CN116804760B - 一种高重频正交偏振光子计数测深系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下激光测深领域，公开了一种高重频正交偏振光子计数测深系统及方法，该系统通过利用水体与目标退偏振特性的不同，采用高重频正交偏振技术进一步增强后向散射噪声与目标回波信号偏振性的差异性，可以有效抑制后向散射噪声、提高系统的探测性能。该系统主要包括激光器、线偏振器、分束器、PIN探测器、接收光学系统、偏振分束器、单光子探测器一、单光子探测器二、时间相关单光子计数模块、信号处理模块等。基于上述器件实现高灵敏度水下测深设计，通过正交偏振技术进一步增强系统抑制后向散射噪声的能力，为海底地形测绘、水下目标探测、海洋工程建设等提供技术支持及设备支撑。
Description
技术领域
本发明属于水下激光测深领域，公开了一种高重频正交偏振光子计数测深系统及方法。
背景技术
海洋测绘是海洋开发活动的基础，水下测深作为海洋测绘最基本的任务之一，受到越来越多的关注。同时，水下测深技术作为水下信息获取的重要手段，在海洋权益维护、海底工程建设、水下救援、水下考古、水下目标识别等领域发挥着重要作用，具有广阔的应用前景。
光子计数探测体制显著的提高了系统的探测灵敏度是实现远距离测深的有效方法，但是，单光子探测器无差别的对信号与噪声具有相同的探测灵敏度，以及其自身的死时间特性和无强度分辨能力的特点，使得后向散射噪声对光子计数测深系统探测性能的负面影响变得更为显著。因此，如何有效的抑制后向散射噪声，是光子计数测深系统实现远距离探测亟待解决的关键问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高重频正交偏振光子计数测深系统与方法，巧妙地利用目标和水体对激光的退偏振性存在差异的特点，提出利用正交偏振差异化放大方法将噪声与信号分离，达到抑制后向散射噪声的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高重频正交偏振光子计数测深系统，包括激光器、线偏振片、分束器、PIN探测器、偏振分束器、单光子探测器一、单光子探测器二、时间相关单光子计数模块和信号处理模块；所述激光器发射窄脉冲激光，经线偏振片起偏，线偏振光通过1：99的分束器分为两路，其中能量较少的一路脉冲激光直接照射至PIN探测器，PIN探测器响应的脉冲信号作为统计脉冲飞行时间的计时开始信号，由时间相关单光子计数模块的通道一采集，剩余能量较多的一路脉冲激光直接照射至目标，与水体或目标相互作用后出射的线偏振光会产生不同程度的退偏，由水体或目标散射的回波信号经接收光学系统接收，并通过偏振分束器分为平行和垂直的两路，平行通道的回波信号传输至单光子探测器一、垂直通道的回波信号传输至单光子探测器二，所述单光子探测器一、单光子探测器二响应回波信号输出的脉冲序列分别由时间相关单光子计数模块的通道二和通道三完成采集，作为脉冲飞行时间的计时停止信号，时间相关单光子计数模块采集的信号传输至信号处理模块完成水下目标距离获取。
优选的，激光器采用532nm窄脉冲、高重频激光器，所述激光器周期性的发射窄脉冲激光作为照明光源。
优选的，线偏振光通过1：99的分束器分为比例不等的两路激光，分别作为同步激光和探测激光，其中能量较少的一路脉冲激光直接照射至PIN探测器，PIN探测器响应的脉冲信号作为系统的同步信号，由时间相关单光子计数模块的通道一采集，剩余能量较多的一路脉冲激光直接照射至目标。
优选的，出射的线偏振光与水体或目标相互作用后会产生不同程度的退偏，其中水体的退偏振能力弱于目标；经水体或目标散射的回波信号由光学系统接收，并通过偏振分束器分为平行和垂直的两路，平行通道的回波信号传输至单光子探测器一、垂直通道的回波信号传输至单光子探测器二，所述单光子探测器一、单光子探测器二响应回波激光，并输出电脉冲序列。
优选的，单光子探测器一与单光子探测器二均具有死时间特性，死时间会影响探测器对回波信号的响应，应合理的选择单光子探测器一与单光子探测器二，使其死时间大小近似相等，避免因探测器死时间差异影响系统探测性能。
优选的，单光子探测器一与单光子探测器二输出的电脉冲序列，由时间相关单光子计数模块的通道二和通道三完成采集，将时间相关单光子计数模块采集的信号传输至信号处理模块，通过多周期累加建立统计直方图，并利用正交偏振后向散射噪声抑制方法，增强后向散射噪声与目标回波的偏振差异性，以便于从强后向散射噪声中提取目标回波信号，确定激光雷达系统至目标的飞行时间t，进而确定水下目标的深度信息。
一种高重频正交偏振光子计数测深方法，单光子探测器一与单光子探测器二均为二值输出型探测器，将连续n个周期的脉冲回波信号进行累加，通过多周期累加获得回波信号的脉冲计数水平进而反应回波信号的强度信息。此外，由于水体具有极强的后向散射特性，回波信号通常淹没在后向散射噪声中，严重制约了光子计数激光雷达高灵敏度性能的发挥；因此，利用目标与水体对激光的退偏振特性不同的特点，采用高重频正交偏振的方法增强信号与噪声的偏振差异，将弱回波信号与噪声进行区分，进而对后向散射噪声进行抑制；单光子探测器一、单光子探测器二将分别反应回波信号的平行和垂直偏振强度信息，单光子探测器一与单光子探测器二通过n周期累加获得的平均信号与噪声的脉冲计数表示为：
和/>分别表示经过n周期累加后单光子探测器一即平行偏振光探测通道在第i个时间门的信号计数和噪声计数，/>和/>分别代表平行偏振光探测通道在第i个时间门信号与噪声的探测概率；/>和/>则分别表示经过n周期累加后单光子探测器二即垂直偏振光探测通道在第i个时间门的信号计数和噪声计数，/>和分别代表垂直偏振光探测通道在第i个时间门信号与噪声的探测概率。
优选的，根据单光子探测器一与单光子探测器二通过n周期累加分别获得的信号与噪声的脉冲计数，可以建立回波信号与噪声的偏振差异增强模型：
其中，ξ为回波信号垂直与平行通道的差异化程度，cw为光在水中的速度，r为目标所在的位置，η||和η⊥分别表示单光子探测器一、单光子探测器二的探测效率；Δt是时间相关单光子计数模块的时间分辨率；
由于目标回波信号光呈现非偏振性，因此在目标位置处ξ近似为1；而在非目标位置处后向散射噪声仍保持部分线偏振性，即平行通道的回波信号强度明显高于垂直通道，因此在噪声位置处ξ远小于通过式(3)可以将垂直通道与平行通道信号的差异化进行放大，将信号与噪声区分开来，便于目标回波信号提取。
优选的，单光子探测器一与单光子探测器二探测效率的准确性，对回波信号与噪声偏振差异的真实性具有重要影响；因此，搭建弱光源发射系统对系统中单光子探测器一与单光子探测器二的探测效率进行实际测量，确定η||和η⊥，保证目标回波信号提取的准确性。
优选的，单光子探测器一与单光子探测器二输出的电脉冲序列，由时间相关单光子计数模块的通道二和通道三完成采集，将时间相关单光子计数模块采集的信号传输至信号处理模块，通过多周期累加建立统计直方图，并利用公式(3)进一步增强后向散射噪声与目标回波的偏振差异性，将偏振差异化信息作为统计直方图中信号与噪声计数分析的补充信息，从强后向散射噪声中提取目标回波信号，确定激光雷达系统至目标的飞行时间t，进而确定水下目标的深度信息。
与现有技术相比，本申请有益效果如下：本发明利用目标和水体对激光的退偏振性存在差异的特点，提出利用正交偏振差异化放大方法将噪声与信号分离，达到抑制后向散射噪声的目的，进一步提高了系统的探测灵敏度，为水下远距离探测提供了有效的方法和系统。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种高重频正交偏振光子计数测深系统示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种高重频正交偏振光子计数激光雷达系统，包括激光器1、线偏振器2、分束器3、PIN探测器4、接收光学系统5、偏振分束器6、单光子探测器一7、单光子探测器二8、时间相关单光子计数模块9、信号处理模块10。
一种高重频正交偏振光子计数测深方法，所述激光器发射窄脉冲激光，经线偏振片起偏，线偏振光通过1：99的分束器分为两路，其中能量较少的一路脉冲激光直接照射至PIN探测器，PIN探测器响应的脉冲信号作为统计脉冲飞行时间的计时开始信号，由时间相关单光子计数模块的通道一采集，剩余能量较多的一路脉冲激光直接照射至目标，与水体或目标相互作用后出射的线偏振光会产生不同程度的退偏，由水体或目标散射的回波信号经接收光学系统接收，并通过偏振分束器分为平行和垂直的两路，平行通道的回波信号传输至单光子探测器一、垂直通道的回波信号传输至单光子探测器二，所述单光子探测器一、单光子探测器二响应回波信号输出的脉冲序列分别由时间相关单光子计数模块的通道二和通道三完成采集，作为脉冲飞行时间的计时停止信号，时间相关单光子计数模块采集的信号传输至信号处理模块完成水下目标距离获取；单光子探测器为二值输出型探测器，将连续n个周期的脉冲回波信号进行累加，通过多周期累加获得回波信号的脉冲计数水平进而反应回波信号的强度信息；单光子探测器一、单光子探测器二则分别反应了回波信号的平行和垂直偏振强度信息。
激光器1为532nm线偏振、高重频、窄脉冲激光器，周期性的发射脉冲激光，作为系统的主动照明光源。
线偏振器2对激光器1发射的脉冲激光进一步起偏，提高脉冲激光的线偏振度。
起偏后的线偏振激光经分束器3分为1：99比例不等的两路，其中能量较少的一路脉冲激光直接照射至PIN探测器4，PIN探测器4响应的脉冲信号作为系统的同步信号，由时间相关单光子计数模块9的通道一采集，作为统计脉冲飞行时间的计时开始信号。
分束器3中能量较多的一路脉冲激光直接照射至目标，出射的线偏振光与水体或目标相互作用后会产生不同程度的退偏，由水体或目标散射的回波信号经接收光学系统5接收。
接收光学系统5将收到的回波激光通过偏振分束器6分为平行和垂直的两路，平行通道的回波激光传输至单光子探测器一7，垂直通道的回波激光传输至单光子探测器二8。两个单光子探测器响应回波激光，并输出电脉冲序列。输出的电脉冲序列分别由时间相关单光子计数模块9的通道2和通道3完成采集，作为脉冲飞行时间的计时停止信号。当然，这些计时停止信号中混杂着大量后向散射噪声信号，从强后向散射噪声中准确提取目标的计时停止信号是其中的关键问题。
单光子探测器一7与单光子探测器二8为二值输出型探测器，本身不具备强度分辨能力，而本发明实质上利用偏振强度信息对信号与噪声进行区分。因此，为了使单光子探测器能够更真实的反应回波信号的偏振强度信息，采用了高重频正交偏振的方法。在几十kHz甚至百kHz的高脉冲重复频率下，十几甚至几十个连续的脉冲可以近似认为反应同一点目标的信息，因此，可以连续将n个周期的脉冲回波信号进行累加，通过多周期累加获得回波信号的脉冲计数水平进而反应回波信号的强度信息。
和/>分别表示经过n周期累加后单光子探测器一即平行偏振光探测通道在第i个时间门的信号计数和噪声计数，/>和/>分别代表平行偏振光探测通道在第i个时间门信号与噪声的探测概率；/>和/>则分别表示经过n周期累加后单光子探测器二即垂直偏振光探测通道在第i个时间门的信号计数和噪声计数，/>和分别代表垂直偏振光探测通道在第i个时间门信号与噪声的探测概率；
其中，ξ为回波信号垂直与平行通道的差异化程度，cw为光在水中的速度，r为目标所在的位置，η||和η⊥分别表示单光子探测器一、单光子探测器二的探测效率；△t是时间相关单光子计数模块的时间分辨率；和/>表示垂直偏振光探测通道在第i个时间门的信号计数和噪声计数，/>表示平行偏振光探测通道在第i个时间门的信号计数和噪声计数。单光子探测器一与单光子探测器二探测效率的准确性，对回波信号与噪声偏振差异的真实性具有重要影响。因此，搭建弱光源发射系统对系统中单光子探测器一与单光子探测器二的探测效率进行实际测量，确定η||和η⊥，保证目标回波信号提取的准确性。
单光子探测器一与单光子探测器二均具有死时间特性，死时间会影响探测器对回波信号的响应，应合理的选择单光子探测器一与单光子探测器二，使其死时间大小近似相等(这个参数是由采购的器件决定的，在器件制造的时候就定了，所以不一定能保证完全相等，只能是近似相等)，避免因探测器死时间差异影响系统探测性能。
由于目标回波信号光呈现非偏振性，因此在目标位置处ξ近似为1；而在非目标位置处后向散射噪声仍保持部分线偏振性(偏振光按照其性质分为完全偏振光和部分偏振光，完全偏振光发生退偏且没有完全退偏后将变为部分偏振光)，即平行通道的回波信号强度明显高于垂直通道，因此在噪声位置处ξ远小于1，通过式(3)可以将垂直通道与平行通道信号的差异化进行放大，将信号与噪声区分开来，便于目标回波信号提取。
基于高重频获取单光子探测器回波信号偏振强度信息后，利用正交偏振的方法对回波信号与噪声的偏振差异进行放大，以克服后向散射的影响。具体的理论模型如式(3)所示。ξ为回波信号垂直与平行通道的差异化程度，由于目标粗糙度高于水体，使得其对线偏振光退偏严重，回波信号光呈现非偏振性，因此在目标位置处ξ近似为1；而在非目标位置处后向散射噪声仍保持部分线偏振性(偏振光按照其性质分为完全偏振光和部分偏振光，完全偏振光发生退偏且没有完全退偏后将变为部分偏振光)，即平行通道的回波信号强度明显高于垂直通道，因此在噪声位置处ξ远小于1。因此，通过式(3)可以将垂直通道与平行通道信号的差异化进行放大，将信号与噪声区分开来，便于目标回波信号提取。
时间相关单光子计数模块9将采集的信号传输至信号处理模块，通过多周期累加建立统计直方图，并利用公式(3)进一步增强后向散射噪声与目标回波的偏振差异性，以便于从强后向散射噪声中提取目标回波信号，确定激光雷达系统至目标的飞行时间t，进而确定水下目标的深度信息。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种高重频正交偏振光子计数测深系统，其特征在于，包括激光器、线偏振片、分束器、PIN探测器、偏振分束器、单光子探测器一、单光子探测器二、时间相关单光子计数模块和信号处理模块；所述激光器发射窄脉冲激光，经线偏振片起偏，线偏振光通过1：99的分束器分为两路，其中能量较少的一路脉冲激光直接照射至PIN探测器，PIN探测器响应的脉冲信号作为统计脉冲飞行时间的计时开始信号，由时间相关单光子计数模块的通道一采集，剩余能量较多的一路脉冲激光直接照射至目标，与水体或目标相互作用后出射的线偏振光会产生不同程度的退偏，由水体或目标散射的回波信号经接收光学系统接收，并通过偏振分束器分为平行和垂直的两路，平行通道的回波信号传输至单光子探测器一、垂直通道的回波信号传输至单光子探测器二，所述单光子探测器一、单光子探测器二响应回波信号输出的脉冲序列分别由时间相关单光子计数模块的通道二和通道三完成采集，作为脉冲飞行时间的计时停止信号，时间相关单光子计数模块采集的信号传输至信号处理模块完成水下目标距离获取。
2.根据权利要求1所述的一种高重频正交偏振光子计数测深系统，其特征在于，激光器采用532nm窄脉冲、高重频激光器，所述激光器周期性的发射窄脉冲激光作为照明光源。
3.根据权利要求1所述的一种高重频正交偏振光子计数测深系统，其特征在于，线偏振光通过1：99的分束器分为比例不等的两路激光，分别作为同步激光和探测激光，其中能量较少的一路脉冲激光直接照射至PIN探测器，PIN探测器响应的脉冲信号作为系统的同步信号，由时间相关单光子计数模块的通道一采集，剩余能量较多的一路脉冲激光直接照射至目标。
4.根据权利要求1所述的一种高重频正交偏振光子计数测深系统，其特征在于，出射的线偏振光与水体或目标相互作用后会产生不同程度的退偏，其中水体的退偏振能力弱于目标；经水体或目标散射的回波信号由光学系统接收，并通过偏振分束器分为平行和垂直的两路，平行通道的回波信号传输至单光子探测器一、垂直通道的回波信号传输至单光子探测器二，所述单光子探测器一、单光子探测器二响应回波激光，并输出电脉冲序列。
5.根据权利要求1所述的一种高重频正交偏振光子计数测深系统，其特征在于，单光子探测器一与单光子探测器二均具有死时间特性，使其死时间大小近似相等。
6.根据权利要求1所述的一种高重频正交偏振光子计数测深系统，其特征在于，单光子探测器一与单光子探测器二输出的电脉冲序列，均由时间相关单光子计数模块的通道二和通道三完成采集，将时间相关单光子计数模块采集的信号传输至信号处理模块，通过多周期累加建立统计直方图，并利用正交偏振后向散射噪声抑制方法，增强后向散射噪声与目标回波的偏振差异性，以便于从强后向散射噪声中提取目标回波信号，确定激光雷达系统至目标的飞行时间t，进而确定水下目标的深度信息。
7.一种高重频正交偏振光子计数测深方法，其特征在于，单光子探测器一与单光子探测器二均为二值输出型探测器，单光子探测器一与单光子探测器二通过n周期累加获得的平均信号与噪声的脉冲计数表示为：
和/>分别表示经过n周期累加后单光子探测器一即平行偏振光探测通道在第i个时间门的信号计数和噪声计数，/>和/>分别代表平行偏振光探测通道在第i个时间门信号与噪声的探测概率；/>和/>则分别表示经过n周期累加后单光子探测器二即垂直偏振光探测通道在第i个时间门的信号计数和噪声计数，/>和/>分别代表垂直偏振光探测通道在第i个时间门信号与噪声的探测概率。
8.根据权利要求7所述的一种高重频正交偏振光子计数测深方法，其特征在于，根据单光子探测器一与单光子探测器二通过n周期累加分别获得的信号与噪声的脉冲计数，可以建立回波信号与噪声的偏振差异增强模型：
其中，ξ为回波信号垂直与平行通道的差异化程度，cw为光在水中的速度，r为目标所在的位置，η||和η⊥分别表示单光子探测器一、单光子探测器二的探测效率；△t是时间相关单光子计数模块的时间分辨率；
由于目标回波信号光呈现非偏振性，因此在目标位置处ξ近似为1；而在非目标位置处后向散射噪声仍保持部分线偏振性，即平行通道的回波信号强度明显高于垂直通道，因此在噪声位置处ξ远小于1，通过式(3)可以将垂直通道与平行通道信号的差异化进行放大，将信号与噪声区分开来，便于目标回波信号提取。
9.根据权利要求8所述的一种高重频正交偏振光子计数测深方法，其特征在于，搭建弱光源发射系统对系统中单光子探测器一与单光子探测器二的探测效率进行实际测量，确定η||和η⊥，保证目标回波信号提取的准确性。
10.根据权利要求8所述的一种高重频正交偏振光子计数测深方法，其特征在于，单光子探测器一与单光子探测器二输出的电脉冲序列，由时间相关单光子计数模块的通道二和通道三完成采集，将时间相关单光子计数模块采集的信号传输至信号处理模块，通过多周期累加建立统计直方图，并利用公式(3)进一步增强后向散射噪声与目标回波的偏振差异性，将偏振差异化信息作为统计直方图中信号与噪声计数分析的补充信息，从强后向散射噪声中提取目标回波信号，确定激光雷达系统至目标的飞行时间t，进而确定水下目标的深度信息。
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