CN113447946B - 微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统 - Google Patents

微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统 Download PDF

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Abstract

微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统，解决了现有无法提取微弱信号中的频率信息的问题，属于激光多普勒测速技术领域。所述系统包括：量子外差探测系统和处理器；量子外差探测系统，用于利用本振光和目标反射的信号光的相干性，将本振光与信号光的差频光信号频率与光子的时间分布进行耦合，获取光子的时间分布，发送给处理器；处理器，用于根据光子的时间分布，恢复出差频光信号频率信息，获取目标的多普勒信息和微多普勒信息。利用基于贝叶斯估计的响应时间间分布统计方法来恢复差频频率信息，所需要统计的数据量少，探测的实时性高，适合微多普勒探测需求。

Description

微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统
技术领域
本发明涉及一种微弱回波信号的高分辨率频率信息获取方法，属于激光多普勒测速技术领域。
背景技术
激光测速是目前激光雷达领域的研究的热点，利用多普勒效应通过外差探测体制进行测速的激光雷达发展相对成熟，并广泛应用于光谱学领域、空间研究、激光雷达、光学通信系统、光学层析成像等领域。
目前激光测速雷达探测系统中的主要的研究难点和重点是微弱激光回波信号的探测问题，目前关于微弱信号的探测手段是利用GM-APD完成探测，GM-APD只能响应回波信号强度的有无，无法提取微弱信号中的频率信息。
发明内容
针对现有无法提取微弱信号中的频率信息的问题，本发明提供一种基于量子外差的微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统。
本发明的一种微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统，所述系统包括：量子外差探测系统和处理器；
量子外差探测系统，用于利用本振光和目标反射的信号光的相干性，将本振光与信号光的差频光信号频率与光子的时间分布进行耦合，获取光子的时间分布，发送给处理器；
处理器，用于根据光子的时间分布，恢复出差频光信号频率信息，获取目标的多普勒信息和微多普勒信息。
作为优选，所述处理器基于贝叶斯估计的响应时间间分布统计算法来恢复差频信号频率信息。
作为优选，所述处理器恢复出差频光信号频率信息的过程包括：
信号间隔处理的响应概率户(Δti|ti)为：
Figure BDA0003136716300000011
Δti表示时间间隔，λ(t)表示光子流密度；设置先验频率信息ω′，得到
Figure BDA0003136716300000021
将t″i代替ti，并代入到公式一中，得到的响应概率；
Figure BDA0003136716300000022
中的ti表示上一次测量的响应时间；
逐渐改变ω′，将获得
Figure BDA0003136716300000023
替换ti代入到公式一中，直到得到稳定的响应概率，此时ω′＝Δω，Δω为差频光信号频率信息，根据稳定的响应概率获得稳定的光子时域信号。
作为优选，所述处理器对稳定的光子时域信号进行傅里叶变换，得到稳定的频域信号，该频域信号的峰值对应的频率即为信号光的频谱信息，根据该频谱信息获取目标的多普勒信息和微多普勒信息。
作为优选，所述量子外差探测系统包括激光器1、光纤分束器2、发射光学系统3、声光频移器4、衰减器5、光纤准直器6、接收光学系统7、单向反射玻璃8和单光子探测器9；
激光器1产生的激光入射至光纤分束器2，分成两路，一路作为探测光经发射光学系统3后照射在目标表面，在被目标反射的过程中，由于多普勒效应，将携带目标的运动信息的反射光经过接收光学系统7接收后作为信号光；两路中的另一路经过声光频移器4调制携带固定频移作为本振光，本振光依次经过衰减器5和光纤准直器6后，通过单向反射玻璃8与信号光一同照射在单光子探测器9上，获取光子的时间分布。
作为优选，光纤分束器2的分光比例为1/99，99％的一路作为探测光，1％的一路入射至声光频移器4。
作为优选，所述微多普勒信息测量系统包括计数卡10，所述单光子探测器9为单光子计数型探测器，计数卡10与单光子计数型探测器连接，用于存储光子计数数据。
本发明的有益效果：本发明利用本振光和信号光的相干性，将本振光与信号光的差频频率与光子的时间分布进行耦合，然后通过光子计数型探测器对光子时间分布进行测量，利用基于贝叶斯估计的响应时间间分布统计方法来恢复差频频率信息，所需要统计的数据量少，探测的实时性高，适合微多普勒探测需求。本发明可以有效提取回波中携带微多普勒信息的那部分信号(能量微弱，传统探测手段无法提取，被视为噪声)，在原有探测系统的基础上提升探测维度。在回波信号极其微弱情况下可以实现多普勒测量(传统方法信噪比低，无法实现)，提升探测系统的作用距离。
附图说明
图1为本发明的微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统的原理示意图；
图2为本发明处理器的多普勒信息及微多普勒信息提取方法流程图；
图3(a)为探测到的光子计数信号，图3(b)为利用贝叶斯条件统计获得的信号间隔处理的响应概率信号；图3(c)贝叶斯估计法统计结果。
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。
本实施方式的一种微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统，其特征在于，包括：
量子外差探测系统，用于利用本振光和目标反射的信号光的相干性，将本振光与信号光的差频光信号频率与光子的时间分布进行耦合，获取光子的时间分布，发送给处理器；
处理器，用于根据光子的时间分布，恢复出差频光信号频率信息，获取目标的多普勒信息和微多普勒信息。
本实施方式处理器基于贝叶斯估计的响应时间间分布统计算法来恢复差频信号频率信息。
基于量子外差的微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统工作原理如图1所示，首先激光器1产生一束窄线宽连续激光，光纤分束器2将激光器发出的光进行分光，分光比例为1/99，99％的那一路作为探测光经过发射光学系统3后照射在目标表面，在被目标反射的过程中，由于多普勒效应，将携带目标的运动信息(多普勒对应目标质心的速度，微多普勒对应目标振动，章动，进动，加速度等运动特征)反射光经过接收光学系统7接收后作为信号光。1％的那一路经过声光频移器4调制携带固定频移作为本振光，本振光经过衰减器5和光纤准直器6后，通过单向反射玻璃8与信号光一同照射在单光子计数型探测器9上。
通过计数卡10储存光子计数数据，通过处理器11恢复信号中所携带的目标的多普勒目标所携带的多普勒信息和微多普勒信息。
本实施方式基于贝叶斯估计的单光子计数数据统计方法如图3(a)-图3(c)所示，单光子计数探测器9的响应概率，受差频频率和上一次的响应时间共同影响即：
Figure BDA0003136716300000041
λ(t)表示光子流密度；
所以在统计时要将上一次的响应时间ti如图3(b)所示的影响去除。设计贝叶斯统计方案，先假设一个频率ω′，将ti修改为统计基于先验频率信息ω′的
Figure BDA0003136716300000042
逐渐的改变ω′，改变t″i，带入得到
Figure BDA0003136716300000043
中，得到如图3(b)的信号形式，当满足当ω′＝Δω时，Δω为差频光信号的真实频率，得到如图3c的信号形式，信号稳定。时间间隔Δt＝Δti+ti″的统计结果将与ti无关。Δt的统计分布结果将与光子流密度一致，此时统计结果如图3(c)所示，据此既可以使用极少的数据量恢复信号，最终快速的获得信号光的频谱信息。从而在满足探测信噪比的条件下，提升量子外差频谱恢复的实时性，满足微多普勒探测的需求。最后根据获得的频谱信息，提取目标的微多普勒信息。图3(c)中，Δtξ表示得到稳定信号对应的时间间隔，ξ表示带入第ξ次得到稳定信号(不断的选择ω′带入1次，2次，3次……最终第ξ次得到稳定信号)，
Figure BDA0003136716300000044
表示贝叶斯估计法估计出的光子时域信号。
处理器对稳定的光子时域信号进行傅里叶变换，得到稳定的频域信号，该频域信号的峰值对应的频率即为信号光的频谱信息，根据该频谱信息获取目标的多普勒信息和微多普勒信息。
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)

1.一种微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统，其特征在于，所述系统包括：量子外差探测系统和处理器；
量子外差探测系统，用于利用本振光和目标反射的信号光的相干性，将本振光与信号光的差频光信号频率与光子的时间分布进行耦合，获取光子的时间分布，发送给处理器；
处理器，用于根据光子的时间分布，恢复出差频光信号频率信息，获取目标的多普勒信息和微多普勒信息；
所述处理器基于贝叶斯估计的响应时间分布统计算法来恢复差频信号频率信息；
所述处理器恢复出差频光信号频率信息的过程包括：
信号间隔处理的响应概率P(Δti|ti)为：
Figure FDA0003662066410000011
Δti表示时间间隔，λ(t)表示光子流密度；设置先验频率信息ω′，得到
Figure FDA0003662066410000012
将t″i代替ti，并代入到公式一中，得到的响应概率；
Figure FDA0003662066410000013
中的ti表示上一次测量的响应时间；
逐渐改变ω′，将获得
Figure FDA0003662066410000014
替换ti代入到公式一中，直到得到稳定的响应概率，此时ω′＝Δω，Δω为差频光信号频率信息，根据稳定的响应概率获得稳定的光子时域信号。
2.根据权利要求1所述的微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统，其特征在于，所述处理器对稳定的光子时域信号进行傅里叶变换，得到稳定的频域信号，该频域信号的峰值对应的频率即为信号光的频谱信息，根据该频谱信息获取目标的多普勒信息和微多普勒信息。
3.根据权利要求2所述的微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统，其特征在于，所述量子外差探测系统包括激光器(1)、光纤分束器(2)、发射光学系统(3)、声光频移器(4)、衰减器(5)、光纤准直器(6)、接收光学系统(7)、单向反射玻璃(8)和单光子探测器(9)；
激光器(1)产生的激光入射至光纤分束器(2)，分成两路，一路作为探测光经发射光学系统(3)后照射在目标表面，在被目标反射的过程中，由于多普勒效应，将携带目标的运动信息的反射光经过接收光学系统(7)接收后作为信号光；两路中的另一路经过声光频移器(4)调制携带固定频移作为本振光，本振光依次经过衰减器(5)和光纤准直器(6)后，通过单向反射玻璃(8)与信号光一同照射在单光子探测器(9)上，获取光子的时间分布。
4.根据权利要求3所述的微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统，其特征在于，光纤分束器(2)的分光比例为1/99，99％的一路作为探测光，1％的一路入射至声光频移器(4)。
5.根据权利要求3所述的微弱激光回波信号的微多普勒信息测量系统，其特征在于，所述微多普勒信息测量系统包括计数卡(10)，所述单光子探测器(9)为单光子计数型探测器，计数卡(10)与单光子计数型探测器连接，用于存储光子计数数据。
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