CN109946710A - 一种双波长多偏振激光成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双波长多偏振激光成像装置，输出为532nm和1064nm波长水平、垂直两个偏振方向基于DOE分光的100波束线阵激光光源，通过二维旋转台上下扫描可以得到4幅单一波长单一偏振态的目标物光子计数成像图。对比上述图像可以分析出目标物表面特性，识别出目标物表面是否为金属材料。将光子计数探测灵敏度高的优点与对目标进行偏振探测相结合，在提高整个系统探测效率的同时，实现对目标表面信息进行识别。具备多波长多偏振态的单光子量级检测技术，将多偏振态与少光子探测技术相结合，使得单光子探测器不仅能够统计目标回波的强度信息，还能通过得到目标物表面偏振信息进一步丰富单光子探测体制的应用范围，为今后激光雷达的发展提供新的思路。
Description
技术领域：
本发明涉及主动光电技术领域，特别是涉及一种多波束激光雷达成像系统。
背景技术：
激光雷达(LiDAR)，属于激光探测与测量范畴，不同于传统的微波雷达，它利用激光的发射功率小、角分辨率高、处理速度快等特点对目标进行探测。近些年来，激光雷达在性能上有着很大提升，除了提供简单的距离、速度等基本信息外，已经发展成为现在的多波束成像激光雷达，能够准确提供目标物的大小，形状等多种特征参数甚至实时建立三维立体模型。
在深空探索领域，激光雷达被赋予新的任务和需求。首先是对探测距离的需求越来越大，不仅要在对大气环境下的十几公里处目标物进行精确定位，还需要在空间探测领域上千公里的微小卫星或者空间碎片进行探测识别；相应的由于探测距离的提升，就会导致接收到的回波信号十分微弱，需要进一步研究高分辨率、高灵敏度的探测器；此外对探测目标材质的识别并区分不同目标物也受到了广泛的重视。因此，对探测目标的回波信号进行光子偏振特性研究具有重要意义。
目前大多数采用主动激光光源作为偏振探测的方案都是在探测器接收端采用偏振接收，对于激光器发射端未进行系统性研究，多数激光器发射的不稳定椭圆偏振光也会对接收端光子计数的偏振统计造成影响。
发明内容:
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种双波长多偏振激光成像装置。从光源发射端开始重新构思，使得整个系统可以分时发送100波束线阵的两个波长两个偏振态的四种线偏振激光光源，接收端可以对这四种线偏光进行区分并统计光子信息。将光子计数探测灵敏度高的优点与目标物偏振探测进行识别的特性相结合，既可以得到包含高精度距离信息的目标物三维图像，还能得到目标物表面的反射特性，从而达到识别不同目标物的目的。
当光子在介质截面传播时，光子的偏振变化情况遵循折射定律和菲涅耳反射定律，如公式1所示。对于非金属介质来说，S光和P光经过折射或反射后光子的电场可能改变了方向和强度，但是光子的偏振方向没有发生改变。
其中E0s、E0p代表入射的S偏振光与P偏振光的振幅，E'0s、E'0p代表S偏振光与P偏振光经过反射后的光振幅，而E”0s、E”0p分别代表S偏振光与P偏振光经过折射后的光振幅，n1、n2分别是介质1和介质2的折射率，θ、θ'、θ”分别代表光的入射角、反射角和折射角。
当光波在金属界面传播时，金属界内传播的光场分布满足亥姆霍兹方程：
其中此时折射率也为复数，
其中n为折射率实部，κ为衰减指数。
设定光子从折射率为n1的介质以角度θ入射到复折射率为的金属表面。此时菲涅耳公式如公式3所示：
其中为复折射角度，rs为S波的反射系数，rp为P波的反射系数。
设定
由折射定律和式(3)可以解出u2、v2的值。将(5)代入式(4)可得：
由此得到S偏振光电场振动的反射率：
S偏振光场相位角度的变化量：
P偏振光电场振动的反射率：
P偏振光场相位角度的变化量：
所以对于平的金属面来说，S波和P波的偏振方向保持不变，只是振幅和相位发生变化不影响偏振态的检测。
其他偏振方向的线偏光可以用琼斯矩阵表示：
经过金属界面反射的反射光可以表示：
其中δ＝δp-δs
在平的金属面反射时，对于非S和P偏振的线偏光来说，影响系统偏振态的因素主要是S和P偏振光的反射率和相位差，这就会使线偏光经过反射后变为椭圆偏振光。
总之，金属表面的反射对线偏光的作用通常表现为双向衰减和相延，金属表面的粗糙特性使得偏振激光发生漫反射而退偏。金属表面S、P分量反射比通常远远大于非金属物质表面反射比，而且不同金属的磁性金属含量越高变化程度越明显。结合单光子探测灵敏度高的优点，我们可以统计接收到的两个偏振方向线偏光的回波光子数从而区分目标物表面是否为金属或者非金属，甚至可以区分不同金属表面。
本发明采用的技术方案如图2和图3所示：双波长多偏振激光成像装置的光源发射模块由532nm激光器1、1064nm激光器2、第一衰减片3、第二衰减片4、第一线偏振片5、第二线偏振片6、第一50:50分束器7、第二50:50分束器8、第一偏振分束器9、第二偏振分束器10、第一衍射光学元件DOE11、第二衍射光学元件DOE12、第一半波片13、第二半波片14、第三偏振分束器15、第四偏振分束器16、第三衍射光学元件DOE17、第四衍射光学元件DOE18组成；双波长多偏振激光成像装置的偏振光子接收模块由第一接收望远镜19、第二接收望远镜20、第一窄带滤光片21、第二窄带滤光片22、第五偏振分束器23、第六偏振分束器24、第一光纤接收阵列25、第二光纤接收阵列26、第三光纤接收阵列27、第四光纤接收阵列28、第一单光子探测器29、第二单光子探测器30、第三单光子探测器31、第四单光子探测器32、光子解算系统33组成，其原理如下所述：
1、532nm激光器1出射的激光经过第一衰减片3衰减后由第一线偏振片5调整为水平偏振光；1064nm激光器2出射的激光经过第二衰减片4衰减后由第二线偏振片6调整为水平偏振光；
2、经过第一50:50分束器7后反射的水平偏振光子通过第一偏振分束器9检偏后透射出去，经第一衍射光学元件DOE11分为100波束的线阵水平偏振光出射出去；经过第二50:50分束器8后反射的水平偏振光子通过第二偏振分束器10检偏后透射出去，经第二衍射光学元件DOE12分为100波束的线阵水平偏振光出射出去；
3、经过第一50:50分束器7透射的水平偏振光子经过第一半波片13旋转为垂直方向的偏振光子通过第三偏振分束器15检偏后反射出去经过第三衍射光学元件DOE17分为100波束的线阵垂直偏振光子出射出去；经过第二50:50分束器8透射的水平偏振光子经过第二半波片14旋转为垂直方向的偏振光子通过第四偏振分束器16检偏后反射出去经过第四衍射光学元件DOE18分为100波束的线阵垂直偏振光子出射出去。
4、经过目标物反射的线阵回波光子由两个接收望远镜接收后通过532nm或者1064nm的窄带滤光片滤除杂散光噪声后，经过第五偏振分束器23或者第六偏振分束器24将水平偏振光子和垂直偏振光子区分开；
5、经第五偏振分束器23或者第六偏振分束器24反射面反射的线阵垂直偏振光子耦合到光纤接收阵列进入第一单光子探测器29或者第二单光子探测器30得到光子信息；经第五偏振分束器23或者第六偏振分束器24透射面透射过去的线阵水平偏振光子耦合到光纤接收阵列进入第三单光子探测器31或者第四单光子探测器32得到光子信息；
7、将四个单光子探测器得到的光子信息汇总进入光子解算系统33，就可以得到包含高精度距离信息的目标物三维图像和目标物表面的反射特性。
本发明的核心在于：(1)出射的线阵光源可以分时发送532nm、1064nm两个波长分别包括水平、垂直两个偏振方向的基于DOE分光100波束线阵激光，相邻两束激光之间的发散角为0.25mrad，100波束激光的刈幅角约为24.75mrad。(2)可以对接收的532nm、1064nm两个波长水平、垂直两个偏振态的100波束线阵光子进行区分与统计，得到四幅单一波长单一偏振态的高精度距离信息的目标物三维图像并包含目标物表面的反射特性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)基于双波长多偏振激光成像装置，可以分时发送532nm和1064nm两个波长包括水平、垂直两个偏振态的100波束线阵光源，且具备接收多波长多偏振光子，并进行区分和分别统计的能力。一次完整的扫描探测可以得到四幅单一波长单一偏振态的点云图，通过对比同一目标物扫描得到的四幅图，可以分析出目标物表面特性，识别出目标物表面是金属材料还是非金属材料。
2)具备多波长多偏振态的单光子量级检测技术，将光子计数探测灵敏度高的优点与对目标进行偏振探测相结合，在提高整个系统探测效率的同时，实现对目标表面信息进行识别。在时间上分时发送不同偏振态的光子，利用光子计数体制对回波光子偏振态进行统计从而确定目标表面干扰情况。使得单光子探测器不仅能够统计目标回波的强度信息，还能通过得到目标物表面偏振信息进一步丰富单光子探测体制的应用范围。实现100波束多波长多线偏振光面阵发射和接收，得到目标物包含偏振信息的复合三维信息图像，从而实现抗干扰的安全探测理念。
附图说明：
图1双波长多偏振激光成像装置系统组成图。
图2双波长多偏振激光成像装置光源发射模块示意图。
图3双波长多偏振激光成像装置偏振光子接收模块示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进一步说明，如图1所示，用以说明系统的结构特征和实施方法，而非用来限定本项发明的应用范围。一种双波长多偏振激光成像装置具体实施例包括以下几个部分：
(1)光源发射模块：往目标物分时发送532nm、1064nm两个波长分别包括水平、垂直偏振的100波束线阵激光，相邻两束激光之间的发散角为0.25mrad，100波束激光的刈幅角约为24.75mrad。
(2)偏振光子接收模块：经过目标物反射的回波光子由偏振光子接收模块进行接收，并分别对532nm和1064nm的水平偏振、垂直偏振进行区分和统计得到距离信息。
(3)二维转台：用于安装光源发射模块和偏振光子接收模块，这两模块已经调至收发匹配且在平台移动时没有相对位移。通过二维转台的上下摆动对目标物进行扫描探测，从而实现对目标物的快速三维成像。
如图2所示的光源发射模块模块，532nm激光器1出射的激光经过第一衰减片3衰减后由第一线偏振片5调整为水平线偏光。经过第一50:50分束器(7)后，反射的水平偏振光子通过第一偏振分束器9检偏后透射出去经过第一衍射光学元件DOE11分为线阵水平偏振光出射出去；透射的水平偏振光子经过第一半波片13旋转为垂直方向的偏振光子通过第三偏振分束器15检偏后反射出去经过第三衍射光学元件DOE17分为线阵垂直偏振光子出射出去。1064nm激光器2出射的激光经过第二衰减片4衰减后由第二线偏振片6调整为水平线偏光。经过第二50:50分束器8后，反射的水平偏振光子通过第二偏振分束器10检偏后透射出去经过第二衍射光学元件12分为线阵水平偏振光出射出去；透射的水平偏振光子经过第二半波片14旋转为垂直方向的偏振光子通过第四偏振分束器(16)检偏后反射出去经过第四衍射光学元件DOE18分为线阵垂直偏振光子出射出去。
如图3所示的偏振光子接收模块，经过对目标物反射的线阵回波光子由第一接收望远镜19接收的部分通过532nm第一窄带滤光片21滤除杂散光噪声后，第五偏振分束器23将532nm水平偏振光子和垂直偏振光子区分开；经过对目标物反射的线阵回波光子由第二接收望远镜20接收的部分通过1064nm的第二窄带滤光片22滤除杂散光噪声后，第六偏振分束器24将1064nm水平偏振光子和垂直偏振光子区分开。经反射面反射的线阵垂直偏振光子耦合到第一光纤接收阵列25、第二光纤接收阵列26进入第一单光子探测器29、第二单光子探测器30得到光子信息；透射面透射过去的线阵水平偏振光子耦合到第三光纤接收阵列27、第四光纤接收阵列28进入第三单光子探测器31、第四单光子探测器32得到光子到达信息。将四个单光子探测器得到的光子信息汇总，进入光子解算系统33得到四幅单一波长单一偏振态的目标物光子计数成像图。
Claims (6)
1.一种双波长多偏振激光成像装置，包括光源发射模块、偏振光子接收模块、二维转台，其特征在于：
所述的光源发射模块往目标物分时发送532nm、1064nm两个波长且分别包括水平、垂直偏振的100波束线阵激光，相邻两束激光之间的发散角为0.25mrad，100波束激光的刈幅角约为24.75mrad，经过目标物反射的回波光子由偏振光子接收模块进行接收，并分别对532nm和1064nm的水平偏振、垂直偏振进行区分和统计得到距离信息；
所述的光源发射模块和偏振光子接收模块都安装在一个二维转台上，这两模块已经调至收发匹配且在平台移动时没有相对位移，通过二维转台的上下摆动对目标物进行扫描探测，从而实现对目标物的快速三维成像，得到四幅单一波长单一偏振态的目标物光子计数成像图。
2.根据权利要求1所述的一种双波长多偏振激光成像装置，其特征在于：
所述的光源发射模块包括532nm激光器(1)、1064nm激光器(2)、第一衰减片(3)、第二衰减片(4)、第一线偏振片(5)、第二线偏振片(6)、第一50:50分束器(7)、第二50:50分束器(8)、第一偏振分束器(9)、第二偏振分束器(10)、第一衍射光学元件DOE(11)、第二衍射光学元件DOE(12)、第一半波片(13)、第二半波片(14)第三偏振分束器(15)、第四偏振分束器(16)、第三衍射光学元件DOE(17)、第四衍射光学元件DOE(18)；
所述的532nm激光器(1)出射的激光经过第一衰减片(3)衰减后由第一线偏振片(5)调整为水平线偏光，经过第一50:50分束器(7)后，反射的水平偏振光子通过第一偏振分束器(9)检偏后透射出去经过第一衍射光学元件DOE(11)分为线阵水平偏振光出射出去；透射的水平偏振光子经过第一半波片(13)旋转为垂直方向的偏振光子通过第三偏振分束器(15)检偏后反射出去经过第三衍射光学元件DOE(17)分为线阵垂直偏振光子出射出去；
所述的1064nm激光器(2)出射的激光经过第二衰减片(4)衰减后由第二线偏振片(6)调整为水平线偏光，经过第二50:50分束器(8)后，反射的水平偏振光子通过第二偏振分束器(10)检偏后透射出去经过第二衍射光学元件(12)分为线阵水平偏振光出射出去；透射的水平偏振光子经过第二半波片(14)旋转为垂直方向的偏振光子通过第四偏振分束器(16)检偏后反射出去经过第四衍射光学元件DOE(18)分为线阵垂直偏振光子出射出去。
3.根据权利要求1所述的一种双波长多偏振激光成像装置，其特征在于：
所述的偏振光子接收模块包括第一接收望远镜(19)、第二接收望远镜(20)、第一窄带滤光片(21)、第二窄带滤光片(22)、第五偏振分束器(23)、第六偏振分束器(24)、第一光纤接收阵列(25)、第二光纤接收阵列(26)、第三光纤接收阵列(27)、第四光纤接收阵列(28)、第一单光子探测器(29)、第二单光子探测器(30)、第三单光子探测器(31)、第四单光子探测器(32)、光子解算系统(33)；
经过对目标物反射的线阵回波光子由第一接收望远镜(19)接收通过532nm第一窄带滤光片(21)滤除杂散光噪声后，第五偏振分束器(23)将532nm水平偏振光子和垂直偏振光子区分开；由第二接收望远镜(20)接收通过1064nm的第二窄带滤光片(22)滤除杂散光噪声后，第六偏振分束器(24)将1064nm水平偏振光子和垂直偏振光子区分开；经反射面反射的线阵垂直偏振光子耦合到第一光纤接收阵列(25)、第二光纤接收阵列(26)进入第一单光子探测器(29)、第二单光子探测器(30)得到光子信息；透射面透射过去的线阵水平偏振光子耦合到第三光纤接收阵列(27)、第四光纤接收阵列(28)进入第三单光子探测器(31)、第四单光子探测器(32)得到光子到达信息。将四个单光子探测器得到的光子信息汇总，进入光子解算系统(33)得到四幅单一波长单一偏振态的目标物光子计数成像图。
4.根据权利要求3所述的一种双波长多偏振激光成像装置，其特征在于：
所述的第一光纤接收阵列(25)、第二光纤接收阵列(26)、第三光纤接收阵列(27)、第四光纤接收阵列(28)均由100根多模光纤组成。
5.根据权利要求3所述的一种双波长多偏振激光成像装置，其特征在于：
所述的第一单光子探测器(29)、第二单光子探测器(30)、第三单光子探测器(31)、第四单光子探测器(32)均为100通道的硅基盖革模式雪崩光电二极管。
6.根据权利要求3所述的一种双波长多偏振激光成像装置，其特征在于：
所述的光子解算系统(33)是由现场可编程门阵列FPGA板组成的100通道时间-数字转换器。
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