CN111708041B - 一种双光束辅助增强的激光探测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双光束辅助增强的探测方法，包括：产生并同步发射第一光束和第二光束；将第一光束和第二光束合束为双光束，双光束通过望远镜发射系统在传输介质中共线传输到目标物体；望远镜接收系统采集双光束回波信号，分束为第一回波信号和第二回波信号，并耦合到两个单光子探测器；计算机控制光子计数器接收单光子探测器中的信号进行关联符合计数分析，得到目标物体的位置信息。本发明还提供一种双光束辅助增强的探测装置，本发明的探测方法和装置使激光在介质中的传输距离增加，同时降低背景噪声，提高回波信号探测能力，实现激光在拉曼型传输介质和原子型传输介质中实时进行远距离探测，提高激光雷达的探测能力，满足民用和军事等需求。

Description

一种双光束辅助增强的激光探测方法和装置

技术领域

本发明涉及激光探测领域，更具体地涉及一种双光束辅助增强的激光探测方法和装置。

背景技术

现有的激光探测技术可应用到激光雷达探测技术上，激光雷达可全球范围内对气象、海洋、地表进行实时精确的探测，对我国的军事、气候、海洋资源开发有非常重要的作用。目前主要利用单光束在拉曼型传输介质和原子型传输介质中进行传输，其中，常见拉曼型传输介质包含水、水蒸气、叶绿素和类胡萝卜素等，常见原子型传输介质包含氮气、氧气和稀有气体等。但由于单束激光自身在传输能力的特性存在一些缺陷，在探测过程中介质对激光的吸收、色散和衰减等作用，使得激光在传输介质的传输距离受到限制。同时由于背景噪声和后向散射等噪声因素的影响，回波信号需要大于背景噪声光子数才能探测，从而使得激光雷达的探测能力进一步降低。如何提高传统激光探测技术在介质中的传输能力，大幅提高激光在介质中的作用距离和分辨能力，为信号测量、制导等提供技术保障，提高激光雷达的探测距离变得尤为重要。

发明内容

为了解决现有激光探测技术中探测距离受限的问题，本发明提供一种双光束辅助增强的探测方法和装置，提高了激光在拉曼型或原子型传输介质中的传输距离。

本发明提供的一种双光束辅助增强的探测方法，包括：

步骤S1，由第一发射单元和第二发射单元产生并同步发射第一光束和第二光束；步骤S2，通过一合束单元将所述第一光束和所述第二光束合束为共线传输的双光束，所述双光束通过望远镜发射系统在拉曼型或原子型传输介质中共线传输到目标物体；步骤S3，由望远镜接收系统采集所述目标物体反射的双光束回波信号，所述双光束回波信号通过分束单元分为第一回波信号和第二回波信号，所述第一回波信号和第二回波信号分别耦合到两个单光子探测器；步骤S4，计算机控制光子计数器接收所述单光子探测器中的信号，并进行关联符合计数分析，得到所述目标物体的位置信息。

进一步地，所述步骤S1中第一光束和第二光束为两束相干激光，其产生方法为：所述第一发射单元采用激光器产生所述第一光束，所述第二发射单元采用光学参量振荡器同步产生所述第二光束。

进一步地，所述步骤S1中第一光束和第二光束为两束相干激光，其产生方法为：所述第一光束在介质中通过受激拉曼产生所述第二光束。

进一步地，所述步骤S2中双光束在拉曼型传输介质中共线相干增强传输的方法为受激拉曼散射相干增强，所述步骤S2中双光束在原子型传输介质中共线相干增强传输的方法为电磁感应透明方法或相干粒子数俘获方法。

进一步地，所述步骤S3还包括：对所述第一回波信号和第二回波信号进行滤波，所述单光子探测器分别将滤波后的回波信号接入到所述光子计数器中。

本发明还提供一种双光束辅助增强的探测装置，沿信号走向依次包括：双光束产生系统，设置为同步产生第一光束和第二光束；双光束发射系统，其包括一合束单元和一望远镜发射系统，该合束单元设置为将所述第一光束和所述第二光束合束为共线传输的双光束，所述双光束通过所述望远镜发射系统在拉曼型或原子型传输介质中共线传输到目标物体；回波信号采集系统，其包括一望远镜接收系统和一分束单元，所述望远镜接收系统设置为采集所述目标物体反射的双光束回波信号，所述双光束回波信号通过所述分束单元分为第一回波信号和第二回波信号，所述第一回波信号和第二回波信号分别耦合到两个单光子探测器；回波信号处理系统，其包括一计算机和一光子计数器，所述计算机设置为控制所述光子计数器接收所述单光子探测器中的信号并进行关联符合计数分析，得到所述目标物体的位置信息。

进一步地，所述双光束产生系统包括一激光器和一光学参量振荡器，所述激光器设置为产生所述第一光束，所述光学参量振荡器设置为同步产生所述第二光束。

进一步地，所述回波信号采集系统还包括一滤波单元，所述滤波单元设置为对所述第一回波信号和第二回波信号进行滤波，所述单光子探测器将滤波后的回波信号接入光子计数器中。

进一步地，所述望远镜发射系统和所述望远镜接收系统为独立的发射系统和接收系统。

进一步地，所述望远镜发射系统和所述望远镜接收系统为收发一体的望远镜系统。

本发明将双光束相干辅助增强传输的方法和关联探测方法相结合，利用双光束共线相干传输使得激光在介质中的传输距离增加，同时通过关联探测提取单光子回波信号，利用光子计数器对时间关联的回波光子数进行符合计数分析，以降低背景噪声的干扰，提高回波信号探测能力，从而实现激光在拉曼型传输介质和原子型传输介质中实时进行远距离探测，提高激光雷达的探测能力，满足民用和军事等需求。

附图说明

图1是按照本发明的双光束相干辅助增强的探测方法的流程图；

图2是按照本发明的双光束相干辅助增强的探测装置的系统框图；

图3是∧型共振拉曼三能级原子系统示意图；

图4是∧型非共振拉曼三能级原子系统示意图；

图5是电磁感应透明或相干粒子数俘获的∧型三能级原子示意图；

图6按照本发明的双光束相干辅助增强的探测装置的设计原理图；

图7按照本发明的双光束相干辅助增强的探测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

本发明的双光束相干辅助增强的探测方法，如图1所示，包括：

步骤S1，由第一发射单元和第二发射单元产生并同步发射第一光束和第二光束，其中第一光束和第二光束为两束相干性很好的脉冲激光。在本实施例中，第一光束和第二光束的产生方式为：第一发射单元采用激光器产生第一光束，第二发射单元采用光学参量振荡器(OPO，Optical Parametric Oscillator)同步产生第二光束。在其他实施例中，也可由第一光束在非线性传输介质中产生受激拉曼散射光(该受激拉曼散射光即为第二光束)，或其他方式产生。

步骤S2，通过合束单元将第一光束和第二光束合束为双光束，双光束在拉曼型或原子型传输介质中相干增强，并通过望远镜发射系统共线传输到探测目标物体。双光束在拉曼型传输介质中利用受激拉曼散射相干增强的原理，使得双光束激光在拉曼型传输介质中的传输能力增强；而在原子型传输介质中，采用电磁感应透明方法或相干粒子数俘获方法来减小激光在原子型传输介质中的吸收，以使双光束相干增强，具体原理将在下文详细描述。

步骤S3，由望远镜接收系统采集目标物体反射的双光束回波信号，将双光束回波信号通过分束单元分为第一回波信号和第二回波信号。在分束单元中，对两束回波信号进行滤波。滤波后的第一回波信号和第二回波信号分别耦合到两个型号相同的单光子探测器，单光子探测器将回波光信号转换为回波电信号。

步骤S4，由计算机控制光子计数器接收单光子探测器中的电信号，并进行关联符合计数分析，得到目标物体的位置信息。

本发明的双光束相干辅助增强的探测装置，如图2所示，沿信号走向依次包括双光束产生系统11、双光束发射系统12、回波信号采集系统14以及回波信号处理系统15。

在双光束产生系统11中，发射控制单元111控制第一发射单元112a和第二发射单元112b产生并同步发射第一光束1和第二光束2两束激光，且第一光束1和第二光束2是两束相干性很好的脉冲激光。

在双光束发射系统12中，第一光束1和第二光束2通过合束单元121合束，合束后的双光束激光通过望远镜发射系统122在拉曼型或原子型传输介质中共线传输到探测目标物体13。其中，合束单元121可以采用BS、二向色镜或其他透镜，望远镜发射系统122包括扩束透镜组和反射镜，扩束透镜组用于增加光束的发散，并使光束准直。

参考图3-图4，拉曼型传输介质可以等效于∧型三能级体系：两个基态能级|1>和|2>来源于拉曼型介质分子的振动或转动能级，激发态能级|3>来源于电子偶极子跃迁能级。拉曼型传输介质分为共振型拉曼传输介质和非共振型拉曼传输介质，在共振型拉曼传输介质中，具有ω₁频率的光束1共振或近共振作用于跃迁能级|1>和|3>，具有ω₂频率的光束2共振或近共振作用于跃迁能级|2>和|3>；在非共振型拉曼传输介质中，具有ω₁频率的光束1和具有ω₂频率的光束2共同作用于与激发态能级|3>有一定失谐量的虚拟能级上，ω₁频率与ω₂频率满足双光子拉曼共振条件。因此，双光束在拉曼型传输介质中利用受激拉曼散射相干增强的原理，使得双光束激光在拉曼型传输介质中的传输能力增强。

参考图5，原子型传输介质可以等效于一个三能级体系，三能级体系包含∧型、V型和T型等。在∧型三能级原子型传输介质中，两个基态能级|1>和|2>来源于电子的自旋分裂能级，激发态能级|3>来源于电子偶极子跃迁能级，具有ω₁频率的光束1共振或近共振作用于跃迁能级|1>和|3>，具有ω₂频率的光束2共振或近共振作用于跃迁能级|2>和|3>；在V型三能级原子型传输介质中，包括一个基态能级|1>和两个激发态能级|2>和|3>，具有ω₁频率的光束1共振或近共振作用于跃迁能级|1>和|3>，具有ω₂频率的光束2共振或近共振作用于跃迁能级|2>和|3>；在T型三能级原子型传输介质中，包括一个基态能级|1>和两个阶梯排布的激发态能级|2>和|3>，|1>和|2>以及|2>和|3>的跃迁满足偶极子跃迁条件，具有ω₁频率的光束1共振或近共振作用于跃迁能级|1>和|2>，具有ω₂频率的光束2共振或近共振作用于跃迁能级|2>和|3>。因此，双光束在弱吸收原子型传输介质中共线传输，利用量子路径干涉相消在双光子共振条件下减小介质对激光的吸收。具体减小方式是系统处于两个相近的共振能级，当一束光的频率严格的满足双光子共振条件时，原子对该频率的信号光有零吸收，从而在探测光在弱吸收介质中的吸收谱上诱导一个极窄的无损吸收窗口。在本实施例中，可采用电磁感应透明方法或相干粒子数俘获方法来减小激光在原子型传输介质中的吸收。

在回波信号采集系统14中，望远镜接收系统141采集目标物体13反射回来的双光束回波信号，双光束回波信号通过分束单元142分为光束1的第一回波信号和光束2的第二回波信号。在分束单元142中，对两束回波信号进行滤波。滤波后的第一回波信号和第二回波信号分别耦合到两个型号相同的单光子探测器143a和143b，单光子探测器将光信号转换为电信号。

回波信号处理系统15用于根据第一回波信号和第二回波信号确定目标物体的相关信息，相应地生成探测系统测量参数。具体地，计算机152通过控制光子计数器151接收单光子探测器142a、142b中的电信号，并进行关联符合计数分析，从而降低背景噪声以提高回波信号信噪比。

本发明的双光束相干辅助增强的探测装置的总体设计原理如图6所示，望远镜发射系统发射双光束激光，双光束激光在拉曼型或原子型传输介质中共线传输，经过目标物体反射回波信号，然后望远镜接收系统采集双光束回波信号，最后对双光束回波信号进行分析处理获得目标物体的相关信息。

本发明的双光束相干辅助增强的探测装置的具体结构如图7所示，第一发射单元112a和第二发射单元112b产生并同步发射第一光束1和第二光束2，其中第一光束1和第二光束2为两束相干性很好的脉冲激光。在本实施例中，双光束激光的产生方式为：第一发射单元112a采用激光器产生第一光束1，第二发射单元112b采用光学参量振荡器(OPO，Optical Parametric Oscillator)同步产生第二光束2。在其他实施例中，也可由第一光束1在非线性传输介质中产生受激拉曼散射光(该受激拉曼散射光即为第二光束2)，或其他方式产生。

合束单元121包括第一反射镜121a和第一二向色镜121b。第一光束1通过第一反射镜121a进行反射，反射后的第一光束1通过第一二向色镜121b透射。同时，第二光束2通过第一二向色镜121b进行反射，并与透射后的第一光束1合束而形成双光束3，合束后的双光束3共线传输。在本实施例中，反射后的第一光束1与第一二向色镜121b的透射面呈45°夹角，且第二光束2与第一二向色镜222的反射面也呈45°夹角，即第一光束1和第二光束2呈90°夹角。需要说明的是，由于需要第一二向色镜121b对第一光束1为高透射，对第二光束2为高反射，因此在实际应用时，尽量选择在两束激光对应波长的反射效率和透射效率高的二向色镜，以提高激光的传输效率。

双光束3经过第二反射镜122反射后，进入望远镜发射系统123，并由望远镜发射系统123向目标物体23发射。其中，望远镜发射系统123包括扩束透镜组123a以及第三反射镜123b。具体地，扩束透镜组123a对双光束3进行扩束和准直处理，以提高激光传输效率，并减少能量耗散和杂散光。扩束后的双光束3通过第三反射镜123b反射后在拉曼型或原子型传输介质中传输到目标物体23，进行探测。在本实施例中，望远镜发射系统123可以为开普勒系统、伽利略系统或其他系统。

双光束探测到目标物体23后，由目标物体23反射双光束回波信号，该双光束回波信号通过拉曼型或原子型传输介质传输到望远镜接收系统141。由于激光探测有一定的发散角，当传输一定距离后光斑逐渐变大，因而反射的双光束回波信号的光斑直径比望远镜接收系统141的口径大。具体地，望远镜接收系统141包括第四反射镜141a、第五反射镜141b以及聚焦反射镜141c，部分双光束回波信号进入望远镜接收系统141后，通过第四反射镜141a和第五反射镜141b反射到聚焦反射镜141c上。本发明的望远镜系统可采用收发同体或收发不同体的系统，在收发同体的望远镜系统中，传输至目标物体23的发射光束与目标物体23反射的回波光束会有一定重合，但由于发射光束的直径远小于回波光束的直径，因而该重合可忽略。

分束单元142包括第二二向色镜142a、第六反射镜142b、第一滤光片142c、第二滤光片142d、第一聚焦透镜142e、第二聚焦透镜142f、第一光纤142g以及第二光纤142h。

聚焦反射镜141c将双光束回波信号反射到第二二向色镜142a，通过第二二向色镜142a将双光束回波信号分束为第一回波信号和第二回波信号。第一回波信号经第六反射镜142b反射到第一滤光片142c，分束后的第二回波信号则传输到第二滤光片142d。其中，第一滤光片142c以及第二滤光片142d分别为第一回波信号和第二回波信号对应波长的窄带滤光片，以过滤掉杂散光等干扰因素。经滤光片过滤后的第一回波信号和第二回波信号分别通过第一聚焦透镜142e和第二聚焦透镜142f聚焦，并耦合到第一光纤142g和第二光纤142h中。其中，第一光纤142g和第二光纤142h分别为第一回波信号和第二回波信号对应波长的光纤。耦合到光纤中的第一回波信号传输至第一单光子探测器143a的触发通道和输入通道中，耦合到光纤中的第二回波信号传输至第二单光子探测器143b的触发通道和输入通道中，使回波光信号转换为回波电信号。其中，两个单光子探测器的型号相同，使得其对应的参数，例如分辨率、死时间等相同，用于后续的关联符合计数。另外，本发明使用的单光子探测器为分辨率高、死时间小的探测器。

第一单光子探测器143a、第二单光子探测器143b与光子计数器151连接，使得单光子探测器采集到的电信号传输至光子计数器151，并通过光子计数器151对回波电信号进行时间关联符合计数分析，获得目标物体位置信息。

光子计数器151主要由放大器、常数比例鉴频器、多通道分析器组成。放大器用于在噪声干扰极大的环境下提取信号，单光子探测器收集的回波电信号输入放大器，放大器进一步地将回波电信号和噪声信号进行提取和同比例放大。常数比例鉴频器对放大后的单光子回波电信号和背景噪声进行滤波，过滤掉背景噪声，得到噪声较小的回波电信号。经过多通道分析器的回波电信号共同输入到时幅变化器中，将回波电信号时间间隔的长短变换成幅度高低，进而让时间间隔变换成幅度与之成线性关系的脉冲，再用多通道分析器对两束回波电信号进行关联符合计数分析，从而消除背景噪声。本发明采用的第一光束1和第二光束2之间有很好的相干性，因而两束回波电信号之间有很好的时间相干性，且背景噪声与双光束激光之间没有关联性，因而能很好地进行符合计数分析消除噪声，提高探测能力。

经过光子计数器151分析后的数据输入到计算机152，其中，计算机152包括信号处理主板以及数据处理软件程序。采集到的数据输入到数据处理软件程序中，数据处理软件程序在信号处理主板上编译实现，用于对双光束回波电信号和符合计数分析结果进行分析处理。信号处理主板用于将采集的波形、数据进行算法处理和传输，并将处理前后的数据保存在计算机，最终得到的数据携带目标物体的位置信息。本发明采用的数据处理软件程序为现有技术中可商业获得的软件程序，例如picoquant公司的Qucoa和Symphotime64软件。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。例如，第一二向色镜122、第二二向色镜142a还可采用BS透镜，即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种双光束相干辅助增强的探测方法，其特征在于，包括：

步骤S1，由第一发射单元和第二发射单元产生并同步发射第一光束和第二光束；

步骤S2，通过一合束单元将所述第一光束和所述第二光束合束为共线传输的双光束，所述双光束通过望远镜发射系统在拉曼型或原子型传输介质中共线传输到目标物体；

步骤S3，由望远镜接收系统采集所述目标物体反射的双光束回波信号，所述双光束回波信号通过分束单元分为第一回波信号和第二回波信号，所述第一回波信号和第二回波信号分别耦合到两个单光子探测器；

步骤S4，计算机控制光子计数器接收所述单光子探测器中的信号，并进行关联符合计数分析，得到所述目标物体的位置信息；

所述光子计数器主要由放大器、常数比例鉴频器、多通道分析器组成；放大器设置为将两个光子探测器采集到的回波电信号和背景噪声进行提取和同比例放大；常数比例鉴频器对放大后的回波电信号和背景噪声进行滤波，过滤掉背景噪声，得到噪声较小的回波电信号；所述多通道分析器设置为对两束回波电信号进行关联符合计数分析，从而消除背景噪声。

2.根据权利要求1所述的双光束相干辅助增强的探测方法，其特征在于，所述步骤S1中第一光束和第二光束为两束相干激光，其产生方法为：所述第一发射单元采用激光器产生所述第一光束，所述第二发射单元采用光学参量振荡器同步产生所述第二光束。

3.根据权利要求1所述的双光束相干辅助增强的探测方法，其特征在于，所述步骤S1中第一光束和第二光束为两束相干激光，其产生方法为：所述第一光束在介质中通过受激拉曼产生所述第二光束。

4.根据权利要求1所述的双光束相干辅助增强的探测方法，其特征在于，所述步骤S2中双光束在拉曼型传输介质中共线相干增强传输的方法为受激拉曼散射相干增强，所述步骤S2中双光束在原子型传输介质中共线相干增强传输的方法为电磁感应透明方法或相干粒子数俘获方法。

5.根据权利要求1所述的双光束相干辅助增强的探测方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：对所述第一回波信号和第二回波信号进行滤波，所述单光子探测器分别将滤波后的回波信号接入到所述光子计数器中。

6.一种双光束辅助增强的探测装置，其特征在于，沿信号走向依次包括：

双光束产生系统，设置为同步产生第一光束和第二光束；

双光束发射系统，其包括一合束单元和一望远镜发射系统，该合束单元设置为将所述第一光束和所述第二光束合束为共线传输的双光束，所述双光束通过所述望远镜发射系统在拉曼型或原子型传输介质中共线传输到目标物体；

回波信号采集系统，其包括一望远镜接收系统和一分束单元，所述望远镜接收系统设置为采集所述目标物体反射的双光束回波信号，所述双光束回波信号通过所述分束单元分为第一回波信号和第二回波信号，所述第一回波信号和第二回波信号分别耦合到两个单光子探测器；

回波信号处理系统，其包括一计算机和一光子计数器，所述计算机设置为控制所述光子计数器接收所述单光子探测器中的信号并进行关联符合计数分析，得到所述目标物体的位置信息；

所述光子计数器主要由放大器、常数比例鉴频器、多通道分析器组成；放大器设置为将两个光子探测器采集到的回波电信号和背景噪声进行提取和同比例放大；常数比例鉴频器对放大后的回波电信号和背景噪声进行滤波，过滤掉背景噪声，得到噪声较小的回波电信号；所述多通道分析器设置为对两束回波电信号进行关联符合计数分析，从而消除背景噪声。

7.根据权利要求6所述的双光束辅助增强的探测装置，其特征在于，所述双光束产生系统包括一激光器和一光学参量振荡器，所述激光器设置为产生所述第一光束，所述光学参量振荡器设置为同步产生所述第二光束。

8.根据权利要求6所述的双光束辅助增强的探测装置，其特征在于，所述回波信号采集系统还包括一滤波单元，所述滤波单元设置为对所述第一回波信号和第二回波信号进行滤波，所述单光子探测器将滤波后的回波信号接入光子计数器中。

9.根据权利要求6所述的双光束辅助增强的探测装置，其特征在于，所述望远镜发射系统和所述望远镜接收系统为独立的发射系统和接收系统。

10.根据权利要求6所述的双光束辅助增强的探测装置，其特征在于，所述望远镜发射系统和所述望远镜接收系统为收发一体的望远镜系统。