CN110161520B - 一种基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达 - Google Patents

一种基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达，包括激光器、分束器、发射光学系统、声光调制器、衰减器、接收光学系统、光学混频器、单光子探测器和信号处理单元。巧妙地运用压缩采样技术突破奈奎斯特采样频率的限制，进而克服死时间效应对相干拍频信号频谱识别的影响。如此一来，采用GM‑APD单元探测器即可实现相干探测，使光子计数相干探测摆脱对光子数分辨探测器的依赖。此前采用光子数分辨探测器才能进行多普勒测速，然而在本发明的压缩采样框架下，光子数分辨探测器可直接进行多普勒成像(针对阵列结构探测器，如GM‑APD阵列)，或者提高数据更新率(针对微元结构探测器，如SiPM硅光电倍增管)，极大地提高了探测系统的应用价值。

Description

一种基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达
技术领域
本发明涉及单光子激光雷达，特别是一种基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达，属于激光雷达技术领域。
背景技术
光学相干探测技术因其具有灵敏度高、抗干扰能力强等诸多优势，在远程目标探测跟踪领域具有良好的应用前景，国内外研究机构均对光学相干探测关键技术进行了深入的研究。其中，美国麻省理工学院的林肯实验室(MIT/LL)将光子计数器应用在光学相干探测技术中成为近年来较为创新的探索，其在国际上首次提出将光子计数用于相干探测的构想，通过将32×32规模大小的盖革模式雪崩光电二极管阵列(GM-APD Array)所有像元合并为一个宏像元输出，使GM-APD阵列探测器具备了光子数分辨能力，能够有效避免单一像元的死时间影响，实现相干拍频信号的频谱识别。同时由于GM-APD阵列器件可在光子量级微弱信号条件下实现相干探测，有效减小了本振光带来的散粒噪声，也进一步提高了相干探测的灵敏度。
光子计数相干探测从概念模型提出至今，所遵循的技术路线主要是利用具有光子数分辨能力的单光子探测器间接地克服死时间效应对相干频率频谱识别的影响，其大体的研究思路可利用阵列结构探测器(如GM-APD阵列)或者微元结构探测器(如SiPM)等具有光子数分辨能力的探测器来接收相干拍频信号。虽然单个像元的死时间普遍较大(约为几十甚至百纳秒量级)，但是当某一像元进入死时间无法响应光子事件时，其他像元仍然能够响应光子事件。将所有像元进行合并输出后，等效死时间得到了大幅度的缩减，从而能够成功提取出相干拍频信号。
然而，上述技术路线存在的问题也是显而易见的，即具有光子数分辨能力的探测器种类非常有限：规模较大的GM-APD阵列器件被禁运而无法获得；SiPM硅光电倍增管的工作波长仅限于可见光波段；而SNSPD超导纳米线单光子探测器的体积较大且成本高昂。这些因素都制约了光子计数相干探测技术的进一步发展。虽然采用主动淬灭措施在一定程度上可以抑制单光子探测器的死时间效应，但是经过主动淬灭后的死时间仍有数十纳秒；虽然采用门控淬灭措施可将死时间抑制到纳秒量级，但同时又会引入尖峰脉冲等其他噪声，而且还需要调制频率在GHz以上的信号发生器，无形中增加了系统的复杂性和设计成本，因而应用价值大大降低。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明提出了基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达，突破现有基于光子数分辨的相干探测模式，巧妙地运用压缩采样技术克服死时间效应对相干拍频信号频谱识别的影响。首先采用GM-APD单元探测器代替光子数分辨探测器；其次将死时间效应影响下的光子事件响应当作是对相干拍频信号的压缩采样；最后通过稀疏重构算法提取相干拍频信号的频谱信息，进而获得目标的多普勒频移信息。此前采用光子数分辨探测器才能进行多普勒测速，然而在本项目的压缩采样框架下，光子数分辨探测器可直接进行多普勒成像(针对阵列结构探测器，如GM-APD阵列)，或者提高数据更新率(针对微元结构探测器，如SiPM)，极大地提高了探测系统的应用价值。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达。该激光雷达包括激光器、分束器、发射光学系统、声光调制器、衰减器、接收光学系统、光学混频器、单光子探测器和信号处理单元。
所述的激光器用于产生光子计数相干激光雷达所需要的窄线宽激光光源；
所述的分束器将激光器产生的窄线宽激光一分为二，其中的大部分激光传输至发射光学系统作为信号光，而小部分激光传输至声光调制器作为本振光；
所述的发射光学系统用于对信号光进行准直和扩束，使光束发散角和激光足印尺寸满足探测需要，并出射到被测目标上；
所述的声光调制器用于调节本振光的频率偏移量，使得目标相对静止时，相干拍频信号的频率为声光调制器调节的频率偏移量，而目标相对运动时，相干拍频信号的频率在该频率偏移量左右变化，进而能够判断出目标的运动方向；
所述的衰减器用于调节本振光的强度，实现本振光与信号光的强度匹配，同时避免单光子探测器因为本振光过强而出现饱和现象；
所述的接收光学系统用于接收被测目标反射/散射的激光回波信号，并利用窄带滤光技术对背景光进行抑制；
所述的光学混频器用于对衰减后的本振光和接收到的回波光进行相干混频，实现信号光和回波光的混频处理；
所述的单光子探测器用于探测信号光与回波光进行混频后得到的相干拍频信号，并实现脉冲输出，脉冲的疏密变化与相干拍频信号的幅值变化相一致；
所述的信号处理单元用于对单光子探测器的输出脉冲进行稀疏重构处理，从而获得被测目标的多普勒频移信息。
其中，采用了单光子探测器来接收相干拍频信号，由于单光子探测器可在光子量级微弱信号条件下实现相干探测，有效减小了本振光带来的散粒噪声，有利于提高相干探测的灵敏度。
其中，单光子探测器直接输出脉冲信号，通过脉冲的疏密程度来反映相干拍频信号的强弱，无需采用额外的模数转换器。
其中，在信号处理单元中利用稀疏重构算法，能够从单光子探测器输出的脉冲信号中提取出多普勒频移信息。
其中，采用的稀疏重构算法，能够突破奈奎斯特采样频率的限制，有效克服单光子探测器死时间对多普勒频移信息提取的影响。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)该光子计数相干激光雷达采用了单光子探测器来接收相干拍频信号，由于单光子探测器可在光子量级微弱信号条件下实现相干探测，有效减小了本振光带来的散粒噪声，有利于提高相干探测的灵敏度。
(2)该光子计数相干激光雷达中的单光子探测器直接输出脉冲信号，通过脉冲的疏密程度来反映相干拍频信号的强弱，无需采用额外的模数转换器。
(3)该光子计数相干激光雷达在信号处理单元中利用稀疏重构算法，能够从单光子探测器输出的脉冲信号中提取出多普勒频移信息。
(4)该光子计数相干激光雷达采用的稀疏重构算法，能够突破奈奎斯特采样频率的限制，有效克服单光子探测器死时间对多普勒频移信息提取的影响。
附图说明
图1为本发明基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达的原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提出的基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达，包括激光器1、分束器2、发射光学系统3、声光调制器4、衰减器5、接收光学系统6、光学混频器7、单光子探测器8和信号处理单元9。本发明的突出优点在于利用压缩采样技术克服了单光子探测器的死时间效应对相干拍频信号识别的影响，使得光子计数相干激光雷达不再依赖光子数分辨探测器件，普通的GM-APD单元探测器也能适用，很好地解决了探测器件的受限问题。
为了更详细地说明基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达基本原理，这里对单光子探测器的死时间特性进行详细说明。单光子探测器对光波信号的响应特性有别于普通光电二极管探测器，其中最显著的区别在于单光子探测器具有死时间效应，即当探测器响应到一个光子事件时会产生雪崩现象，随后淬灭电路对雪崩进行抑制直至雪崩结束，在此期间探测器无法响应新的光子事件。死时间效应使得单光子探测器无法连续地响应相干拍频信号，但又服从一定的概率分布，在此将这种过程称为“死时间随机过程”。
当不考虑死时间效应时，假设单光子探测器在[0,T]时间间隔内的u1,…,um时刻响应到了m个光子事件，则其概率密度函数可以写为：
Figure BDA0002090187170000041
这里的λ(t)为相干拍频信号的率函数，根据相干探测理论可得到λ(t)的表达式为：
Figure BDA0002090187170000042
这里的NS和NR分别为信号光和本振光(参考光)的光子数，ωIF＝(ωS-ωR)为相干拍频信号的频率(多普勒频移)，即信号光频率ωS与本振光频率ωR的差值，
Figure BDA0002090187170000043
为相干拍频信号的相位。
当考虑死时间效应时，原本在[0,T]时间间隔内可以响应到m个光子事件，但现在只能响应到n个(n＜m)。事实上，死时间随机过程可看作是概率统计理论中的自激点过程(Self-exciting point process)，假设单光子探测器在[0,T]时间间隔内的ν1,…,νn时刻响应到了n个光子事件，则其概率密度函数可以写为：
Figure BDA0002090187170000051
这就是死时间随机过程的概率密度分布函数，其中的td为单光子探测器的死时间。单光子探测器对相干拍频信号的随机响应特性，使其成为天然的压缩采样器，这为相干拍频信号的稀疏重构创造了极为有利的条件。即使受到探测器死时间效应的影响，光子事件响应率远低于奈奎斯特采样频率，但在压缩采样的框架下，仍然能够成功地提取出相干拍频信号的频谱信息。
由于相干拍频信号是由探测目标与探测系统之间的相对运动引起多普勒频移而产生的，因此其频域成分相对单一，具有可压缩性。本发明正是利用相干拍频信号的可压缩性，通过一个与变换基不相关的随机测量矩阵将高维信号投影到一个低维空间上，然后通过求解一个优化问题从这些少量的投影中以高概率重构出原始信号，而这样的投影包含了重构信号的足够信息。
本发明基于压缩采样的光子计数相干探测方法，使光子计数相干激光雷达突破奈奎斯特采样频率的限制，进而克服死时间效应对相干拍频信号频谱识别的影响。在压缩采样的框架下，采用GM-APD单元探测器即可实现相干探测，使光子计数相干激光雷达摆脱对光子数分辨探测器的依赖。

Claims (5)

1.一种基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达，其特征在于：该激光雷达包括激光器(1)、分束器(2)、发射光学系统(3)、声光调制器(4)、衰减器(5)、接收光学系统(6)、光学混频器(7)、单光子探测器(8)和信号处理单元(9)，所述的激光器(1)用于产生窄线宽的激光信号；所述的分束器(2)将激光器发射的激光信号一分为二，其中的大部分激光传输至发射光学系统(3)作为信号光，而小部分激光传输至声光调制器(4)作为本振光；所述的发射光学系统(3)用于对信号光进行准直和扩束并发射至被测目标上；所述的声光调制器(4)用于调节本振光的频率偏移量，使后续提取出的多普勒频率有正负之分；所述的衰减器(5)用于调节本振光的强度，实现本振光与信号光的强度匹配，同时避免单光子探测器因为本振光过强而出现饱和现象；所述的接收光学系统(6)用于接收被测目标反射/散射的激光回波信号；所述的光学混频器(7)用于实现本振光和回波光的混频；所述的单光子探测器(8)用于响应本振光和回波光混频得到的相干拍频信号；所述的信号处理单元(9)用于对单光子探测器的输出脉冲进行稀疏重构处理，以获得目标的多普勒频移信息；
当不考虑死时间效应时，假设单光子探测器在[0,T]时间间隔内的u1,…,um时刻响应到了m个光子事件，则其概率密度函数可以写为：
Figure FDA0003825301190000011
这里的λ(t)为相干拍频信号的率函数，根据相干探测理论可得到λ(t)的表达式为：
Figure FDA0003825301190000012
这里的NS和NR分别为信号光和本振光即参考光的光子数，ωIF＝(ωS-ωR)为相干拍频信号的频率，即多普勒频移，即信号光频率ωS与本振光频率ωR的差值，
Figure FDA0003825301190000013
为相干拍频信号的相位；
当考虑死时间效应时，原本在[0,T]时间间隔内可以响应到m个光子事件，但现在只能响应到n个，n<m，事实上，死时间随机过程可看作是概率统计理论中的自激点过程，假设单光子探测器在[0,T]时间间隔内的ν1,…,νn时刻响应到了n个光子事件，则其概率密度函数可以写为：
Figure FDA0003825301190000021
这就是死时间随机过程的概率密度分布函数，其中的td为单光子探测器的死时间，单光子探测器对相干拍频信号的随机响应特性，使其成为天然的压缩采样器，这为相干拍频信号的稀疏重构创造了极为有利的条件，即使受到探测器死时间效应的影响，光子事件响应率远低于奈奎斯特采样频率，但在压缩采样的框架下，仍然能够成功地提取出相干拍频信号的频谱信息；
由于相干拍频信号是由探测目标与探测系统之间的相对运动引起多普勒频移而产生的，因此其频域成分相对单一，具有可压缩性，正是利用相干拍频信号的可压缩性，通过一个与变换基不相关的随机测量矩阵将高维信号投影到一个低维空间上，然后通过求解一个优化问题从这些少量的投影中以高概率重构出原始信号，而这样的投影包含了重构信号的足够信息。
2.根据权利要求1所述的基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达，其特征在于：采用了单光子探测器(8)来接收相干拍频信号，由于单光子探测器可在光子量级微弱信号条件下实现相干探测，有效减小了本振光带来的散粒噪声，有利于提高相干探测的灵敏度。
3.根据权利要求1所述的基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达，其特征在于：单光子探测器(8)直接输出脉冲信号，通过脉冲的疏密程度来反映相干拍频信号的强弱，无需采用额外的模数转换器。
4.根据权利要求1所述的基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达，其特征在于：在信号处理单元(9)中利用稀疏重构算法，能够从单光子探测器(8)输出的脉冲信号中提取出多普勒频移信息。
5.根据权利要求1所述的基于压缩采样技术的光子计数相干激光雷达，其特征在于：采用的稀疏重构算法，能够突破奈奎斯特采样频率的限制，有效克服单光子探测器死时间对多普勒频移信息提取的影响。
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