CN112859101A - 一种基于偏振调制的单光子测距方法 - Google Patents

一种基于偏振调制的单光子测距方法 Download PDF

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CN112859101A CN202110029743.1A CN202110029743A CN112859101A CN 112859101 A CN112859101 A CN 112859101A CN 202110029743 A CN202110029743 A CN 202110029743A CN 112859101 A CN112859101 A CN 112859101A
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Abstract

本发明属于单光子探测技术领域，公开了一种基于偏振调制的单光子测距方法，利用量子理论对光子的偏振特性进行分析，将光子的飞行时间与回波光子的偏振调制态之间建立联系，通过探测光子对线偏振片的透过率计算光子的飞行时间，从而实现对目标距离测量。本发明可以实现微弱光信号条件下的目标距离测量，且不需要计时电路，极大程度上简化了三维光子计数成像中需要集成的硬件，为高空间分辨率的三维光子计数成像提供了便利。

Description

一种基于偏振调制的单光子测距方法
技术领域
本发明属于单光子探测技术领域，更具体地，涉及一种基于偏振调制的单光子测距方法。
背景技术
与传统光学探测相比，单光子探测技术可以应用于微弱光信号的探测与分析，已在显微成像、荧光检测、生物医学和遥感测量等领域得到了应用。
在传统的三维光子计数成像技术中，基于盖革模式雪崩光电二极管(Gm-APD)的光子计数器是最常用的探测器件，可以对由目标反射的光子量级的信号进行探测，在光子计数测量技术中起着重要作用。为了获取光子的飞行时间从而计算目标的距离，光子计数器需要加入计时电路(TDC)进行时间分辨。但是TDC具有复杂的结构和较大的体积，通常单像素的TDC需要上百个晶体管构成。光子计数器与TDC集成后对光子探测的空间分辨率会大大下降(例如32*32像素)，且集成的成本较高，这为三维光子计数成像技术在高空间分辨率的应用带来了严重的障碍。为了解决上述难题，需要一种适用于三维光子计数成像但可以简化硬件集成的测距技术。
传统的基于偏振调制的激光测距方法是利用电光相位调制器对回波信号光束的偏振态进行时间相关的线性周期调制，由光束干涉光斑的光强解算偏振调制的相位差，根据相位差和时间的一一对应关系确定信号响应时间，从而获取光的飞行时间。该方法可以实现对信号光斑内目标表面的三维距离探测，且无需TDC，可以实现空间分辨率较高的三维距离测量。但该方法基于光束的偏振干涉理论，只能对光强较强的信号光束进行偏振调制，当信号光减弱到单光子量级时，该方法无法直接实现对光子的调制。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于偏振调制的单光子测距方法。
本发明提供一种基于偏振调制的单光子测距方法，包括以下步骤：
步骤1：搭建探测系统；
所述探测系统包括脉冲激光器、接收单元、两个光子计数器和控制器，所述控制器分别与所述脉冲激光器、所述接收单元、两个所述光子计数器连接；所述接收单元包括在光路上依次设置的线偏振片、电光相位调制器、偏振分光棱镜；两个所述光子计数器分别设置在所述偏振分光棱镜的两个出射光路上；
步骤2：通过所述脉冲激光器发射激光垂直照射至探测目标的表面，通过所述接收单元捕获所述探测目标的表面反射的回波信号光子；通过两个所述光子计数器分别对第一通道和第二通道中的回波信号光子数进行计数，获得实际计数值；
步骤3：基于光子的偏振调制原理，利用量子理论对回波信号光子通过所述接收单元后的理论计数率进行描述，结合所述线偏振片的偏振态参数，推导得到回波信号光子在所述偏振分光棱镜的两个出射光路上的理论计数率；
步骤4：根据泊松负对数似然方程，推导得到回波信号光子的所述实际计数值与所述理论计数率的关系；
步骤5：根据回波信号光子在第一通道和第二通道的实际计数值计算回波信号光子的偏振调制态中的相位延迟量；根据所述相位延迟量得到回波信号光子的飞行时间；根据所述回波信号光子的飞行时间计算得到目标的距离值。
优选的，所述步骤1中，所述接收单元的光路与所述脉冲激光器的光路平行；所述脉冲激光器和所述电光相位调制器位于同一位置，且该位置作为距离测量的零点。
优选的，所述步骤2中，通过所述控制器触发所述脉冲激光器，所述脉冲激光器的脉冲周期记为Tr；通过所述控制器对所述电光相位调制器施加线性增加的周期电压信号，所述电压信号的调制周期记为TG；
所述调制周期TG与所述脉冲周期Tr相位一致，并满足Tr＝nTG；每个所述脉冲周期中都有n个所述调制周期，其中，n取正整数；当n不等于1时，将第一个所述调制周期用于测距；
当回波信号光子经过所述电光相位调制器后，会在作为所述电光相位调制器的两个调制轴的第一方向和第二方向上引入相位延迟量α；所述相位延迟量α与调制时间的关系如下：
Figure BDA0002891644190000021
式中，TG为电光相位调制器对应的调制周期，t为调制时间。
优选的，所述第一通道为X通道，所述第二通道为Y通道；所述电光相位调制器的两个调制轴分别为x方向和y方向。
优选的，所述步骤3包括以下子步骤：
步骤3.1：利用量子化的电场来描述回波信号光子的偏振态；回波信号光子经过所述电光相位调制器后，回波信号光子的电场算子
Figure BDA0002891644190000031
相互垂直的x方向和y方向的分量分别会引入αx和αy的相位延迟，回波信号光子再经过一个偏振角度为θ的线偏振片后的理论计数率为：
Figure BDA0002891644190000032
式中，
Figure BDA0002891644190000033
表示相位延迟量为α、线偏振片的角度为θ时的理论计数率，α＝αy-αx；
Figure BDA0002891644190000034
表示回波信号光子的偏振状态，
Figure BDA0002891644190000035
和
Figure BDA0002891644190000036
是量子偏振矩阵的元素；
Figure BDA0002891644190000037
βxy为
Figure BDA0002891644190000038
的相位；
步骤3.2：回波信号光子经过偏振方向在竖直方向的所述线偏振片后，式(2)中的相关参数的值可确定为：
Figure BDA0002891644190000039
和βxy＝0；
式中，Ns表示回波信号光子经过线偏振片后单个激光脉冲内在时间间隔Tω的光子理论计数率，Tω表示激光脉冲的均方根脉宽；
步骤3.3：所述偏振分光棱镜的分光方向分别为竖直偏振方向和水平偏振方向，与调制轴x方向的夹角θ分别为45°和-45°；根据式(2)得到回波信号光子在偏振分光棱镜的两个出射光路的理论计数率分别为：
Figure BDA00028916441900000310
由式(1)和式(3)得到回波信号光子在偏振分光棱镜的两个出射光路的理论计数率与回波信号光子的飞行时间之间的关系为：
Figure BDA00028916441900000311
式中，θ取45°或-45°；θ＝45°对应X通道，θ＝-45°对应Y通道。
优选的，所述步骤4中，在低光照情况下，单脉冲中光子计数器对回波信号光子的探测过程符合非均匀泊松过程，光子计数器的实际计数率为
Figure BDA0002891644190000041
其中，d表示符合均匀泊松过程的光子计数器的暗计数率，η表示光子计数器的量子效率；
对于X通道，在单个调制周期(0，TG]中，光子计数器实际计数值的概率密度函数为：
Figure BDA0002891644190000042
其中，单个调制周期中，X通道内光子计数器的总光子探测数mx表示为：
Figure BDA0002891644190000043
单个调制周期中，Y通道内光子计数器的总光子探测数my表示为：
Figure BDA0002891644190000044
在X通道中，对于N个激光脉冲，光子计数器探测到kx个光子的概率为：
Figure BDA0002891644190000045
式中，kx为X通道中光子计数器的实际计数值，kx＝0，1，...，N；
由式(8)可得，X通道中光子计数器的实际计数值kx的负对数似然函数为：
Figure BDA0002891644190000046
通过最大化式(9)中的负对数似然函数可知，对于N个激光脉冲，X通道中光子计数器的实际计数值与mx的关系为：
Figure BDA0002891644190000047
同理，对于N个激光脉冲，Y通道中光子计数器的实际计数值与my的关系为：
Figure BDA0002891644190000048
式中，ky表示Y通道中光子计数器的实际计数值。
优选的，所述步骤5中，根据式(6)(7)和式(10)(11)得到回波信号光子的偏振调制态中的相位延迟量为：
Figure BDA0002891644190000051
式中，α表示相位延迟量。
优选的，所述步骤5中，所述目标的距离值表示为：
Figure BDA0002891644190000052
式中，R表示目标的距离值。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，提供的基于偏振调制的单光子测距方法首先搭建探测系统，通过脉冲激光器发射激光垂直照射至探测目标的表面，通过接收单元捕获所述探测目标的表面反射的回波信号光子，通过两个光子计数器分别对第一通道和第二通道中的回波信号光子数进行计数获得实际计数值；然后基于光子的偏振调制原理，利用量子理论对回波信号光子通过所述接收单元后的理论计数率进行描述，结合线偏振片的偏振态参数，推导得到回波信号光子在偏振分光棱镜的两个出射光路上的理论计数率；根据泊松负对数似然方程，推导得到回波信号光子的实际计数值与所述理论计数率的关系；最后根据回波信号光子在第一通道和第二通道的实际计数值计算回波信号光子的偏振调制态中的相位延迟量，根据相位延迟量得到回波信号光子的飞行时间，根据回波信号光子的飞行时间计算得到目标的距离值。即本发明利用量子理论对光子的偏振特性进行分析，将光子的飞行时间与回波光子的偏振调制态之间建立联系，通过探测光子对线偏振片的透过率计算光子的飞行时间，从而实现对目标距离测量。该方法可以实现微弱光信号条件下(单光子量级回波信号)的目标距离测量，且不需要计时电路，极大程度上简化了三维光子计数成像中需要集成的硬件，给高空间分辨率的三维光子计数成像提供了便利。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于偏振调制的单光子测距方法的原理示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于偏振调制的单光子测距方法中光子的偏振调制原理图；
图3是本发明实施例提供的一种基于偏振调制的单光子测距方法采用的测量系统装置图；
图4是本发明实施例提供的一种基于偏振调制的单光子测距方法中目标物体的强度图像；
图5是本发明实施例提供的一种基于偏振调制的单光子测距方法在X通道和Y通道的光子计数图像；
图6是本发明实施例提供的一种基于偏振调制的单光子测距方法的单次测量三维距离图像和10次测量平均的测量误差；
图7是标准球体的强度图像、反射率图像以及单次测量和10次测量平均的距离图像、三维显示图像、距离误差图像。
具体实施方式
基于偏振调制的光子测距是将传统方法中的对光束偏振调制转化为对光子偏振态的调控，并利用光子计数器对偏振调制后的回波光子数进行探测。通过建立光子理论计数率和光子的飞行时间之间的关系，可以实现微弱光信号情况下的三维距离测量。如何对光子的偏振态进行调控，并通过光子实际计数值推算光子偏振态的调控量以及如何由光子偏振态的调控量计算光子飞行时间，是基于偏振调制的光子测距的关键问题。
本发明主要针对极弱光信号下目标距离探测的应用需求，根据光子的偏振调制理论，提出了一种基于偏振调制的单光子测距方法。将光子的飞行时间与回波光子的偏振调制态之间建立联系，通过探测光子对线偏振片的透过率计算光子的飞行时间，从而实现对目标距离测量。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种基于偏振调制的单光子测距方法，参见图1，主要包括以下步骤：
步骤1：搭建探测系统。
所述探测系统包括脉冲激光器、接收单元、两个光子计数器和控制器，所述控制器分别与所述脉冲激光器、所述接收单元、两个所述光子计数器连接；所述接收单元包括在光路上依次设置的线偏振片、电光相位调制器、偏振分光棱镜；两个所述光子计数器分别设置在所述偏振分光棱镜的两个出射光路上。
步骤2：通过所述脉冲激光器发射激光垂直照射至探测目标的表面，通过所述接收单元捕获所述探测目标的表面反射的回波信号光子；通过两个所述光子计数器分别对第一通道和第二通道中的回波信号光子数进行计数，获得实际计数值。
步骤3：基于光子的偏振调制原理，利用量子理论对回波信号光子通过所述接收单元后的理论计数率进行描述，结合所述线偏振片的偏振态参数，推导得到回波信号光子在所述偏振分光棱镜的两个出射光路上的理论计数率。
步骤4：根据泊松负对数似然方程，推导得到回波信号光子的所述实际计数值与所述理论计数率的关系。
步骤5：根据回波信号光子在第一通道和第二通道的实际计数值计算回波信号光子的偏振调制态中的相位延迟量；根据所述相位延迟量得到回波信号光子的飞行时间；根据所述回波信号光子的飞行时间计算得到目标的距离值。
下面对本发明做进一步的说明。
本发明提供的一种基于光子偏振态调制的单光子测距方法包括以下步骤：
步骤A：搭建探测系统光路，脉冲激光器发射的激光垂直照射到探测目标的表面，并调整接收单元捕获所述探测目标的表面反射的回波信号光子，使回波信号光子依次经过接收单元中的线偏振片、电光相位调制器和偏振分光棱镜。使接收单元的光路与脉冲激光器的光路平行，且脉冲激光器和电光相位调制器位于同一位置，该位置为距离测量的零点。
具体的，所述步骤A包括以下子步骤：
步骤A1：将脉冲激光器发射的激光垂直照射到探测目标的表面，由控制器(信号源)外部触发脉冲激光器，设置激光器的脉冲周期为Tr(例如，设置激光器的脉冲信号频率为10MHz，即周期为100ns)。
步骤A2：调整接收单元捕获目标的表面反射的回波信号光子，使回波信号光子依次经过接收单元中的线偏振片、电光相位调制器EOM和偏振分光棱镜PBS，如附图1、图3所示。使接收单元的光路与脉冲激光器的光路平行，且脉冲激光器和电光相位调制器位于同一位置，该位置为距离测量的零点。
步骤A3：利用信号源对电光相位调制器施加线性增加的周期电压信号，电压信号的周期TG(例如，电压信号的频率为20MHz，即调制周期为TG＝50ns)与脉冲激光器发射脉冲激光的脉冲周期Tr相位一致，并满足Tr＝nTG(n＝1,2,3...)。本实施例中，Tr＝2TG，在这种情况下，脉冲激光的每个周期中都有两个电光相位调制器的调制周期，将第一个调制周期用于测距。当回波信号光子经过电光相位调制器后，会在作为电光调制器的两个调制轴的第一方向和第二方向引入相位延迟量α。相位延迟量α与调制时间的关系如下：
Figure BDA0002891644190000081
式中，TG为电光相位调制器对应电压信号的周期，t为调制时间。其中，调制时间和回波信号光子的飞行时间是相等的。
为了便于理解，下面以电光相位调制器的两个调制轴分别为x方向和y方向为例，进行说明。
步骤B：在偏振分光棱镜的两个出射光路放置光子计数器，分别对两个通道中多个激光脉冲信号的回波信号光子数进行计数，获得实际计数值。
具体的，以第一通道为X通道、第二通道为Y通道为例，两个光子计数器分别放置于偏振分光棱镜的两个出射光路处，分别对两个通道的回波光子进行计数，获取两个通道的实际计数值kx、ky。对目标物体单次测量的X通道和Y通道的光子计数图像如附图5所示。每一次计数是对N个脉冲的回波光子进行累加计数，即光子计数器的计数周期为NTr(例如，每一次计数是对10000个脉冲的回波光子进行累加计数，即光子计数器的计数周期为100μs。对实施例中目标物体探测的单脉冲平均回波光子数为Ns＝0.03)。
步骤C：基于光子的偏振调制原理，利用量子理论对回波信号光子通过接收单元后的理论计数率进行描述，结合线偏振片P0的偏振态参数，推导回波信号光子在偏振分光棱镜的两个出射光路的理论计数率。
具体的，所述步骤C包括以下子步骤：
步骤C1：光子的偏振调制原理如附图2所示，利用量子化的电场来描述光子的偏振态。光子经过相位补偿器(相位补偿器相当于电光相位调制器的简化装置，只对通过的光子引入固定的相位延迟)后，光子的电场算子
Figure BDA0002891644190000082
在相互垂直的x和y方向的分量分别会引入αx和αy的相位延迟。此时，光子再经过一个偏振角度为θ的线偏振片后的理论计数率为：
Figure BDA0002891644190000091
式中，
Figure BDA0002891644190000092
表示相位延迟量为α、线偏振片的角度为θ时的理论计数率，α＝αy-αx；
Figure BDA0002891644190000093
表示回波信号光子的偏振状态，
Figure BDA0002891644190000094
和
Figure BDA0002891644190000095
是量子偏振矩阵的元素，βxy定义为
Figure BDA0002891644190000096
的相位，即
Figure BDA0002891644190000097
当回波光子具有已知的偏振态时(
Figure BDA0002891644190000098
和βxy均已知)，回波信号光子的理论计数率则只由其所经过的线偏振片的角度θ和相位延迟量α决定。
步骤C2：回波信号光子经过偏振方向在竖直方向的线偏振片P0后，式(2)中的相关参数的值可确定为：
Figure BDA0002891644190000099
和βxy＝0。其中，Ns表示光子经过线偏振片后单个激光脉冲内在时间间隔Tω的光子理论计数率，Tω表示激光脉冲的均方根脉宽。
需要说明的是：线偏振片的偏振方向需要是电光相位调制器的两个调制轴的中间方向，实际可以为任意的一个固定方向。本发明推导了该偏振片在竖直方向的相关公式表达作为实施例。
步骤C3：回波信号光子经过偏振分光棱镜，偏振分光棱镜的分光方向分别为竖直偏振方向和水平偏振方向，与调制轴x方向的夹角θ分别为45°和-45°。根据式(2)得到回波信号光子在偏振分光棱镜的两个出射光路的理论计数率分别为：
Figure BDA00028916441900000910
即：
Figure BDA00028916441900000911
Figure BDA00028916441900000912
式中，θ＝45°或-45°。由式(1)和式(3)可得到回波信号光子在偏振分光棱镜的两个出射光路的理论计数率与偏振调制时间(即回波信号光子飞行时间)的关系为：
Figure BDA0002891644190000101
即：
Figure BDA0002891644190000102
Figure BDA0002891644190000103
式中，θ取45°或-45°；θ＝45°对应X通道，θ＝-45°对应Y通道。
需要说明的是：偏振分光棱镜的方向只要是分别平行和垂直所述线偏振片的方向即可。当那个线偏振片的方向确定为竖直方向后，偏振分光棱镜的方向为竖直方向和水平方向，对应的夹角分别为正负45°。
步骤D：根据泊松负对数似然方程推导回波信号光子的实际计数值与回波信号光子在两个通道的理论计数率的关系。
具体的，在低光照情况下，单脉冲中光子计数器对回波信号光子的探测过程符合非均匀泊松过程，光子计数器的实际计数率为
Figure BDA0002891644190000104
其中，d表示符合均匀泊松过程的光子计数器的暗计数率，η表示光子计数器的量子效率。
则对于X通道(θ＝45°)，在单个调制周期(0，TG]中，光子计数器实际计数值的概率密度函数为：
Figure BDA0002891644190000105
其中，单个调制周期中，X通道内光子计数器的总光子探测数mx可以表示为：
Figure BDA0002891644190000106
相应的，单个调制周期中，Y通道(θ＝-45°)内光子计数器的总光子探测数my可以表示为：
Figure BDA0002891644190000111
在X通道中，对于N个激光脉冲，光子计数器PCDx探测到kx个光子的概率为：
Figure BDA0002891644190000112
式中，kx为X通道中光子计数器的实际计数值，kx＝0，1，...，N。
由式(8)可得X通道中光子计数器的实际计数值kx的负对数似然函数为：
Figure BDA0002891644190000113
通过最大化式(9)中的负对数似然函数可知，对于N个激光脉冲，X通道中光子计数器的实际计数值与mx的关系为：
Figure BDA0002891644190000114
同理，对于N个激光脉冲，Y通道中光子计数器的实际计数值与my的关系为：
Figure BDA0002891644190000115
式中，ky表示Y通道中光子计数器的实际计数值。
步骤E：根据回波信号光子在两个通道的实际计数值计算回波信号光子的偏振调制态中的相位延迟量，然后推算出对应的调制时间，即光子的飞行时间。最后由光子的飞行时间计算目标的距离值。
具体的，所述步骤E包括以下子步骤：
步骤E1，根据式(6)(7)和式(10)(11)可得回波信号光子的偏振调制态中的相位延迟量为：
Figure BDA0002891644190000116
步骤E2，由光子的偏振调制态的相位延迟量可得目标的距离值为：
Figure BDA0002891644190000117
式中，R表示目标的距离值。
例如，图4所示为目标物体的强度图像，目标物体由两个相隔2cm的三角金属板组成，两个三角金属板与探测系统的距离零点相距2m。方框中的区域为测量区域。N＝10000时，基于上述步骤得到目标物体表面的三次测量结果，为了减小测量误差，可以将多次测量结果取平均进行优化。可利用双轴相控振镜对目标物体的探测区域进行100*100的像素点扫描测量。实施例的单次测量三维距离图像和10次测量平均的测量误差如附图6所示。对于实施例中的两个金属三角板，单个像素的测量频率为1kHz，单次三维测量的平均误差分别为7mm和9mm，10次平均三维测量的平均误差分别为5mm和8mm。
为了定量的评价基于偏振调制的单光子测量方法的三维测量结果，本发明选取了另一目标物体：标准球面。该实施例中目标物体探测的单脉冲平均回波光子数为Ns∈[0.0005，0.0025]。单点的重复测量脉冲数N＝100000。引入绝对误差作为评价指标，分别进行单次测量和10次平均测量，得出的结果如附图7所示。整个球面的最大测量误差不超过11mm。
可以看到，本发明提出的方法基于对回波信号光子的偏振态调制获取光子的飞行时间，从而实现了目标距离的测量，可以在微弱光信号条件下，对目标物体进行三维距离成像。
本发明实施例提供的一种基于偏振调制的单光子测距方法至少包括如下技术效果：
本发明利用量子理论对光子的偏振特性进行分析，提供一种将光子的飞行时间与回波光子的偏振调制态之间建立联系，通过探测光子对线偏振片的透过率计算光子的飞行时间，从而实现对目标距离测量的方法。该方法可以实现微弱光信号条件下(单光子量级回波信号)的目标距离测量，且不需要计时电路，极大程度上简化了三维光子计数成像中需要集成的硬件，给高空间分辨率的三维光子计数成像提供了便利。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于偏振调制的单光子测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：搭建探测系统；
所述探测系统包括脉冲激光器、接收单元、两个光子计数器和控制器，所述控制器分别与所述脉冲激光器、所述接收单元、两个所述光子计数器连接；所述接收单元包括在光路上依次设置的线偏振片、电光相位调制器、偏振分光棱镜；两个所述光子计数器分别设置在所述偏振分光棱镜的两个出射光路上；
步骤2：通过所述脉冲激光器发射激光垂直照射至探测目标的表面，通过所述接收单元捕获所述探测目标的表面反射的回波信号光子；通过两个所述光子计数器分别对第一通道和第二通道中的回波信号光子数进行计数，获得实际计数值；
步骤3：基于光子的偏振调制原理，利用量子理论对回波信号光子通过所述接收单元后的理论计数率进行描述，结合所述线偏振片的偏振态参数，推导得到回波信号光子在所述偏振分光棱镜的两个出射光路上的理论计数率；
步骤4：根据泊松负对数似然方程，推导得到回波信号光子的所述实际计数值与所述理论计数率的关系；
步骤5：根据回波信号光子在第一通道和第二通道的实际计数值计算回波信号光子的偏振调制态中的相位延迟量；根据所述相位延迟量得到回波信号光子的飞行时间；根据所述回波信号光子的飞行时间计算得到目标的距离值。
2.根据权利要求1所述的基于偏振调制的单光子测距方法，其特征在于，所述步骤1中，所述接收单元的光路与所述脉冲激光器的光路平行；所述脉冲激光器和所述电光相位调制器位于同一位置，且该位置作为距离测量的零点。
3.根据权利要求1所述的基于偏振调制的单光子测距方法，其特征在于，所述步骤2中，通过所述控制器触发所述脉冲激光器，所述脉冲激光器的脉冲周期记为Tr，；通过所述控制器对所述电光相位调制器施加线性增加的周期电压信号，所述电压信号的调制周期记为TG；
所述调制周期TG与所述脉冲周期Tr相位一致，并满足Tr＝nTG；每个所述脉冲周期中都有n个所述调制周期，其中，n取正整数；当n不等于1时，将第一个所述调制周期用于测距；
当回波信号光子经过所述电光相位调制器后，会在作为所述电光相位调制器的两个调制轴的第一方向和第二方向上引入相位延迟量α；所述相位延迟量α与调制时间的关系如下：
Figure FDA0002891644180000021
式中，TG为电光相位调制器对应的调制周期，t为调制时间。
4.根据权利要求3所述的基于偏振调制的单光子测距方法，其特征在于，所述第一通道为X通道，所述第二通道为Y通道；所述电光相位调制器的两个调制轴分别为x方向和y方向。
5.根据权利要求4所述的基于偏振调制的单光子测距方法，其特征在于，所述步骤3包括以下子步骤：
步骤3.1：利用量子化的电场来描述回波信号光子的偏振态；回波信号光子经过所述电光相位调制器后，回波信号光子的电场算子
Figure FDA0002891644180000022
在相互垂直的x方向和y方向的分量分别会引入αx和ay的相位延迟，回波信号光子再经过一个偏振角度为θ的线偏振片后的理论计数率为：
Figure FDA0002891644180000023
式中，
Figure FDA0002891644180000024
表示相位延迟量为α线偏振片的角度为θ时的理论计数率，α＝αy-αx；
Figure FDA0002891644180000025
表示回波信号光子的偏振状态，
Figure FDA0002891644180000026
和
Figure FDA0002891644180000027
是量子偏振矩阵的元素；
Figure FDA0002891644180000028
βxy为
Figure FDA0002891644180000029
的相位；
步骤3.2：回波信号光子经过偏振方向在竖直方向的所述线偏振片后，式(2)中的相关参数的值可确定为：
Figure FDA00028916441800000210
和βxy＝0；
式中，Ns表示回波信号光子经过线偏振片后单个激光脉冲内在时间间隔Tω的光子理论计数率，Tω表示激光脉冲的均方根脉宽；
步骤3.3：所述偏振分光棱镜的分光方向分别为竖直偏振方向和水平偏振方向，与调制轴x方向的夹角θ分别为45°和-45°；根据式(2)得到回波信号光子在偏振分光棱镜的两个出射光路的理论计数率分别为：
Figure FDA0002891644180000031
由式(1)和式(3)得到回波信号光子在偏振分光棱镜的两个出射光路的理论计数率与回波信号光子的飞行时间之间的关系为：
Figure FDA0002891644180000032
式中，θ取45°或-45°；θ＝45°对应X通道，θ＝-45°对应Y通道。
6.根据权利要求5所述的基于偏振调制的单光子测距方法，其特征在于，所述步骤4中，在低光照情况下，单脉冲中光子计数器对回波信号光子的探测过程符合非均匀泊松过程，光子计数器的实际计数率为
Figure FDA0002891644180000033
其中，d表示符合均匀泊松过程的光子计数器的暗计数率，η表示光子计数器的量子效率；
对于X通道，在单个调制周期(0，TG]中，光子计数器实际计数值的概率密度函数为：
Figure FDA0002891644180000034
其中，单个调制周期中，X通道内光子计数器的总光子探测数mx表示为：
Figure FDA0002891644180000035
单个调制周期中，Y通道内光子计数器的总光子探测数my表示为：
Figure FDA0002891644180000036
在X通道中，对于N个激光脉冲，光子计数器探测到kx个光子的概率为：
Figure FDA0002891644180000037
式中，kx为X通道中光子计数器的实际计数值，kx＝0，1，...，N；
由式(8)可得，x通道中光子计数器的实际计数值kx的负对数似然函数为：
Figure FDA0002891644180000041
通过最大化式(9)中的负对数似然函数可知，对于N个激光脉冲，X通道中光子计数器的实际计数值与mx的关系为：
Figure FDA0002891644180000042
同理，对于N个激光脉冲，Y通道中光子计数器的实际计数值与my的关系为：
Figure FDA0002891644180000043
式中，ky表示Y通道中光子计数器的实际计数值。
7.根据权利要求6所述的基于偏振调制的单光子测距方法，其特征在于，所述步骤5中，根据式(6)(7)和式(10)(11)得到回波信号光子的偏振调制态中的相位延迟量为：
Figure FDA0002891644180000044
式中，α表示相位延迟量。
8.根据权利要求7所述的基于偏振调制的单光子测距方法，其特征在于，所述步骤5中，所述目标的距离值表示为：
Figure FDA0002891644180000045
式中，R表示目标的距离值。
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