华东师范大学 基于高速单光子探测的激光测距仪
CN106556380A (zh) * 2016-11-11 2017-04-05 上海航天测控通信研究所 一种水下目标探测装置
CN106788739A (zh) * 2017-01-23 2017-05-31 中国人民解放军理工大学 基于光子计数的无线光通信接收装置及光信号检测方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2585203Y (zh) * 2002-07-08 2003-11-05 中国科学院物理研究所 单光子探测器量子效率的绝对自身标定装置
CN101915925A (zh) * 2010-07-28 2010-12-15 北京理工大学 一种基于电子快门的水下距离选通成像方法
CN102323591A (zh) * 2011-08-04 2012-01-18 长春理工大学 基于皮秒脉冲的高精度激光测距装置
CN102375144A (zh) * 2011-09-22 2012-03-14 北京航空航天大学 单光子计数压缩采样激光三维成像方法
CN203909297U (zh) * 2014-01-20 2014-10-29 华东师范大学 基于高速单光子探测的激光测距仪
CN106556380A (zh) * 2016-11-11 2017-04-05 上海航天测控通信研究所 一种水下目标探测装置
CN106788739A (zh) * 2017-01-23 2017-05-31 中国人民解放军理工大学 基于光子计数的无线光通信接收装置及光信号检测方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MOHAMMAD VAHID JAMALI ET AL.: ""Performance Studies of Underwater Wireless Optical Communication Systems With Spatial Diversity: MIMO Scheme"", 《IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS 》 *
王荣波等: ""激光照明水下目标距离选通成像系统的研制"", 《强激光与粒子束》 *
陈超等: ""基于距离选通成像系统的水下目标探测技术研究"", 《应用光学》 *
韩彪等: ""面向水下应用的改进型光子计数通信方法"", 《光学学报》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110274698A (zh) * 2019-07-10 2019-09-24 中国人民解放军陆军工程大学 一种重频编码脉冲激光的性能检测装置
CN110274698B (zh) * 2019-07-10 2024-01-19 中国人民解放军陆军工程大学 一种重频编码脉冲激光的性能检测装置
CN110398750A (zh) * 2019-09-03 2019-11-01 中智科仪(北京)科技有限公司 一种基于门控单光子相机的激光水下目标探测系统
CN112346076A (zh) * 2020-11-25 2021-02-09 Oppo(重庆)智能科技有限公司 电子装置的控制方法、电子装置及计算机可读存储介质
CN113267799A (zh) * 2021-05-17 2021-08-17 重庆邮电大学 一种基于星海光量子链路传输的水下量子测距方法
CN114488174A (zh) * 2022-01-04 2022-05-13 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于双通道单光子探测和二维互相关的测距系统及方法
CN114488174B (zh) * 2022-01-04 2024-04-12 中国科学院西安光学精密机械研究所 基于双通道单光子探测和二维互相关的测距系统及方法
CN115079199A (zh) * 2022-08-22 2022-09-20 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种水下目标多模态信息感知系统及方法
CN115079199B (zh) * 2022-08-22 2022-11-18 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种水下目标多模态信息感知系统及方法
CN116804760A (zh) * 2023-08-21 2023-09-26 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种高重频正交偏振光子计数测深系统及方法
CN116804760B (zh) * 2023-08-21 2023-11-21 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种高重频正交偏振光子计数测深系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107907885B (zh) 2020-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107907885A (zh) 一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置
CN109343069B (zh) 可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达及其测距方法
JP5138854B2 (ja) 光学距離測定
CN101435700B (zh) 红外激光照明源发散角的测试方法及测试装置
CN102680959B (zh) 关联成像激光雷达的发射模块
CN111308493A (zh) 一种基于双单光子探测器的水下三维成像激光雷达装置
CN103308187B (zh) 高频三维夏克哈特曼波前测量装置及其测量方法
CN110470387B (zh) 一种基于多探测器的单光子激光雷达装置
CN110161519A (zh) 一种宏脉冲光子计数激光雷达
CN106019300A (zh) 一种激光测距装置及其激光测距方法
CN103616696A (zh) 一种激光成像雷达装置及其测距的方法
CN109597057A (zh) 一种激光回波测距方法及测距装置
CN110161521B (zh) 一种基于真随机编码的光子计数激光雷达
CN106772426B (zh) 实现远距离激光高灵敏单光子成像的系统
Zhang et al. Three-dimensional imaging Lidar system based on high speed pseudorandom modulation and photon counting
CN102520413A (zh) 基于面阵apd 阵列的激光主动探测装置
CN115267822A (zh) 高均匀度扫描式单光子激光三维雷达成像系统及成像方法
CN115856933A (zh) 高通量光子计数激光雷达成像装置及方法
CN109521666B (zh) 一种基于延迟锁相环的时间数字转换器
CN112526536B (zh) 一种基于脉冲串技术的单光子测距系统及方法
CN109188392A (zh) 一种远距离微弱信号的探测装置
US20230288538A1 (en) Laser receiving system and laser ranging system
CN111142121B (zh) 一种基于双级虚像相位阵列的布里渊散射测温激光雷达系统
CN108387906A (zh) 一种基于fpga-tdc的三维激光成像系统
CN107462896B (zh) 一种脉冲激光侧向捕获与测量系统及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant