和噪声没有相关性，所W在序列的累积中趋 于0,运样通过相关的方法提取出目标的距离值。
[0043] 强度信息的获取方法为：获得了信号相关峰，通过它的延迟时间可W得到目标的 距离，相关峰的强度与回波信号的强度有关。 W44] 在目标发现过程中，对于超过阔值的相关峰，认为是信号回波，在目标测量过程中 通过相关峰位置的探测给出距离信息，即相关峰位置对应着回波信号的延迟时间T，根据R=CI/2的雷达距离方程就能给出目标的距离，然后测量相关峰的强度即可W反应回波 信号的强弱。
[0045] 回波信号的强度为I，脉冲宽度为t，探测器被触发的概率为：
[0046] 相关峰的强度Uk正比于触发概率，即：
[0047] 运样相关峰的强度和回波信号强度I拥有固定的函数关系，从而可W通过相 关峰的强度得到回波信号的强度。
[0048] 偏振信息的获取方法为：系统采用四路Gm-ATO测量斯托克斯参量，利用Gm-ATO光 子计数进行极微弱光的强度测量时，假设经过了M次测量统计，在第m区间的雪崩脉冲数为 K(m)，则探测概率P(m)可W计算得到：
[0049] 则入射的光电子数为：
[0050] 将探测到的信号光强带入，可W得到探测器探测信号强度和反射光的斯托克斯矢 量之间的表达式：
[0051]
[0052] 其中，
为本系统的仪器矩阵，表现为系统光学器件对光子 偏振态的影响。
[0053] 左右两边同乘W系统仪器矩阵的米勒矩阵，可W求得从目标反射的光子的斯托克 斯矢量：
[0054：
[0055] 最后，根据反射光和入射光的斯托克斯参量，得到目标的米勒矩阵。
[0056] 本发明中，同步控制模块1作为本发明的核屯、，用于控制激光器2的输出状态、 偏振态编码器3的工作状态和各分系统之间的工作时序，采用32位浮点中央处理器 TMS320F28335,时钟频率为150MHz，时钟周期为6. 67ns，为低功耗设计。
[0057] 激光器2作为本发明的光源，要求具有较高的功率稳定性和频率稳定性，同时要 求能够输出稳定的偏振态脉冲激光，激光器2是功率稳定性小于3%，重复频率为lOKHz，峰 值功率为100KW，脉冲宽度为10ns的脉冲激光器。
[0058] 偏振态编码器3是通过光电效应来实现对偏振态的控制。在外电场的作用下，电 光晶体的折射率会发生变化，因此光波在通过晶体时所经历的光程或位相延迟受到外电场 控制，偏振态发生变化，从而实现对偏振态的编码。偏振态编码器3的调制速率为lOOMHz， 损伤阔值为2W/m2,半波电压为135V。
[0059] 发射光学器4是用于对发射的激光进行准直扩束的光学镜头，能够减小激光的束 散角。
[0060] 接收光学器5是对目标散射的激光回波进行收集汇聚。其中接收光学器5种还包 括窄带滤光片，用于减弱背景噪声的影响。接收光学器5的波长为532nm，为激光纯化滤波 片，带宽为2皿，中屯、波长透过率> 90%，直径为25. 4mm。
[0061] 分光器6是普通的分光棱镜，用于对激光回波信号能量的分光，分光器6是材料 为脚玻璃，尺寸为25. 4X25. 4X25. 4mm3,分光比为50 :50,偏差±5%，平均偏振，波长 450-650nm，斜面锻部分反射膜，所有直角面增透。
[0062] 检偏器8采用格兰泰勒棱镜，材料为a-BBO晶体，波长532皿，直径25. 4mm，消光比 < 5X10 6,损伤阔值>i〇MW/cm2,锻膜。
[0063] 四分之一波片9用于对偏振光的斯托克斯参量产生特定的变化。四分之一波片 9的材料为石英晶体，空气隙零级波片，通关孔径18mm，支架外径25. 4mm，相位1/4,波长 532皿，双面增透。
[0064] 二分之一波片10用于对偏振光的斯托克斯参量产生特定的变化。二分之一波片 10的材料为石英晶体，空气隙零级波片，通关孔径18mm，支架外径25. 4mm，相位1/2,波长 532nm，双面增透。 阳0化]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均采用相同的Gm-ATO探测器模块，用于实现单光 子量级的光子计数探测，采用采用美国LASERCOMPONENTS的C0UNT-100C-FCGm-APD探测 器模块。
【主权项】
1. 基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，它包括同步控制模块（I)、激光器 (2)、偏振态编码器（3)、发射光学器（4)、接收光学器（5)、三个分光器（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-APD(11)、第二单光 子探测器Gm-APD(12)、第三单光子探测器Gm-APD(13)、第四单光子探测器Gm-APD(14)和同 步信号处理器（15); 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，然后通过三个分光器（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-APD(ll)，第一单光子探测器 Gm-APD(Il)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-APD(12)，第二单光子探测器Gm-APD(12)对二路信号进行探测，三路信号经过 四分之一波片（9)的透射和检偏器（8)的起偏后入射至第三单光子探测器Gm-APD(13)， 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-APD(14); 同步信号处理器（15)根据第一单光子探测器Gm-APD(ll)、第二单光子探测器Gm-APD(12)、第三单光子探测器Gm-APD(13)和第四单光子探测器Gm-APD(14)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。2. 根据权利要求1所述的基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，激光器（2) 采用高偏振脉冲激光器。3. 根据权利要求1所述的基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，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°。4. 根据权利要求1所述的基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，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，三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。5. 根据权利要求1所述的基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，二路信号 的检偏器（8)的起偏角为45° ;三路信号的检偏器（8)的起偏角为0° ;四路信号的检偏器 (8)的起偏角为0°。6. 根据权利要求1所述的基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，三路信号 的四分之一波片（9)的方位角为45°。7. 根据权利要求1所述的基于量子偏振的多维信息探测装置，其特征在于，四路信号 的二分之一波片（10)的方位角为45°。8. 基于权利要求1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，其特 征在于，该多维信息探测方法的具体过程为： 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； 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； 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); 步骤4、回波信号经过四路单光子探测器Gm-AH)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； 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； 步骤6、同步信号处理器（15)判断相关峰是否大于等于阈值，如果是则认为发现目标， 如果否则返回步骤1 ; 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； 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； 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； 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。
【专利摘要】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，本发明为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。本发明同步控制模块产生同步信号驱动激光器产生脉冲信号，同时将同步信号输出至偏振态编码器进行水平、垂直、对角和反对角伪随机脉冲序列调制，调制后经过发射光学器准直扩束照射目标，回波信号入射至接收光学器，然后通过三个分光器将回波信号分为四路信号，分别经过一个单光子探测器Gm-APD；同步信号处理器根据四个单光子探测器Gm-APD探测的脉冲信号获得回波脉冲序列，根据回波脉冲序列和同步信号获得目标距离、强度和偏振的多维信息。本发明用于激光雷达远距离微弱信号的探测。
【IPC分类】G01S17/02
【公开号】CN105182351
【申请号】CN201510604034
【发明人】张子静, 徐璐, 赵远, 张勇, 靳辰飞, 苏建忠, 吕华
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月21日