CN116559907B - 基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统，包括光学部分和数据分析部分；光学部分包括混沌激光源、光学发射单元、光学接收单元和探测单元，混沌激光源输出的光通过光学发射单元发射到水下待测目标表面，水下待测目标反射回来的探测信号通过光学接收单元收集，数据分析部分包括数据采集单元和数据处理单元；数据处理单元对采集到的参考信号和探测信号进行二阶量子关联运算，从而恢复出水下待测目标的三维图像信息。本发明采用上述基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统，通过量子二阶关联函数提取宽带回波信号与参考光的关联信息，实现水下三维图像重构。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，特别是涉及基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统。
背景技术
水下三维成像技术在水下障碍物定位搜索、海底地质勘探、海洋资源探测、海底文物搜索打捞以及水体质量分析等不同应用场景中有着广泛的应用。由于电磁波在水中的衰减非常大，无法作为探测的载波信号在水下传输，因此传统的电磁波雷达无法用于水下目标的探测。声波在水中的衰减非常小，其传输距离可以达到上千公里，被广泛的应用于水下目标探测与定位任务。
声呐系统的载波为声波，其技术指标是受限于声波的物理特性的。声呐探测获得的水下目标图像分辨率不高；其次，声波的传输速度较慢，因此声呐探测目标需要的时间较长，声呐同时还易受到水下生物发出的声波干扰。另外，由于声呐的工作特点，声呐无法工作在浅水域，极大限制了其在近海海域的应用。与声波相比，虽然光波在水中的衰减更大，传输距离更近，但是由于其指向性好、发散度小、传播速度快，光波探测在成像效率、分辨率和抗干扰能力相比声波探测都有极大的提升，是近海海域水下探测的有力手段。
水下光传输会受到水分子、水中溶解物和悬浮颗粒等的强烈吸收和散射，造成光能量大幅度的衰减，因此光在水下传播时衰减十分严重，从而导致水下成像系统的回波光是极其微弱的。吸收造成光强度的减弱，可以通过提高激光的功率来解决这一问题；而造成的散射不但减弱了原传输方向上的光强，还偏离了原来的传播方向，尤其是后向散射的存在，导致回波信号中会混杂着较多的噪声信号，这会对水下成像造成干扰。并且在提高激光功率的同时，回波信号中噪声信号也会随之增多，由于其后向散射分布在低频段，可以利用辐射宽带信号来提高测量精度。
当超宽带信号被用为水下的探测信号时，具有测量精度高、杂波抑制能力强等优势。但是，常规的宽带信号不能辨别出接收信号是来于自身的信号，还是来自于相邻信号的干扰，不具备抗干扰能力。因此为了提高水下成像系统的抗干扰能力，将随机信号作为水下探测信号。随机信号的自相关函数是理想的图钉型，具有较低的截获概率和高的抗干扰能力。水下成像系统的接收端采用相关处理，再加上随机信号有的波形特性，决定了其具有很高的抗干扰能力。
在水下三维成像系统中，光源带宽是决定测距精度的重要参量，随着光源带宽的增加，对测量设备，特别是AD采样率的要求就会增加。传统水下成像系统采样基于奈奎斯特采样定理导致数据量过大，数据存储和处理困难较大。因此如何在少量的、稀疏的、混有大量噪声计数的成像环境下重建出高质量的水下目标三维图像是研究的重点和难点。
随着近些年单光子探测技术的发展和量子成像领域的应运而生，单光子探测技术能对低至单个光子量级的回波信号光进行响应。将单光子探测技术用于水下目标探测将极大提升水下成像系统对弱信号的探测能力，提高系统的工作距离。同时，单光子探测具有皮秒级的时间分辨能力，有效提高了水下成像系统的距离分辨精度，近些年单光子成像技术已成为了国际上众多科研单位及企业的研究热点。如何从稀疏光子探测中提取宽带光源关联信息，重建三维图像成为单光子水下成像的关键。
发明内容
本发明的目的是提供基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统，通过量子二阶关联函数提取宽带回波信号与参考光的关联信息，实现水下三维图像重构。
为实现上述目的，本发明提供了基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统，包括光学部分和数据分析部分；
光学部分包括混沌激光源、光学发射单元、光学接收单元和探测单元，混沌激光源输出的光通过光学发射单元发射到水下待测目标表面，水下待测目标反射回来的探测信号通过光学接收单元收集，探测单元用于探测参考光和信号光光子；
数据分析部分包括数据采集单元和数据处理单元；数据采集单元采集探测单元探测到的参考信号和探测信号并输入到数据处理单元中，数据处理单元对采集到的参考信号和探测信号进行二阶量子关联运算，从而恢复出水下待测目标的三维图像信息。
优选的，混沌激光通过光反馈式、光注入式、光电反馈式中的一种方式产生混沌信号。
优选的，数据采集单元为时间间隔分析仪、时间数字转换器中的一种，数据处理系统为计算机软件后处理系统、现场可编程门阵列器件FPGA、数字信号处理器DPS硬件处理系统中的一种。
优选的，光学发射单元、光学接收单元均为为望远镜系统或单一透镜。
优选的，探测单元包括单光子探测器一和单光子探测器二，单光子探测器一用于探测光学发射单元发出的参考光，单光子探测器二用于探测光学接收单元收集的探测信号。
优选的，混沌激光源包括半导体激光器、分束器一、反射镜和监测单元，由半导体激光器输出的光通过分束器一分为两束，一束通过反射镜返回到半导体激光器的有源区内产生满足实验要求的混沌信号，另一束进入到监测单元。
优选的，监测单元用于实时监测混沌激光的波形和带宽，监测单元包括分束器二、光电探测器和示波器，分束器二将进入到监测单元的混沌激光再分为两束，一束由光电探测器探测，并由示波器实时显示混沌信号波形，另一束由光学发射单元射出。
优选的，光学发射单元包括分束器三和光发射系统，分束器三将混沌激光再分为两路，一路作为参考光，直接由透镜一聚焦至探测单元进行探测，另一路作为探测光，通过光学发射系统发射到水下待测目标表面；
分束器三为9：1分束器或5：5分束器。
优选的，光学接收单元包括光接收系统、扫描装置、透镜二，水下待测目标反射回来的探测信号依次通过接收系统、扫描装置、透镜二收集。
优选的，扫描装置为双轴扫描振镜，信号发生器向扫描振镜控制程序输入三角波信号控制扫描振镜的x轴，同时信号发生器产生一个与三角波信号周期相同的方波信号发送给数据采集单元，即每扫描完一行就给数据采集单元一个同步信号；用扫描振镜自带的软件产生锯齿波信号来控制y轴，从而使扫描振镜对水下探测目标进行蛇形扫描。
本发明的有益效果：
1)本发明解决了现有的水下光学成像系统存在的成像距离近、图像质量差、抗干扰性差及数据量大等问题。该系统采用混沌激光作为光源，其具有类噪声的波形、高带宽及良好的相关特性，有效提高成像距离分辨率，还可以有效抑制背景噪声，提高成像质量，既能满足高精度测量要求，又具备高抗干扰能力，从而有效抑制水体背景噪声对水下三维成像的影响，混沌激光作为光源能够实现大功率输出，解决了蓝绿激光调制带宽和输出功率之间的矛盾。
2)基于量子关联探测的原理，构建水下三维成像系统的发送光学系统、接收光学系统和数据处理系统，实现单光子量级上的混沌激光关联函数的测量，量子关联探测可以实现单光子量级上的混沌激光关联函数的测量，从而解决混沌激光在单光子量级上的应用。
3)本发明中基于压缩感知基本原理，实现了对数据量的高效压缩，并用少量信息重构信号，解决了传统混沌激光测距、成像数据量大，测试带宽要求高的问题。
4)本发明的数据处理单元对采集到的参考信号和探测信号进行相关运算，提取出水下待测目标的距离信息，从而恢复出水下待测目标的三维图像信息。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统的流程图；
图2为利用本方法获得探测目标距探测端60米时参考信号和探测信号的二阶关联仿真图；
图3为利用本方法获得探测目标距探测端120米时参考信号和探测信号的二阶关联仿真图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步描述。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明提到的上述特征或具体实例提到的特征可以任意组合，这些具体实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例
图1是本发明基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统的流程图，图2为利用本方法获得探测目标距探测端60米时参考信号和探测信号的二阶关联仿真图，图3为利用本方法获得探测目标距探测端120米时参考信号和探测信号的二阶关联仿真图，如图所示，本发明提供了基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统，包括光学部分和数据分析部分；光学部分包括混沌激光源、光学发射单元、光学接收单元和探测单元，混沌激光源输出的光通过光学发射单元发射到水下待测目标表面，水下待测目标反射回来的探测信号通过光学接收单元收集，探测单元用于探测参考光和信号光光子。
混沌激光源用于产生高带宽的混沌信号，混沌激光源包括半导体激光器、分束器一、反射镜和监测单元，由半导体激光器输出的光通过分束器一分为两束，一束通过反射镜返回到半导体激光器的有源区内形成光反馈，从而产生满足实验要求的混沌信号，另一束进入到监测单元。
混沌激光作为光源，产生的混沌信号在频域表现为类噪声的宽带连续功率谱，在时域表现为对初始条件及其敏感的非周期随机信号，且具有良好的相关特性，正是一种理想的宽带随机信号。半导体激光器很容易被作为外部扰动的附加自由度破坏稳定，系统采用光反馈的方式产生混沌信号，即激光器的一部分输出光经过外部反射镜反射回激光器有源区，形成光反馈。
监测单元用于实时监测混沌激光的波形和带宽，监测单元包括分束器二、光电探测器和示波器，分束器二将进入到监测单元的混沌激光再分为两束，一束由光电探测器探测，并由示波器实时显示混沌信号波形，另一束由光学发射单元射出。
光学发射单元基于量子关联成像的理论，光学发射单元包括分束器三和光发射系统，分束器三为9：1分束器，分束器三将混沌激光再分为两路，一路作为参考光，直接由透镜一聚焦至探测单元进行探测，另一路作为探测光，通过光学发射系统发射到水下待测目标表面。
探测单元包括单光子探测器一和单光子探测器二，单光子探测器一用于探测光学发射单元发出的参考光，单光子探测器二用于探测光学接收单元收集的探测信号。
光学接收单元依次通过接收系统、扫描装置、透镜二收集水下待测目标反射回来的探测信号。扫描装置为双轴扫描振镜，信号发生器向扫描振镜控制程序输入三角波信号控制扫描振镜的x轴，同时信号发生器产生一个与三角波信号周期相同的方波信号发送给数据采集单元，即每扫描完一行就给数据采集单元一个同步信号；用扫描振镜自带的软件产生锯齿波信号来控制y轴，从而使扫描振镜对水下探测目标进行蛇形扫描。
数据分析部分包括数据采集单元和数据处理单元；数据采集单元采集探测单元探测到的参考信号和探测信号并输入到数据处理单元中，数据处理单元对采集到的参考信号和探测信号进行二阶量子关联运算，从而恢复出水下待测目标的三维图像信息。成像方式可以为逐点扫描，也可以采用空间光调制器计算成像方式或者单光子阵列探测器直接成像方式。
即本发明将压缩感知基本原理应用于水下单光子成像中，实现了对数据量的高效压缩，并用少量信息重构信号，压缩感知能够实现以远低于奈奎斯特采样率进行采样并恢复变换域稀疏的信号，具有实现实时、宽带信号感知的潜力。测距过程中关联函数具有稀疏特性，通过单光子概率探测实现数据的压缩测量，达到降低采样要求，提高测量灵敏度和距离的目的。
二阶量子关联函数是一种基于光子统计的方法，通常用来表征光子与光子之间的关联特性。关联函数分为一阶关联、二阶关联以及高阶关联。其中，二阶关联函数是通过时域上强度关系来计算。具体表达公式为：
其中，I(t)表示t时刻光子的强度，τ为时间延迟。当τ＝0时，光强的变化<(ΔI)2>＝<I2>-<I>2。因此，二阶关联函数的表达式可以变换为：
由于ΔI2≥0，因此可以得出g(2)(0)≥1。对于经典相干光来讲，其二阶关联函数g(2)(τ)的值始终等于1。如果是热光场，g(2)(τ)的值随时间从2收敛到1。
本发明利用混沌激光二阶关联特性，通过信号光和参考光二阶关联函数提取目标信息。相比于传统的基于混沌激光测距系统，通过高速模数转换采集信号光和参考光波形计算关联函数的方法，本发明在探测距离和数据压缩率等方面会有极大的提升。例如，当混沌激光带宽为3GHz，传统模数转换至少需要6GHz采样率才能准确记录光信号波形信息，而本发明中，光子计数率仅需要kHz～MHz，极大的压缩数据量。
本发明基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统的成像方法，包括以下步骤：
S1.由混沌激光源发射激光信号通过分束器三分为两束，一束作为参考信号，直接由单光子探测器一转换为电信号；另一束作为探测信号，经光学发射单元射向水下待测目标表面；
S2.由水下待测目标反射或散射回来的信号被光学接收单元接收后由单光子探测器二转换为电信号；
S3.数据采集单元采集单光子探测器一探测的参考信号和单光子探测器二探测的探测信号，并输入数据处理系统中进行关联运算，提取出水下待测目标的距离信息，从而恢复出水下待测目标的三维图像信息。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统，其特征在于：包括光学部分和数据分析部分；
光学部分包括混沌激光源、光学发射单元、光学接收单元和探测单元，混沌激光源输出的光通过光学发射单元发射到水下待测目标表面，水下待测目标反射回来的探测信号通过光学接收单元收集，探测单元用于探测参考光和信号光光子；
数据分析部分包括数据采集单元和数据处理单元，数据采集单元采集探测单元探测到的参考信号和探测信号并输入到数据处理单元中，数据处理单元对采集到的参考信号和探测信号进行二阶量子关联运算，从而恢复出水下待测目标的三维图像信息；
成像方式为逐点扫描或者采用空间光调制器计算成像方式或者单光子阵列探测器直接成像方式；基于压缩感知基本原理，对数据量进行压缩，并用少量信息重构信号；
混沌激光源包括半导体激光器、分束器一、反射镜和监测单元，由半导体激光器输出的光通过分束器一分为两束，一束通过反射镜返回到半导体激光器的有源区内产生满足实验要求的混沌信号，另一束进入到监测单元；
监测单元用于实时监测混沌激光的波形和带宽，监测单元包括分束器二、光电探测器和示波器，分束器二将进入到监测单元的混沌激光再分为两束，一束由光电探测器探测，并由示波器实时显示混沌信号波形，另一束由光学发射单元射出；
光学发射单元包括分束器三和光发射系统，分束器三将混沌激光再分为两路，一路作为参考光，直接由透镜一聚焦至探测单元进行探测，另一路作为探测光，通过光学发射系统发射到水下待测目标表面；
分束器三为9：1分束器或5：5分束器；
光学接收单元包括光接收系统、扫描装置、透镜二，水下待测目标反射回来的探测信号依次通过接收系统、扫描装置、透镜二收集；
扫描装置为双轴扫描振镜，信号发生器向扫描振镜控制程序输入三角波信号控制扫描振镜的x轴，同时信号发生器产生一个与三角波信号周期相同的方波信号发送给数据采集单元，即每扫描完一行就给数据采集单元一个同步信号；用扫描振镜自带的软件产生锯齿波信号来控制y轴，从而使扫描振镜对水下探测目标进行蛇形扫描。
2.根据权利要求1所述的基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统，其特征在于：混沌激光通过光反馈式、光注入式、光电反馈式中的一种方式产生混沌信号。
3.根据权利要求1所述的基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统，其特征在于：数据采集单元为时间间隔分析仪、时间数字转换器中的一种，数据处理系统为计算机软件后处理系统、现场可编程门阵列器件FPGA、数字信号处理器DPS硬件处理系统中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统，其特征在于：光学发射单元、光学接收单元均为望远镜系统或单一透镜。
5.根据权利要求1所述的基于混沌激光和量子关联探测的水下单光子三维成像系统，其特征在于：探测单元包括单光子探测器一和单光子探测器二，单光子探测器一用于探测光学发射单元发出的参考光，单光子探测器二用于探测光学接收单元收集的探测信号。
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