CN115494479B - 一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统及3d成像方法 - Google Patents

一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统及3d成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光雷达探测成像技术领域，提供了一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统及3D成像方法，利用了单光子探测器可以探测微弱的光信号的特性，在同等的工作环境中，极大地降低了对于激光发射功率的要求，而且因为应用了基于非线性光学效应的滤波方法，可以滤除掉光谱重叠的噪声并提取出有效的探测信号，使得系统的抗噪性能得到显著提升，能够在恶劣工作环境中保证高精度测量成像。

Description

一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统及3D成像方法
技术领域
本发明涉及激光雷达探测成像技术领域，特别涉及一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统及3D成像方法。
背景技术
激光雷达作为现代工业不可或缺的视觉传感系统，被广泛应用于智能制造、自动驾驶、地貌勘探、建筑测绘等诸多领域。如果将其比作机器的眼睛，看得更清晰、看得更准确无疑是永恒的追求。近年来，工业技术的快速发展同时刺激着人们需求的不断提升，传统激光雷达在公里级范围内的厘米级探测误差，已经无法满足部分高端技术产业对于高精密探测需求的实现，而且其容易遭受光学噪声干扰的难题，也一直是制约着激光雷达进一步发展和应用的瓶颈，甚至某些高精密探测任务只能在无光照干扰的环境中进行。
目前主要通过三种方法以减弱噪声的影响。一是增强激光信号发射器的功率，但大功率激光器的造价高昂且使用时存在严重的安全隐患；二是增大信号接收望远镜的口径，而大口径望远镜不便于机载车载等移动过程使用且容易损坏；三是采用光谱滤波器件，滤除所发射激光光谱范围外的噪声，但与发射激光光谱重叠的噪声无法被滤除，这样当多台光谱近似的激光雷达同时运行，彼此之间会产生串扰噪声，导致系统失灵。
为了解决上述问题，本发明设计了一种新型单光子雷达系统。单光子即指一个光子，是组成光的基本单元，由电子能级跃迁产生，在可见光及近红外波段，单光子的能量仅为10-19 J数量级。近年来，得益于盖革模式高增益雪崩光电二极管探测器（下文简称为单光子探测器）的研发，使得单光子传感成为现实，且探测误差近似达到散粒噪声的最小极限，引起了国内外先进研究团队的广泛关注，并考虑将其应用到激光雷达系统，势必在微弱信号探测、精密制造检验、航空反隐侦察等领域展现出巨大潜力。单光子雷达的基本工作原理与传统激光雷达很相似，一般的单光子雷达系统结构如图1所示，由激光源1向待测物体3主动发射激光脉冲信号，同时触发计时器5开始计时，当激光脉冲信号遇到待测物体3后，部分光子发生背散射沿原光路返回，这些光子被收发模块2捕获传输至单光子探测器4进行光子计数统计，并由计时器5记录对应的时刻 t，最终由上位机6得到光子数-时间的分布直方图，根据最大似然估计计算出光子在空间中往返飞行时间，那么物体的距离为 d= ct/2， c为光速， t为光子往返飞行时间。
目前，单光子雷达系统的研发还处于起步阶段，系统内部的光路搭建一般仍沿用激光雷达的方式，结构比较简单，然而能够实现的功能也相对有限，仅支持信号的收发、探测及光谱滤波，针对单光子物理特性的系统定制光学设计非常稀少，这意味着系统的高阶性能有待拓展。一个典型的局限是，利用滤光片进行光谱滤波的方法，对于环境噪声的抑制作用不够充分，主要有两点原因：其一，太阳光谱的辐射范围集中在紫外到红外，与一般激光源的光谱存在重叠区间；其二，当多台激光谱值相近的单光子雷达同时工作，相互之间也会形成强烈串扰。这两种情况系统最终探测到的光子，往往包含了大量无法被滤除的噪声，导致实际探测的精准度受到较大影响。
发明内容
鉴于现有的单光子雷达系统存在上述无法滤除光谱重叠噪声的局限性，本发明旨在提供一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统，核心机理是在系统内部设置一种特殊的非线性光学滤波子模块，可以利用三波混频产生和频光的物理效应，从混杂着光谱重叠噪声的回波信号中提取出有效的探测脉冲信号，在硬件层面弥补了现有光谱滤波技术的缺陷，显著增强系统的滤波性能，使其能够适应更加恶劣的工作环境，且避免了多台激光光谱重叠的雷达同时工作可能带来的串扰影响。
本发明的技术方案如下：
一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统，包括：激光源7、波分复用器Ⅰ8、收发模块9、MEMS振镜10、光学延迟器12、波分复用器Ⅱ13、脉冲序列提取模块14、单光子探测器15、控制中枢16、上位机17；
所述激光源7发射出近红外脉冲激光，所述激光经过波分复用器Ⅰ8，被分束为探测光和泵浦光；
探测光信号经过所述收发模块9，被准直成平行光投射到所述MEMS振镜10的镜面上，然后通过调控镜面旋转，使其以一定的角度反射探测光，对待测物体11进行全覆盖式扫描；探测光照射到待测物体11后，少部分探测光发生背散射并沿原路径折返，再次通过所述MEMS振镜10的镜面反射，与空间中的噪声混杂在一起，作为回波信号被收发模块9采集,并输入到波分复用器Ⅱ13；
设待测物体11表面上某一点与收发模块9的距离为 d，则探测光在空间往返该点与收发模块9的时间为 t 1=2 d/ c， c为光速，即探测光信号在空间中延迟了 t 1的时间；
泵浦光信号直连所述光学延迟器12，设泵浦光在所述光学延迟器12中历经了 t 2的信号延迟时间，也输入到波分复用器Ⅱ13，并通过调控所述光学延迟器12使得 t 1= t 2，探测光脉冲和泵浦光脉冲将会重合；
波分复用器Ⅱ13将输入的两列脉冲信号光合束，传输至所述脉冲序列提取模块14，所述脉冲序列提取模块14促使探测光和泵浦光进行非线性光学效应生成和频光，并且过滤掉除了和频光以外的其余噪声光，这样最终输出的是由探测光转换而成的和频光，从脉冲序列提取模块14输出的和频光，再通过所述单光子探测器15转换为电脉冲信号，并由所述控制中枢16进行光子计数；
所述控制中枢16同时与MEMS振镜10、光学延迟器12和单光子探测器15进行通信，所述上位机17能够向控制中枢16传达操作指令，或者接收从控制中枢16的上传数据并完成数据处理工作。
优选地，所述激光源7发射出中心波长为 λ、频率 ω为的近红外脉冲激光，激光经过波分复用器Ⅰ8，被分束为波长为 λ 1、频率为 ω 1的探测光和波长为 λ 2、频率为 ω 2的泵浦光，且满足1300nm < λ 1< λ< λ 2 < 1700nm；所述脉冲序列提取模块14促使探测光和泵浦光进行非线性光学效应生成频率为 ω 3= ω 1+ ω 2的和频光，所述和频光对应波长为 λ 3。
优选地，所述控制中枢16为FPGA电路板。
优选地，所述脉冲序列提取模块14包括：耦合透镜Ⅰ18、长通滤波片19、零级半波片20、偏振分束立方21、功率计22、平凸透镜Ⅰ23、非线性介质24、平凸透镜Ⅱ25、短通滤波片26、带通滤波片27和耦合透镜Ⅱ28。
优选地，所述脉冲序列提取模块14促使探测光和泵浦光进行非线性光学效应生成和频光，具体如下：
S1：输入所述脉冲序列提取模块14的光，分为波长 λ 1的探测光、波长 λ 2的泵浦光和全波段的回波噪声，首先通过耦合透镜Ⅰ18准直成为空间平行光，接着入射到长通滤波片19，过滤掉波长小于1000nm的回波噪声；
S2：设置零级半波片20作为起偏器，旋转零级半波片20调节光的偏振方向，使垂直偏光的功率最大，又设置偏振分束立方21作为检偏器，把水平偏振光和垂直偏振光进行分离，再将水平偏振光连接功率计22以动态反馈监测水平偏振光的功率，以此为依据调节零级半波片20使得垂直偏振光的功率最大；
S3：最大功率的垂直偏振光接着向前传播，利用焦距相同的平凸透镜Ⅰ23和平凸透镜Ⅱ25让平行光束聚焦到位于两个透镜焦点处的非线性介质24，再恢复成平行光束传播，而探测光和泵浦光在通过非线性介质24时会发生非线性光学效应，生成和频光；
S4：平凸透镜Ⅱ25后设置短通滤波片26滤除掉波长大于1000nm的回波噪声以及未参与反应的探测光和泵浦光，再设置窄带通滤波片27只允许和频光通过，最后通过耦合透镜28将空间光耦合进光纤传输至下一个模块。
一种3D成像方法，使用了所述的一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统，包括以下步骤：
S1：将激光源7发射的激光分束为探测光和泵浦光；
S2.1：探测光通过MEMS振镜10的反射对待测物体11进行二维平面扫描，并收集沿原路返回的回波信号；
S2.2：泵浦光通过光学延迟器12调控信号的延迟时间；
S3：将回波信号与泵浦光合束，脉冲序列提取模块14利用非线性和频效应产生和频光子，从回波噪声中提取出探测脉冲序列；
S4：使用单光子探测器15对和频光子进行计数统计，同时记录对应MEMS振镜10的扫描位置和光学延迟器12的延迟时间，得到3D点云数据；
S5：对3D点云数据进行处理，重构待测物体的三维图像；将3D点云数据进行平滑处理即可得到清晰的待测物体表面3D图像。
优选地，MEMS振镜10旋转镜面以不同角度反射探测光，对待测物体11进行光栅扫描，并记录当前扫描点的二维平面位置坐标，然后再确定当前扫描点的深度坐标。
优选地，对于某个当前扫描点，光学延迟器12连续地递增改变泵浦光信号的延迟时间 t 2，同时单光子探测器15统计在当前延迟时刻的光子计数，得到光子计数-延迟时间的统计分布图，其峰值处对应的延迟时间 t 2= t 1，计算当前扫描点的深度坐标为 d= ct 1/2；当计算完成所有扫描点的坐标，就得到了待测物体表面的点云数据，经过平滑处理绘制成3D图像。
本发明提供的一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统及3D成像方法，其优势在于以下几点：
相比于传统激光雷达只能通过增强激光发射功率或加大望远镜口径以提升信噪比的方式，受到使用安全性和灵活性的限制，而且传统激光雷达采用的光谱滤波技术无法滤除光谱重叠的噪声，本发明所提供的基于脉冲序列提取的单光子雷达系统，利用了单光子探测器可以探测微弱的光信号的特性，在同等的工作环境中，极大地降低了对于激光发射功率的要求，而且因为应用了基于非线性光学效应的滤波方法，可以滤除掉光谱重叠的噪声并提取出有效的探测信号，使得系统的抗噪性能得到显著提升，能够在恶劣工作环境中保证高精度测量成像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是一般的单光子雷达系统。
图2是基于脉冲序列提取的单光子雷达系统。
图3是脉冲序列提取模块的内部封装结构。
图中，1-激光源，2-收发模块，3-待测物体，4-单光子探测器，5-计时器，6-上位机，7-激光源，8-波分复用器Ⅰ，9-收发模块，10-MEMS振镜，11-待测物体，12-光学延迟器，13-波分复用器Ⅱ，14-脉冲序列提取模块，15-单光子探测器，16-控制中枢，17-上位机，18-耦合透镜Ⅰ，19-长通滤波片，20-零级半波片，21-偏振分束立方，22-功率计，23-平凸透镜Ⅰ，24-非线性介质，25-平凸透镜Ⅱ，26-短通滤波片，27-带通滤波片，28-耦合透镜Ⅱ。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提供了一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统，如图2所示，所述雷达系统主要包括：激光源7、波分复用器Ⅰ8、收发模块9、MEMS振镜10、光学延迟器12、波分复用器Ⅱ13、脉冲序列提取模块14、单光子探测器15、控制中枢16、上位机17。
所述雷达系统运行的基本光学原理是：由激光源7发射近红外波段的脉冲激光，被分束为探测光和泵浦光，探测光的作用与传统激光雷达相似，实现对于待侧物体11的扫描以收集反馈信息，而泵浦光则配合探测光利用非线性光学效应，辅助进行精准测距并滤除探测光回波信号中的噪声。下文将具体地阐述所述雷达系统的实现过程和技术手段。
所述激光源7发射出中心波长为 λ（对应频率为 ω）的近红外脉冲激光，激光经过波分复用器Ⅰ8，可以被分束为波长为 λ 1（对应频率为 ω 1）的探测光和波长为 λ 2（对应频率为 ω 2）的泵浦光，且满足1300nm < λ 1< λ< λ 2 < 1700nm。
探测光信号经过所述收发模块9，被准直成平行光投射到所述MEMS振镜10的镜面上，然后通过调控镜面旋转，使其以一定的角度反射探测光，可以对待测物体11进行全覆盖式扫描。探测光照射到待测物体11后，少部分探测光发生背散射并沿原路径折返，再次通过所述MEMS振镜10的镜面反射，与空间中的噪声混杂在一起，作为回波信号被收发模块9采集,并输入到波分复用器Ⅱ13。设待测物体11表面上某一点与收发模块9的距离为 d，则探测光在空间往返该点与收发模块9的时间为 t 1=2 d/ c（ c为光速），即探测光信号在空间中延迟了 t 1的时间。
泵浦光信号直连所述光学延迟器12，设泵浦光在所述光学延迟器12中历经了 t 2的信号延迟时间，也输入到波分复用器Ⅱ13，并通过调控所述光学延迟器12使得 t 1= t 2，这样探测光脉冲和泵浦光脉冲将会重合，才能完成后续的非线性光学效应滤波。
波分复用器Ⅱ13将输入的两列脉冲信号光合束，传输至所述脉冲序列提取模块14，所述脉冲序列提取模块14促使探测光和泵浦光进行非线性光学效应生成频率为 ω 3= ω 1+ ω 2的和频光（对应波长为 λ 3），并且过滤掉除了和频光以外的其余噪声光，这样最终输出的是由探测光转换而成的和频光，从脉冲序列提取模块14输出的和频光，将通过所述单光子探测器15转换为电脉冲信号，并由所述控制中枢16进行光子计数，即统计在极小时间段Δ t内探测到的光子数量，那么对和频光子进行统计分析，就相当于过滤掉回波信号中的噪声后直接对探测光子进行统计分析。
进一步地，所述脉冲序列提取模块14的内部封装结构如图3所示，包括：耦合透镜Ⅰ18、长通滤波片19、零级半波片20、偏振分束立方21、功率计22、平凸透镜Ⅰ23、非线性介质24、平凸透镜Ⅱ25、短通滤波片26、带通滤波片27和耦合透镜Ⅱ28。下文具体阐述其实现流程以及各个组件的功能作用。
S1：输入所述脉冲序列提取模块14的光，可以分为波长 λ 1的探测光、波长 λ 2的泵浦光和全波段的回波噪声（ λ 1、 λ 2>1300nm），首先通过耦合透镜Ⅰ18准直成为空间平行光，接着入射到长通滤波片19，可以过滤掉波长小于1000nm的回波噪声，此时理论上已不存在波长小于1000nm的光（实际上长通滤波片19不可能百分百过滤，微弱影响可以忽略）。
S2：波长大于1000nm的光继续向前传播，这些光是无偏的，然而后续的非线性光学效应对偏振比较敏感，垂直偏振光能够增强非线性光学效应的反应效率，因此设置零级半波片20作为起偏器，可以旋转零级半波片20调节光的偏振方向，使垂直偏光的功率最大，又设置偏振分束立方21作为检偏器，可以把水平偏振光和垂直偏振光进行分离，再将水平偏振光连接功率计22，用于动态反馈监测水平偏振光的功率，以此为依据调节零级半波片，当功率计的示数最小时，垂直偏振光的功率最大。
S3：最大功率的垂直偏振光接着向前传播，利用焦距相同的平凸透镜Ⅰ23和平凸透镜Ⅱ25可以让平行光束聚焦到位于两个透镜焦点处的非线性介质24，再恢复成平行光束传播，而探测光和泵浦光在通过介质时会发生非线性光学效应，生成频率为 ω 3= ω 1+ ω 2的和频光（对应波长为 λ 3且 λ 2<1300nm）。
需要注意的是，并不是任意频率为 ω 1和 ω 2的光都能高效反应生成和频光，因为高效稳定地发生和频反应需要满足一定的条件。一是两列光脉冲信号要在时域上高度重合才能稳定地发生和频反应，如果选择超短光脉冲激光源，这样能够与超短脉冲泵浦光在时域上高度重合的自然噪声几乎是不存在的，回波噪声中频率为的光很难稳定地与泵浦光持续地反应产生和频光；二是单模激光只与模式相同的光才能高效地发生和频反应，如果选择单模激光源，同样能够与单模泵浦光模式相同的自然噪声也几乎是不存在的，回波噪声中频率为 ω 1的光很难高效地与泵浦光反应产生和频光。综上所述，当两列光脉冲信号是同一激光源发射出的，才能保证高效稳定地通过非线性光学反应生成和频光，而其余无法发生反应的光将在接下来的过程中被滤除掉，这是传统光谱滤波技术无法实现的。
S4：当光经过非线性介质24后，生成了新的波长小于1000nm的光，其中不仅有上述波长为 λ 3的和频光，还伴随着一些副反应生成的噪声，但这些噪声的波长基本不为 λ 3，因此先设置短通滤波片26滤除掉波长大于1000nm的回波噪声以及未参与反应的探测光和泵浦光，再设置窄带通滤波片27只允许波长为 λ 3的和频光通过，这样就完成了全部的滤波过程，最后又通过耦合透镜28将空间光耦合进光纤传输至下一个模块。
进一步地，生成和频光的物理过程可用三波混频的耦合波方程组表述为
其中， E( ω j , z)和 k j =2 π/ λ j 分别表示频率为 ω j 的光场标量复振幅及其波矢 k j 在 z方向的分量， j=1,2,3， z表示光在非线性介质中传播的距离，表示二阶有效非线性极化率， i表示虚数单位。小信号近似理论认为在光的和频过程中频率为 ω 1、 ω 2的光强度改变很小，可以近似把 E( ω 1, z)、 E( ω 2, z)视作常数，在满足相位匹配条件的情况下，即Δ k=0时，这个方程组的解为
这就是和频光电场的变化规律。
而相位匹配条件Δ k=0可以根据辐射的量子观点得到。和频反应过程就是同时湮灭一个频率 ω 1的光子和一个频率 ω 2的光子，并生成一个频率 ω 3的光子，这种过程必须遵循能量守恒条件
和动量守恒条件
当波矢 k 1、 k 2、 k 3在 z方向共线时，即相位匹配条件为
Δ k=  k 1+  k 2- k 3=0
从脉冲序列提取模块14输出的和频光，将通过所述单光子探测器15转换为电脉冲信号，并由所述控制中枢16进行光子计数，即统计在极小时间段Δ t内探测到的光子数量。虽然和频光子与探测光子在光学范畴代表不同的物理对象，但是由于和频光子都是由探测光子通过非线性光学效应转换而来，二者的数量概率密度分布是相同的，这样相当于间接统计探测光子的数量概率密度，至此系统的光路实现机理阐述完毕。
下面阐述系统的电路控制和3D成像逻辑。所述上位机17一般为计算机，是人机交互的界面，可以向控制中枢16传达操作指令，或者接收从控制中枢16的上传数据并完成数据处理工作。
所述控制中枢16负责同时与MEMS振镜10、光学延迟器12和单光子探测器15进行通信，一般选择FPGA电路板，因为它不但体积小、质量轻，易于集成封装在系统内部，并通过外部串口与上位机连接实现双向通信，且可以并行地执行指令，极大缩短了处理任务的时延。
数据采集时，MEMS振镜10旋转镜面以不同角度反射探测光，对待测物体11进行光栅扫描，并记录当前扫描点的二维平面位置坐标，然后还需要确定当前扫描点的深度坐标。对于某个当前扫描点，光学延迟器12准连续地递增改变泵浦光信号的延迟时间 t 2，同时单光子探测器15统计在当前延迟时刻的光子计数，可以得到光子计数-延迟时间的统计分布图，如图1中右下角所示，其峰值处对应的延迟时间 t 2= t 1，这样就可以计算当前扫描点的深度坐标为 d= ct 1/2。当计算完成所有扫描点的坐标，就得到了待测物体表面的点云数据，经过平滑处理可以绘制成3D图像。
另外，本发明还提供一种面向此单光子雷达系统的3D成像方法，包括以下步骤：
S1：将激光源7发射的激光分束为探测光和泵浦光；
S2.1：探测光通过MEMS振镜10的反射对待测物体11进行二维平面扫描，并收集沿原路返回的回波信号；
S2.2：泵浦光通过光学延迟器12调控信号的延迟时间；
S3：将回波信号与泵浦光合束，利用非线性和频效应产生和频光子，可以从回波噪声中提取出探测脉冲序列；
S4：使用单光子探测器15对和频光子进行计数统计，同时记录对应MEMS振镜10的扫描位置和光学延迟器12的延迟时间，得到3D点云数据；
S5：对3D点云数据进行处理，重构待测物体的三维图像。
下面将构建一个基于脉冲序列提取的单光子雷达系统实例，借此具体阐述系统的组成架构、工作原理和使用方法。如图2所示，
本发明提供了一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统，如图2所示，所述雷达系统主要包括：激光源7、波分复用器Ⅰ8、收发模块9、MEMS振镜10、光学延迟器12、波分复用器Ⅱ13、脉冲序列提取模块14、单光子探测器15、控制中枢16、上位机17。
一般的，激光源的中心波长范围为1300nm-1700nm，光谱宽度范围为10nm-20nm，仅为叙述便利，此处固定选取1560nm中心波长和15nm光谱宽度的激光源。
脉冲激光信号首先经过波分复用器Ⅰ8后，被分束成中心波长为1554.1nm（对应频率 ω 1为192.9THz）探测光和中心波长为1565.5nm（对应频率 ω 2为191.5THz）的泵浦光。最优的，泵浦光的中心波长应该大于探测光，因为根据非线性光学相关原理，这种设定条件会使后续的非线性光学效应产生较少的系统噪声。一般的，探测光和泵浦光的中心波长相差应该大于10nm。
探测光信号经过收发模块9后，被准直成平行光投射到MEMS振镜10的镜面上，然后通过调控镜面旋转，使其以一定的角度反射探测光，可以对待测物体11进行二维平面覆盖式扫描。探测光照射到待测物体11，会有少部分探测光发生背散射并沿原路径折返，再次通过MEMS振镜10的镜面的反射，与空间中的噪声混杂在一起，作为回波信号被收发模块9采集,并输入到波分复用器Ⅱ13。不妨设待测物体表面11上某一点与收发模块9的距离为 d，则探测光在空间往返该点与收发模块的时间为 t 1=2 d/ c（ c为光速），若测量出 t 1则可以计算得到距离 d= ct 1/2。
泵浦光信号直连所述光学延迟器12，不妨设泵浦光在光学延迟器12中历经了 t 2的信号延迟时间，也输入到波分复用器Ⅱ13，并可以通过调控光学延迟器12使得 t 2= t 1，这样探测光脉冲和泵浦光脉冲将会重合，才能完成后续的非线性光学效应滤波。
波分复用器Ⅱ13将输入的两列脉冲信号光合束，传输至所述脉冲序列提取模块14，所述脉冲序列提取模块14可以促使探测光和泵浦光进行非线性光学效应生成频率为 ω 3= ω 1+ ω 2=384.4Hz的和频光，对应的波长为 λ 3= c/ ω 3=780.4nm，并过滤掉除了和频光以外的其余噪声光，这样最终输出的仅是由探测光转换而成的和频光，从脉冲序列提取模块14输出的和频光，将通过所述单光子探测器15转换为电脉冲信号，并由所述控制中枢16进行光子计数，即统计在极小时间段Δ t内探测到的光子数量，那么对和频光子进行统计分析，就相当于过滤掉回波信号中的噪声后直接对探测光子进行统计分析。
进一步地，所述脉冲序列提取模块14的内部封装结构如图3所示，包括：耦合透镜Ⅰ18、长通滤波片19、零级半波片20、偏振分束立方21、功率计22、平凸透镜Ⅰ23、非线性介质24、平凸透镜Ⅱ25、短通滤波片26、带通滤波片27和耦合透镜Ⅱ28。输入所述脉冲序列提取模块14的光如图3箭头所指方向依次经过下列处理步骤：
S1：输入所述脉冲序列提取模块14的光可以分为波长1554.1nm的探测光、波长1565.5nm的泵浦光和全波段的回波噪声，先通过耦合透镜Ⅰ18将其准直成为空间平行光，接着穿过长通滤波片19，过滤掉波长小于1000nm的回波噪声。一般的，长通滤波片的截止波长区间包含200nm-1000nm即可，这样继续传播的光波长大于1000nm，就不会与后续生成的波长为780.4nm的和频光混淆。
S2：波长大于1000nm的光继续向前传播，这些光是无偏的，然而后续的非线性光学效应对偏振比较敏感，垂直偏振光能够增强非线性光学效应的反应效率，因此设置零级半波片20作为起偏器，可以旋转零级半波片20调节光的偏振方向，使垂直偏光的功率最大，又设置偏振分束立方21作为检偏器，可以把水平偏振光和垂直偏振光进行分离，再将水平偏振光连接功率计22，用于动态反馈监测水平偏振光的功率，并以此为依据反馈调节零级半波片。根据能量守恒定律，当垂直偏振光和水平偏振光的总能量恒定时，减弱水平偏振光的强度会导致垂直偏振光的强度增加，可以旋转零级半波片调整光的偏振态，同时观测功率计的示数，当示数降到最低时代表水平偏振光的强度最小，此时垂直偏振光的强度最大，有利于提升后续非线性光学效应生成和频光的强度；
也可以选择一个沃拉斯顿棱镜直接代替零级半波片20和偏振分束立方21，该棱镜起到完全相同的作用，但是其造价高于零级半波片和偏振分束立方之和。
S3：最大功率的垂直偏振光接着向前传播，利用焦距相同的平凸透镜Ⅰ23和平凸透镜Ⅱ25可以让平行光束聚焦到位于两个透镜焦点处的非线性介质24，再恢复成平行光束传播，而探测光和泵浦光在通过介质时会发生非线性光学效应，生成频率为 ω 3= ω 1+ ω 2=384.4Hz的和频光。
需要注意的是，并不是任意频率为 ω 1和 ω 2的光都能高效反应生成和频光，因为高效稳定地发生和频反应需要满足一定的条件。一是两列光脉冲信号要在时域上高度重合才能稳定地发生和频反应，如果选择超短光脉冲激光源，这样能够与超短脉冲泵浦光在时域上高度重合的自然噪声几乎是不存在的，回波噪声中频率为 ω 1的光很难稳定地与泵浦光持续地反应产生和频光；二是单模激光只与模式相同的光才能高效地发生和频反应，如果选择单模激光源，同样能够与单模泵浦光模式相同的自然噪声也几乎是不存在的，回波噪声中频率为 ω 1的光很难高效地与泵浦光反应产生和频光。综上所述，当两列光脉冲信号是同一激光源发射出的，才能保证高效稳定地通过非线性光学反应生成和频光，而其余无法发生反应的光将在接下来的过程中被滤除掉，这是传统光谱滤波技术无法实现的。
S4：当光经过非线性介质24后，生成了新的波长小于1000nm的光，其中不仅有上述波长为780.4nm的和频光，还夹杂着一些副反应生成的噪声，但这些噪声的波长基本不为780.4nm，因此先设置短通滤波片26滤除掉波长大于1000nm的回波噪声以及未参与反应的探测光和泵浦光，再设置窄带通滤波片27只允许波长为 λ 3的和频光通过，这样就完成了全部的滤波过程，最后又通过耦合透镜28将空间光耦合进光纤传输至下一个模块。
从脉冲序列提取模块14输出的和频光，将通过所述单光子探测器15转换为电脉冲信号，并由所述控制中枢16进行光子计数，即统计在极小时间段Δ t内探测到的光子数量。虽然和频光子与探测光子在光学范畴代表不同的物理对象，但是由于和频光子都是由探测光子通过非线性光学效应转换而来，二者的数量概率密度分布是相同的，这样相当于间接统计探测光子的数量概率密度，至此系统的光路实现机理阐述完毕。
操作人员可以通过上位机17向控制中枢16输入操作指令。一般的，上位机为计算机，也可以接收从控制中枢16的上传数据并完成数据处理工作。
控制中枢负责同时与MEMS振镜、光学延迟器和单光子探测器进行通信，最优的选择FPGA电路板，因为它不但体积小、质量轻，易于集成封装在系统内部，并通过外部串口与上位机连接实现双向通信，且可以并行地执行指令，极大缩短了处理任务的时延。
所述控制中枢16负责同时与MEMS振镜10、光学延迟器12和单光子探测器15进行通信，一般选择FPGA电路板，因为它不但体积小、质量轻，易于集成封装在系统内部，并通过外部串口与上位机连接实现双向通信，且可以并行地执行指令，极大缩短了处理任务的时延。
数据采集时，MEMS振镜10旋转镜面以不同角度反射探测光，对待测物体11进行光栅扫描，并记录当前扫描点的二维平面位置坐标，然后还需要确定当前扫描点的深度坐标。对于某个当前扫描点，光学延迟器12准连续地递增改变泵浦光信号的延迟时间 t 2，同时单光子探测器15统计在当前延迟时刻的光子计数，可以得到光子计数-延迟时间的统计分布图，如图1中右下角所示，其峰值处对应的延迟时间 t 2= t 1，这样就可以计算当前扫描点的深度坐标为 d= ct 1/2。当计算完成所有扫描点的坐标，就得到了待测物体表面的点云数据，经过平滑处理可以绘制成3D图像。
此单光子雷达系统的3D成像方法包括以下步骤：
S1：将激光源7发射的激光分束为探测光和泵浦光；
S2.1：探测光通过MEMS振镜10的发射对待测物体11进行二维平面扫描，并收集沿原路返回的回波信号；
S2.2：泵浦光通过光学延迟器12调控信号的延迟时间；
S3：将回波信号与泵浦光合束，利用非线性和频效应产生和频光子，可以从回波噪声中提取出探测脉冲序列；
S4：使用单光子探测器15对和频光子进行计数统计，同时记录对应MEMS振镜10的扫描位置和光学延迟器12的延迟时间，得到3D点云数据；
S5：对3D点云数据进行处理，重构待测物体的三维图像。一般的，由于此系统的测量精度高、抗噪能力强，将点云数据简单地进行平滑处理即可得到清晰的待测物体表面3D图像。
以上所述仅为本发明的实施按例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统，其特征在于，包括：激光源（7）、波分复用器Ⅰ（8）、收发模块（9）、MEMS振镜（10）、光学延迟器（12）、波分复用器Ⅱ（13）、脉冲序列提取模块（14）、单光子探测器（15）、控制中枢（16）、上位机（17）；
所述激光源（7）发射出近红外脉冲激光，近红外脉冲激光经过波分复用器Ⅰ（8），被分束为探测光和泵浦光；
探测光信号经过所述收发模块（9），被准直成平行光投射到所述MEMS振镜（10）的镜面上，然后通过调控镜面旋转，使其以一定的角度反射探测光，对待测物体（11）进行全覆盖式扫描；探测光照射到待测物体（11）后，少部分探测光发生背散射并沿原路径折返，再次通过所述MEMS振镜（10）的镜面反射，与空间中的噪声混杂在一起，作为回波信号被收发模块（9）采集，并输入到波分复用器Ⅱ（13）；
设待测物体（11）表面上某一点与收发模块（9）的距离为d，则探测光在空间往返该点与收发模块（9）的时间为t 1=2d/c，c为光速，即探测光信号在空间中延迟了t 1的时间；
泵浦光信号直连所述光学延迟器（12），设泵浦光在所述光学延迟器（12）中历经了t 2的信号延迟时间，也输入到波分复用器Ⅱ（13），并通过调控所述光学延迟器（12）使得t 2= t 1，探测光脉冲和泵浦光脉冲将会重合；
波分复用器Ⅱ（13）将输入的两列脉冲信号光合束，传输至所述脉冲序列提取模块（14），所述脉冲序列提取模块（14）促使探测光和泵浦光进行非线性光学效应生成和频光，并且过滤掉除了和频光以外的其余噪声光，这样最终输出的是由探测光转换而成的和频光，从脉冲序列提取模块（14）输出的和频光，再通过所述单光子探测器（15）转换为电脉冲信号，并由所述控制中枢（16）进行光子计数；
所述控制中枢（16）同时与MEMS振镜（10）、光学延迟器（12）和单光子探测器（15）进行通信，所述上位机（17）能够向控制中枢（16）传达操作指令，或者接收控制中枢（16）的上传数据并完成数据处理工作；
所述脉冲序列提取模块（14）包括：耦合透镜Ⅰ（18）、长通滤波片（19）、零级半波片（20）、偏振分束立方（21）、功率计（22）、平凸透镜Ⅰ（23）、非线性介质（24）、平凸透镜Ⅱ（25）、短通滤波片（26）、带通滤波片（27）和耦合透镜Ⅱ（28）。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统，其特征在于，所述激光源（7）发射出中心波长为λ、频率为ω的近红外脉冲激光，激光经过波分复用器Ⅰ（8），被分束为波长为λ 1、频率为ω 1的探测光和波长为λ 2、频率为ω 2的泵浦光，且满足1300nm<λ 1<λ<λ 2<1700nm；所述脉冲序列提取模块（14）促使探测光和泵浦光进行非线性光学效应生成频率为ω 3=ω 1+ω 2的和频光，所述和频光对应波长为λ 3。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统，其特征在于，所述控制中枢（16）为FPGA电路板。
4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统，其特征在于，所述脉冲序列提取模块（14）促使探测光和泵浦光进行非线性光学效应生成和频光，具体如下：
S1：输入所述脉冲序列提取模块（14）的光，分为波长λ 1的探测光、波长λ 2的泵浦光和全波段的回波噪声，首先通过耦合透镜Ⅰ（18）准直成为空间平行光，接着入射到长通滤波片（19），过滤掉波长小于1000nm的回波噪声；
S2：设置零级半波片（20）作为起偏器，旋转零级半波片（20）调节光的偏振方向，使垂直偏光的功率最大，又设置偏振分束立方（21）作为检偏器，把水平偏振光和垂直偏振光进行分离，再将水平偏振光连接功率计（22）以动态反馈监测水平偏振光的功率，以此为依据调节零级半波片（20）使得垂直偏振光的功率最大；
S3：最大功率的垂直偏振光接着向前传播，利用焦距相同的平凸透镜Ⅰ（23）和平凸透镜Ⅱ（25）让平行光束聚焦到位于两个透镜焦点处的非线性介质（24），再恢复成平行光束传播，而探测光和泵浦光在通过非线性介质（24）时会发生非线性光学效应，生成和频光；
S4：平凸透镜Ⅱ（25）后设置短通滤波片（26）滤除掉波长大于1000nm的回波噪声以及未参与反应的探测光和泵浦光，再设置窄带通滤波片（27）只允许和频光通过，最后通过耦合透镜II（28）将空间光耦合进光纤传输至下一个模块。
5.一种3D成像方法，使用了根据权利要求1-4任一项所述的一种基于脉冲序列提取的单光子雷达系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将激光源（7）发射的激光分束为探测光和泵浦光；
S2.1：探测光通过MEMS振镜（10）的反射对待测物体（11）进行二维平面扫描，并收集沿原路返回的回波信号；
S2.2：泵浦光通过光学延迟器（12）调控信号的延迟时间；
S3：将回波信号与泵浦光合束，脉冲序列提取模块（14）利用非线性和频效应产生和频光子，从回波噪声中提取出探测脉冲序列；
S4：使用单光子探测器（15）对和频光子进行计数统计，同时记录对应MEMS振镜（10）的扫描位置和光学延迟器（12）的延迟时间，得到3D点云数据；
S5：对3D点云数据进行处理，重构待测物体（11）的三维图像；将3D点云数据进行平滑处理即可得到清晰的待测物体表面3D图像。
6.根据权利要求5所述的一种3D成像方法，其特征在于，MEMS振镜（10）旋转镜面以不同角度反射探测光，对待测物体（11）进行光栅扫描，并记录当前扫描点的二维平面位置坐标，然后再确定当前扫描点的深度坐标。
7.根据权利要求6所述的一种3D成像方法，其特征在于，对于某个当前扫描点，光学延迟器（12）连续地递增改变泵浦光信号的延迟时间t 2，同时单光子探测器（15）统计在当前延迟时刻的光子计数，得到光子计数-延迟时间的统计分布图，其峰值处对应的延迟时间t 2=t 1，计算当前扫描点的深度坐标为d=ct 1/2；当计算完成所有扫描点的坐标，就得到了待测物体表面的3D点云数据，经过平滑处理绘制成3D图像。
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