基于量子偏振的多维信息探测装置及多维信息探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于量子偏振的多维信息探测装置及多维信息探测方法，属于激 光雷达技术领域。
【背景技术】
[0002] 激光雷达远距离微弱信号的探测一直都是一个技术难题，百公里甚至千公里小目 标回波信号十分的微弱，甚至平均每个回波脉冲不足一个光子，运是传统激光雷达无法响 应的。单光子探测技术的出现极大的提高了激光雷达探测灵敏度，但是却只能响应信号的 有无，不能响应信号的强度，因此急需远距离微弱信号多维信息的探测方法。
【发明内容】
[0003] 本发明目的是为了解决现有目标识别领域中远距离微弱信号回波遇到灵敏度极 限的问题，提供了一种基于量子偏振的多维信息探测装置及多维信息探测方法。
[0004] 本发明所述基于量子偏振的多维信息探测装置，它包括同步控制模块、激光器、 偏振态编码器、发射光学器、接收光学器、=个分光器、全反射镜、检偏器、四分之一波片、 二分之一波片、第一单光子探测器Gm-APD、第二单光子探测器Gm-APD、第=单光子探测器 Gm-APD、第四单光子探测器Gm-Aro和同步信号处理器； 阳0化]同步控制模块产生同步信号驱动激光器，激光器产生高保偏度的脉冲信号，同时 同步控制模块将同步信号输出至偏振态编码器，偏振态编码器将脉冲信号进行水平、垂直、 对角和反对角伪随机的脉冲序列调制，调制后的激光经过发射光学器的准直扩束照射目 标，目标的回波信号入射至接收光学器，接收光学器对回波信号进行聚焦收集，然后通过= 个分光器将回波信号分为四路信号，一路信号经过全反射镜的反射后入射至第一单光子探 测器Gm-APD，第一单光子探测器Gm-Aro对一路信号进行探测，二路信号经过检偏器的起偏 后入射至第二单光子探测器Gm-APD，第二单光子探测器Gm-Aro对二路信号进行探测，立路 信号经过四分之一波片的透射和检偏器的起偏后入射至第=单光子探测器Gm-APD，四路信 号经过二分之一波片的透射和检偏器的起偏后入射至第四单光子探测器Gm-APD;
[0006] 同步信号处理器根据第一单光子探测器Gm-APD、第二单光子探测器Gm-APD、第= 单光子探测器Gm-ATO和第四单光子探测器Gm-ATO探测的脉冲信号获得回波的脉冲序列， 同步信号处理器根据回波的脉冲序列和同步控制模块产生的同步信号获得目标的距离、强 度和偏振的多维信息。
[0007] 本发明所述基于量子偏振的多维信息探测装置的多维信息探测方法，该多维信息 探测方法的具体过程为：
[0008] 步骤1、同步控制模块、激光器和偏振态编码器同时工作，产生具有四种偏振态的 四个不同码值的伪随机编码脉冲序列；
[0009] 步骤2、发射光学器将步骤1产生的伪随机编码脉冲序列发射出去；
[0010] 步骤3、目标接收到伪随机编码脉冲序列，目标的回波信号经过往返时间的延迟返 回到接收光学器；
[0011] 步骤4、回波信号经过四路单光子探测器Gm-Aro测量斯托克斯参量，获取四路偏 振分光，分别探测出四个偏振态的编码序列信号；
[0012] 步骤5、同步信号处理器根据步骤4获取的四个偏振态的编码序列信号和步骤1获 取的四个不同码值的伪随机编码脉冲序列，获取相关峰；
[0013] 步骤6、同步信号处理器判断相关峰是否大于等于阔值，如果是则认为发现目标， 如果否则返回步骤1 ;
[0014] 步骤7、同步信号处理器根据步骤3的往返时间获取目标距离；
[0015] 步骤8、同步信号处理器测量步骤5获取的相关峰的强度，即为回波信号的强度；
[0016] 步骤9、根据步骤8获取的回波信号强度和步骤4的斯托克斯参量获得回波信号强 度与反射光斯托克斯矢量的关系；
[0017] 步骤10、根据发射光学器发射出信号和回波信号的斯托克斯参量，获得目标的米 勒矩阵，即为目标的偏振信息。
[001引本发明的优点：本发明解决了现有目标识别领域中远距离微弱信号回波遇到灵敏 度极限的问题，能够对低可探测性的微小目标进行距离、强度和目标偏振测量。本发明基 于量子偏振的多维信息探测装置能够在远距离微弱信号回波的情况下，同时获得目标的距 离、强度、偏振等多维信息。同时，该装置采用了水平、垂直、对角、反对角（即0°、90°、 45°、-45° )的伪随机调制编码，使得系统具有极强的抗干扰能力。另外通过编码序列的 调制-解调处理，其中相关处理可W有效的提高系统的探测性能，提高信噪比和探测距离。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明所述基于量子偏振的多维信息探测装置的结构示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0020] 一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于量子偏振 的多维信息探测装置，它包括同步控制模块1、激光器2、偏振态编码器3、发射光学器4、接 收光学器5、立个分光器6、全反射镜7、检偏器8、四分之一波片9、二分之一波片10、第一单 光子探测器Gm-APDll、第二单光子探测器Gm-APD12、第=单光子探测器Gm-APD13、第四单 光子探测器Gm-APD14和同步信号处理器15 ;
[0021] 同步控制模块1产生同步信号驱动激光器2,激光器2产生高保偏度的脉冲信号， 同时同步控制模块1将同步信号输出至偏振态编码器3,偏振态编码器3将脉冲信号进行 水平、垂直、对角和反对角伪随机的脉冲序列调制，调制后的激光经过发射光学器4的准直 扩束照射目标，目标的回波信号入射至接收光学器5,接收光学器5对回波信号进行聚焦收 集，然后通过=个分光器6将回波信号分为四路信号，一路信号经过全反射镜7的反射后 入射至第一单光子探测器Gm-APDll，第一单光子探测器Gm-APDll对一路信号进行探测， 二路信号经过检偏器8的起偏后入射至第二单光子探测器Gm-APD12,第二单光子探测器 Gm-APD12对二路信号进行探测，=路信号经过四分之一波片9的透射和检偏器8的起偏后 入射至第=单光子探测器Gm-APD13,四路信号经过二分之一波片10的透射和检偏器8的起 偏后入射至第四单光子探测器Gm-APD14 ; W22] 同步信号处理器15根据第一单光子探测器Gm-APDll、第二单光子探测器Gm-APD12、第=单光子探测器Gm-APD13和第四单光子探测器Gm-APD14探测的脉冲信号获 得回波的脉冲序列，同步信号处理器15根据回波的脉冲序列和同步控制模块1产生的同步 信号获得目标的距离、强度和偏振的多维信息。
【具体实施方式】 [0023] 二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进 一步说明，激光器2采用高偏振脉冲激光器。
【具体实施方式】 [0024] =:下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进 一步说明，偏振态编码器3对脉冲信号采用伪随机非正交的水平、垂直、对角和反对角调制 编码，所述水平、垂直、对角和反对角分别为：〇。、90°、45°和-45°。
【具体实施方式】 [0025] 四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进 一步说明，一路信号的探测过程为总光强路，二路信号的探测过程为线偏振路，=路信号的 探测过程为四分之一波片路，四路信号的探测过程为二分之一波片路。
[00%]
【具体实施方式】五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进 一步说明，二路信号的检偏器8的起偏角为45° 路信号的检偏器8的起偏角为0° ;四 路信号的检偏器8的起偏角为0°。
【具体实施方式】 [0027] 六：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进 一步说明，=路信号的四分之一波片9的方位角为45°。
【具体实施方式】 [0028] 屯：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进 一步说明，四路信号的二分之一波片10的方位角为45°。
【具体实施方式】 [0029] 一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于量子偏振 的多维信息探测装置的多维信息探测方法，该多维信息探测方法的具体过程为：
[0030] 步骤1、同步控制模块1、激光器2和偏振态编码器3同时工作，产生具有四种偏振 态的四个不同码值的伪随机编码脉冲序列；
[0031] 步骤2、发射光学器4将步骤1产生的伪随机编码脉冲序列发射出去；
[0032] 步骤3、目标接收到伪随机编码脉冲序列，目标的回波信号经过往返时间的延迟返 回到接收光学器5 ;
[0033] 步骤4、回波信号经过四路单光子探测器Gm-Aro测量斯托克斯参量，获取四路偏 振分光，分别探测出四个偏振态的编码序列信号；
[0034] 步骤5、同步信号处理器15根据步骤4获取的四个偏振态的编码序列信号和步骤 1获取的四个不同码值的伪随机编码脉冲序列，获取相关峰；
[0035] 步骤6、同步信号处理器15判断相关峰是否大于等于阔值，如果是则认为发现目 标，如果否则返回步骤1 ;
[0036] 步骤7、同步信号处理器15根据步骤3的往返时间获取目标距离；
[0037] 步骤8、同步信号处理器15测量步骤5获取的相关峰的强度，即为回波信号的强 度；
[0038] 步骤9、根据步骤8获取的回波信号强度和步骤4的斯托克斯参量获得回波信号强 度与反射光斯托克斯矢量的关系；
[0039] 步骤10、根据发射光学器4发射出信号和回波信号的斯托克斯参量，获得目标的 米勒矩阵，即为目标的偏振信息。 W40] 本实施方式中，距离信息获取方法为：发射脉冲序列表示为x(t) =s(t)，经过T 往返时间的延迟回波信号表示为x(t-T) =s(t-T)+n(t)，其中，n(t)表示回波探测中的 噪声，回波互相关的结果表示为：
[0041 ]
[0042] 其中，第一项为回波信号相关项，该项给出相关峰位置与X往返时间成正比，第 二项是本振信号和噪声相关的结果，由于信号