CN108226947A - 基于最佳孔径滤除噪声的涡旋光测距系统 - Google Patents

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Abstract

为了解决现有测距系统无法有效滤除背景噪声的问题，本发明提供一种基于最佳孔径滤除噪声的涡旋光测距系统，属于量子信息技术领域。所述测距系统包括：激光器发射出的激光经过分光棱镜后被分成两束，一束作为触发信号进入PIN型光电二极管，进而触发处理器开始计时；另一束入射至第一螺旋相位板、第一卡塞格林望远镜至目标，经目标后产生回波信号；回波信号经第二卡塞格林望远镜接收，依次经第二螺旋相位板、可调光阑、探测器探测，处理器对探测后电信号后计时结束；根据螺旋相位板的阶数，设计可调光阑的通光孔径，使探测器的输出功率信噪比等于，此时可调光阑的通光孔径为最佳孔径，提高了测量精度。

Description

基于最佳孔径滤除噪声的涡旋光测距系统
技术领域
本发明涉及属于量子信息技术领域，特别是一种适合于远距离测距系统中背景噪声的滤除以及接收孔径的设计的系统。
背景技术
利用飞行时间法进行远距离探测是一个探测领域热情不减的研究领域，但是伴随而来的背景噪声是一个不易解决的困扰，这一定程度上限制了该项技术的使用，以往的做法通常是通过滤波片滤出一部分背景噪声，但是与发射信号相同波长的背景噪声依然无法有效滤除。因此急需一种可以实现高效滤除背景噪声的方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有测距系统无法有效滤除背景噪声的问题，本发明提供一种基于最佳孔径滤除噪声的涡旋光测距系统。
本发明的基于最佳孔径滤除噪声的涡旋光测距系统，所述测距系统包括激光器1、分光棱镜2、PIN型光电二极管3、第一螺旋相位板4-1、第二螺旋相位板4-2、第一望远镜系统5-1、第二望远镜系统5-2、可调光阑7、探测器8和处理器9；
激光器1发射出的激光经过分光棱镜2后被分成两束，一束作为触发信号进入PIN型光电二极管3，进而触发处理器9开始计时；另一束入射至第一螺旋相位板4-1，该第一螺旋相位板4-1发射出涡旋光束至第一望远镜系统5-1，经第一望远镜系统5-1扩束后发射至目标10，经目标10后产生回波信号；
所述回波信号经第二望远镜系统5-2接收，第二望远镜系统5-2接收的光信号经第二螺旋相位板4-2进行解调后，经可调光阑7将解调后的光信号中的背景噪声滤除，滤除噪声后的光信号通过光纤耦合进探测器8探测，探测后电信号发送至处理器9，此时处理器9计时结束；
所述第一螺旋相位板4-1和第二螺旋相位板4-2的阶数相反；
根据第一螺旋相位板4-1的阶数，设计可调光阑7的通光孔径，使探测器8的输出功率信噪比等于1，此时可调光阑7的通光孔径为最佳孔径。
优选的是，所述测距系统还包括凸透镜6；
凸透镜6设置在可调光阑7和第二螺旋相位板4-2之间，第二螺旋相位板4-2解调后的光信号经过凸透镜6后入射至可调光阑7。
优选的是，探测器8的输出功率信噪比等于1的条件为：
W0表示背景噪声光信号经过可调光阑7通光孔径的通光量；
Ws表示涡旋光信号经过可调光阑7通光孔径的通光量。
优选的是，所述第一望远镜系统5-1和第二望远镜系统5-2均采用卡塞格林望远镜实现。
优选的是，所述激光器1为单模激光源。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明能够对远距离探测情况下的自然光等背景噪声进行滤除。本发明将带有轨道角动量的涡旋光束作为探测光束，通过望远镜系统进行扩束发射进行目标10探测，在接收端通过望远镜系统对回波信号进行接收，并对接收到的信号光和背景噪声都进行解调，并通过最佳孔径设计让信号光通过并同时滤除背景噪声，保证系统实现高信噪比。本发明适合于远距离测距系统中背景噪声的滤除以及接收孔径的设计。本发明利用处理器计时的时长t和光速c就可以求出目标10距离L：通过设计可调光阑7的最佳孔径滤除探测过程中的背景噪声，提高测量精度。
附图说明
图1为本发明的基于最佳孔径滤除噪声的涡旋光测距系统的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于最佳孔径滤除噪声的涡旋光测距系统，包括激光器1、分光棱镜2、PIN型光电二极管3、第一螺旋相位板4-1、第二螺旋相位板4-2、第一卡塞格林望远镜5-1、第二卡塞格林望远镜5-2、可调光阑7、探测器8和处理器9；
激光器1发射出的激光经过分光棱镜2后被分成两束，一束作为触发信号进入PIN型光电二极管3，进而触发处理器9开始计时；另一束经过+s阶的第一螺旋相位板4-1产生涡旋光束，该涡旋光束通过第一卡塞格林望远镜5-1，经第一卡塞格林望远镜5-1扩束后发射至目标109，经目标109后产生回波信号；回波信号包括回波信号中含有涡旋光信号和背景噪声两种成分，均通过第二卡塞格林望远镜5-2接收，随后接收信号通过-s阶的第二螺旋相位板4-2进行解调，此时信号被解调回0阶，而噪声光束被调制成-s阶的涡旋光束。此后经过可调光阑7将背景噪声进行滤除，并将滤除噪声后的信号通过光纤耦合的探测器8，随后送达至处理器9，处理器9停止计时；
所述第一螺旋相位板4-1和第二螺旋相位板4-2的阶数相反；
根据第一螺旋相位板4-1的阶数，设计可调光阑7的通光孔径，使探测器8的输出功率信噪比等于1，此时可调光阑7的通光孔径为最佳孔径。
本实施方式利用处理器计时的时长t和光速c就可以求出目标10距离L：通过设计可调光阑7的最佳孔径滤除探测过程中的背景噪声，提高测量精度。
涡旋光束其振幅表达式为：
其中，r表示径向位移，θ表示径向角度，z表示轴向位移，k表示波矢，！表示阶乘；称为Gouy相位，称为Rayleigh长度，ω0为束腰半径，是z处的光束半径，是z处光束的曲率半径，是归一化系数，是缔合拉盖尔多项式，p是表征模式的特征量子数。
将上式振幅模平方得到光强分布：
设通光孔径半径为R，令取a＝-2/ω2，则通光量为：
系统探测方式为直接探测，设入射信号功率为Pso，噪声功率为Pno，根据光探测器平方律特性，光探测器输出的信号电功率Pso和噪声功率Pno为：
e表示电子电荷量，η表示探测器的量子效率，h表示普朗克常数，ν表示光子频率，RL表示探测器的负载电阻阻值，Psi表示光探测器输入的涡旋光信号的功率，Pni表示光探测器输入的噪声功率；
因此，系统输出功率信噪比公式为：
选定信噪比为1式的通光半径为临界值，上式等于1的条件为
所以，当发射为+s阶涡旋光束时，只需计算出R，使得此时即为：最佳孔径。
W0表示背景噪声光信号经过可调光阑7通光孔径的通光量；
Ws表示涡旋光信号经过可调光阑7通光孔径的通光量。
由于解调的调制需要一定的演化距离，因此这一过程需要添加凸透镜来加速演化。所以优选实施例中，本实施方式的测距系统还包括凸透镜6；
凸透镜6设置在可调光阑7和第二螺旋相位板4-2之间，第二螺旋相位板4-2解调后的光信号经过凸透镜6后入射至可调光阑7。
优选实施例中，本实施方式的激光器1为单模激光源。
本实施方式中单模激光源1：具有较高的功率稳定性和较好的空间模式，输出的是单模高斯光，激光单色性好，脉冲脉宽小于10ns。
分光棱镜2：内部对角面镀宽带分光膜，具有10:90(R:T)的分光比。基底材料为N-BK7。
PIN型光电二极管3：超快响应(1.5GHz)，从10-900MHz的3dB带宽光谱，自由空间模式输入。
第一螺旋相位板4-1、第二螺旋相位板4-2：镀有单一波长增透膜，曲面高度连续变化。引入相位误差小于五十分之一波长。
第一卡塞格林望远镜5-1、第二卡塞格林望远镜5-2：引入的波前畸变小于四分之一波长，镀有单一波长增透膜，具有5倍以上的放大倍率。
凸透镜6：引入的波前畸变小于十分之一波长，双面均镀有单一波长增透膜，材料为N-BK7。
可调光阑7：孔径直径的连续变化范围为0.1mm-20mm。
探测器8：使用盖革模式的单光子探测器，对信号波长的探测效率大于80％，暗计数小于100c/s。
处理器9：带有计时功能的2通道数据采集卡。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.一种基于最佳孔径滤除噪声的涡旋光测距系统，其特征在于，所述测距系统包括激光器(1)、分光棱镜(2)、PIN型光电二极管(3)、第一螺旋相位板(4-1)、第二螺旋相位板(4-2)、第一望远镜系统(5-1)、第二望远镜系统(5-2)、可调光阑(7)、探测器(8)和处理器(9)；
激光器(1)发射出的激光经过分光棱镜(2)后被分成两束，一束作为触发信号进入PIN型光电二极管(3)，进而触发处理器(9)开始计时；另一束入射至第一螺旋相位板(4-1)，该第一螺旋相位板(4-1)发射出涡旋光束至第一望远镜系统(5-1)，经第一望远镜系统(5-1)扩束后发射至目标，经目标后产生回波信号；
所述回波信号经第二望远镜系统(5-2)接收，第二望远镜系统(5-2)接收的光信号经第二螺旋相位板(4-2)进行解调后，经可调光阑(7)将解调后的光信号中的背景噪声滤除，滤除噪声后的光信号通过光纤耦合进探测器(8)探测，探测后电信号发送至处理器(9)，此时处理器(9)计时结束；
所述第一螺旋相位板(4-1)和第二螺旋相位板(4-2)的阶数相反；
根据第一螺旋相位板(4-1)的阶数，设计可调光阑(7)的通光孔径，使探测器(8)的输出功率信噪比等于1，此时可调光阑(7)的通光孔径为最佳孔径。
2.根据权利要求1所述的基于最佳孔径滤除噪声的涡旋光测距系统，其特征在于，
探测器(8)的输出功率信噪比等于1的条件为：
W0表示背景噪声光信号经过可调光阑(7)通光孔径的通光量；
Ws表示涡旋光信号经过可调光阑(7)通光孔径的通光量。
3.根据权利要求1或2所述的基于最佳孔径滤除噪声的涡旋光测距系统，其特征在于，所述测距系统还包括凸透镜(6)；
凸透镜(6)设置在可调光阑(7)和第二螺旋相位板(4-2)之间，第二螺旋相位板(4-2)解调后的光信号经过凸透镜(6)后入射至可调光阑(7)。
4.根据权利要求1所述的基于最佳孔径滤除噪声的涡旋光测距系统，其特征在于，所述第一望远镜系统(5-1)和第二望远镜系统(5-2)均采用卡塞格林望远镜实现。
5.根据权利要求1所述的基于最佳孔径滤除噪声的涡旋光测距系统，其特征在于，所述激光器(1)为单模激光源。
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