一种极微弱光信号偏振度探测系统及基于该系统的探测方法与流程

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及极远目标探测识别技术。

背景技术：

对于极远目标而言，探测信号光的回波信号光往往极其微弱，已经达到了单光子量级，普通的光强探测器无法响应如此微弱的信号，这也是传统激光雷达对远目标探测时所遇到的瓶颈。

目前的单光子探测技术只能获取目标的三维距离像，响应灵敏度受到限制，仅仅通过目标的距离像来进行目标的判断和识别，信息过于单一，往往不能有效获取目标偏振信息，进而不能够有效的进行目标的判断和识别。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有激光雷达探测极远距离目标时，获取信息于单一，不能够有效的进行目标的判断和识别的问题，现提供一种极微弱光信号偏振度探测系统及基于该系统的探测方法。

一种极微弱光信号偏振度探测系统，包括：发射部和接收部；

发射部包括：脉冲激光器110、发射部起偏器120、发射部1/4波片130、发射光学系统140和伪随机编码控制器150，

伪随机编码控制器150的编码序列信号输出端连接脉冲激光器110的编码序列信号输入端，脉冲激光器110发出的脉冲激光依次经过发射部起偏器120和发射部1/4波片130透射至发射光学系统140，发射光学系统140对入射光进行准直扩束并出射至待探测目标；

接收部包括：接收光学系统210、一号分光器221、二号分光器222、三号分光器223、接收部1/4波片230、接收部一号起偏器241、接收部二号起偏器242、接收部三号起偏器243、一号单光子探测器251、二号单光子探测器252、三号单光子探测器253、四号单光子探测器254、码元转换器270和同步信号处理系统260，

接收光学系统210用于聚焦并采集探测目标返回的信号光，接收光学系统210的出射光经一号分光器221分束为一号透射光和一号反射光，一号透射光经二号分光器222分束为二号透射光和二号反射光，一号反射光经三号分光器223分束为三号透射光和三号反射光，二号反射光依次经过接收部1/4波片230和接收部一号起偏器241透射至二号单光子探测器252的光敏面上，二号透射光经过接收部三号起偏器243透射至三号单光子探测器253的光敏面上，三号透射光入射至一号单光子探测器251的光敏面上，三号反射光经过接收部二号起偏器242透射至四号单光子探测器254的光敏面上，同步信号处理系统260同步采集一号单光子探测器251、二号单光子探测器252、三号单光子探测器253和四号单光子探测器254输出的信号，

伪随机编码控制器150的编码序列信号输出端连接码元转换器270的编码序列信号输入端，码元转换器270的编码信号输出端连接同步信号处理系统260的编码信号输入端，

同步信号处理系统260对同步采集的四路信号进行处理以获得回波信号光的偏振度。

基于上述探测系统的探测方法包括如下步骤：

信号光调试步骤：

打开脉冲激光器110，使得一号单光子探测器251、二号单光子探测器252、三号单光子探测器253和四号单光子探测器254均能够接收到回波信号光；

斯托克斯参量设定步骤：

设接收光学系统210采集的回波信号光的斯托克斯参量为：

(S₀ S₁ S₂ S₃)^T

其中，S₀、S₁、S₂、S₃分别是归一化的斯托克斯参量的四个参数，

由于一号分光器221、二号分光器222和三号分光器223将回波信号光分为四路，设回波信光号的总强度为I₀，则每一路回波信号光斯托克斯参量的强度Stokes为：

探测器相应光强获得步骤：

四号单光子探测器254的斯托克斯参量Stokes1为：

其中，是90°放置的检偏器的作用矩阵，且

则单光子探测器254响应光强I_s(1)为：

将上式表示成光电子数的形式N_s(1)，即为：

其中h是普朗克常量，υ是光的频率

三号单光子探测器253的斯托克斯参量Stokes2为：

则三号单光子探测器253响应光强I_s(2)为：

将上式表示成光电子数的形式N_s(2)，即为：

二号单光子探测器252的斯托克斯参量Stokes3为：

则二号单光子探测器252响应光强I_s(3)为：

将上式表示成光电子数的形式N_s(3)，即为：

一号单光子探测器251的斯托克斯参量Stokes1为：

则一号单光子探测器251响应光强I_s(4)为：

将上式表示成光电子数的形式N_s(4)，即为：

偏振度信息获得步骤：

根据四路信号的推导联立可以得到斯托克斯参量和四个探测器信号强度的关系，即斯托克斯参量解算公式：

设脉冲激光器110发射的脉冲个数为M个，在四个单光子探测器对极微弱光的强度进行测量时，第i路信号的雪崩脉冲数为K(i)，i＝1,2,3,4，则探测概率P(i)为：

则入射至四个单光子探测器的光电子总数分别为：

根据四个单光子探测器的计数，分别算出各路的光电子数形式的光强，带入斯托克斯参量解算公式，并通过归一化处理，就能够获得回波信号光的斯托克斯参量(S₀ S₁ S₂S₃)^T，然后根据偏振度的公式获得目标的偏振度信息P：

本发明所述的一种极微弱光信号偏振度探测系统及基于该系统的探测方法，将已偏振调制的光信号照射目标，将回波信号光进行四路分光并用Gm-APD(单光子探测器)进行光子计数。根据计数结果可得到回波信号光的光子偏振信息，从而达到识别目标的目的。本发明采用Gm-APD进行光子计数，响应灵敏度已经达到单光子量级，突破了传统雷达遇到的计数瓶颈，并依据响应计数实现了极微弱信号的偏振度的解算。

本发明的有益效果是：

(1)响应灵敏度达到单光子量级，突破了传统雷达在弱信号下遇到的响应灵敏度的瓶颈；

(2)给出了单光子级别微弱信号偏振信息获取方法。

本发明适用于远距离目标识别探测及单光子级别的微弱光信号检测。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种极微弱光信号偏振度探测系统的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种极微弱光信号偏振度探测系统，包括：发射部和接收部；

发射部包括：脉冲激光器110、发射部起偏器120、发射部1/4波片130、发射光学系统140和伪随机编码控制器150，

伪随机编码控制器150的编码序列信号输出端连接脉冲激光器110的编码序列信号输入端，脉冲激光器110发出的脉冲激光依次经过发射部起偏器120和发射部1/4波片130透射至发射光学系统140，发射光学系统140对入射光进行准直扩束并出射至待探测目标；

接收部包括：接收光学系统210、一号分光器221、二号分光器222、三号分光器223、接收部1/4波片230、接收部一号起偏器241、接收部二号起偏器242、接收部三号起偏器243、一号单光子探测器251、二号单光子探测器252、三号单光子探测器253、四号单光子探测器254、码元转换器270和同步信号处理系统260，

接收光学系统210用于聚焦并采集探测目标返回的信号光，接收光学系统210的出射光经一号分光器221分束为一号透射光和一号反射光，一号透射光经二号分光器222分束为二号透射光和二号反射光，一号反射光经三号分光器223分束为三号透射光和三号反射光，二号反射光依次经过接收部1/4波片230和接收部一号起偏器241透射至二号单光子探测器252的光敏面上，二号透射光经过接收部三号起偏器243透射至三号单光子探测器253的光敏面上，三号透射光入射至一号单光子探测器251的光敏面上，三号反射光经过接收部二号起偏器242透射至四号单光子探测器254的光敏面上，同步信号处理系统260同步采集一号单光子探测器251、二号单光子探测器252、三号单光子探测器253和四号单光子探测器254输出的信号；

伪随机编码控制器150的编码序列信号输出端连接码元转换器270的编码序列信号输入端，码元转换器270的编码信号输出端连接同步信号处理系统260的编码信号输入端，

同步信号处理系统260对同步采集的四路信号进行处理以获得回波信号光的偏振度。

发射部中，脉冲激光器110发出的脉冲激光经发射部起偏器120透射后获得完全线偏振光，完全线偏振光经发射部1/4波片130进行偏振调制后入射至发射光学系统140，发射光学系统140对入射光进行准直扩束并照射至待探测目标；伪随机编码控制器首先产生随机的0/1编码序列，其中0和1码元所占的比例是均等的，都是50％，但位置是随机的。1就是一个高电平可以控制激光器产生脉冲，0是一个低电平的空位，这时激光器不发射脉冲，这样激光脉冲就被伪随机编码进行调控发射出去。

接收部中，将回波信号光进行四路分光，分别通过不同光学元件，最后由Gm-APD计数，经过大量的统计，根据4个Gm-APD的响应计数可解算到回波信号光的偏振度。采用Gm-APD对回波信号光进行光子计数，响应灵敏度达到光子量级。

本实施方式重要的创新之处在于设计了伪随机编码控制系统，一路伪随机编码控制激光器产生激光信号，另一路经过码元转换器，将原来的1保留，而将对应的空位0码元转换成-1，该码元的大小于1相等，符号正好相反。这样转换后的码元序列等待着和四个探测器的回波信号进行相关检测，相关峰累计出的就是对应探测器的光电子计数的情况N_s(1),N_s(2),N_s(3),N_s(4)。好处是，在微弱信号情况下可以去除噪声的影响，由于噪声是随机出现的，而且1和-1的码元概率相等，因此噪声出现在1码元位置和-1码元位置的概率相等，经过大小相等符号相反的累计，噪声的平均值正好可以为0，有效的去除了噪声的影响，有效的提高了本实施方式极微弱光信号偏振度探测系统的探测能力。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种极微弱光信号偏振度探测系统作进一步说明，本实施方式中，接收部二号起偏器242的起偏角为90°，接收部一号起偏器241和接收部三号起偏器243的起偏角均为45°，接收部1/4波片230的方位角为0°。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种极微弱光信号偏振度探测系统作进一步说明，本实施方式中，同步信号处理系统260包括以下单元：

斯托克斯参量设定单元：

设接收光学系统210采集的回波信号光的斯托克斯参量为：

(S₀ S₁ S₂ S₃)^T

其中，S₀、S₁、S₂、S₃分别是归一化的斯托克斯参量的四个参数，

由于一号分光器221、二号分光器222和三号分光器223将回波信号光分为四路，设回波信光号的总强度为I₀，则每一路回波信号光斯托克斯参量的强度Stokes为：

探测器相应光强获得单元：

四号单光子探测器254的斯托克斯参量Stokes1为：

其中，是90°放置的检偏器的作用矩阵，且

则单光子探测器254响应光强I_s(1)为：

将上式表示成光电子数的形式N_s(1)，即为：

其中h是普朗克常量，υ是光的频率

三号单光子探测器253的斯托克斯参量Stokes2为：

其中，是45°放置的检偏器的作用矩阵，且：

则三号单光子探测器253响应光强I_s(2)为：

将上式表示成光电子数的形式N_s(2)，即为：

二号单光子探测器252的斯托克斯参量Stokes3为：

其中，M_1/4(0°)是0°放置的1/4波片的作用矩阵，且：

则二号单光子探测器252响应光强I_s(3)为：

将上式表示成光电子数的形式N_s(3)，即为：

一号单光子探测器251的斯托克斯参量Stokes1为：

则一号单光子探测器251响应光强I_s(4)为：

将上式表示成光电子数的形式N_s(4)，即为：

偏振度信息获得单元：

根据四路信号的推导联立可以得到斯托克斯参量和四个探测器信号强度的关系，即斯托克斯参量解算公式：

在实际应用中，一次测量使用一组长度为2M个码元的信号脉冲序列，由于初始的设置1和0(即有无脉冲的概率相等)，因此发射的脉冲个数应该为M个。在四个单光子探测器对极微弱光的强度进行测量时，计数的结果分别和码元转换后的1和-1序列进行相关统计，这样噪声的计数就可以去除，剩下的相关峰对应的就是信号的计数情况(信号的雪崩脉冲数)，为K(i)，其中i表示第几路信号，i＝1,2,3,4。

在第i路信号的雪崩脉冲数为K(i)，则探测概率P(i)为：

则入射至四个单光子探测器的光电子总数分别为：

根据四个单光子探测器的计数，分别算出各路的光电子数形式的光强，带入斯托克斯参量解算公式，并通过归一化处理，就能够获得回波信号光的斯托克斯参量(S₀ S₁ S₂S₃)^T，然后根据偏振度的公式获得目标的偏振度信息P：

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种极微弱光信号偏振度探测系统作进一步说明，在四路光子斯托克斯参量探测光路中，所使用的光学元件不是完全理想的，在试验中探测结果与实际值的偏差较大，即回波信号光进入到接收机的斯托克斯参量S_in与最终经过接收系统到达探测器的斯托克斯参量S_out并不完全相等，而非理想的试验系统可看成一个矩阵N，即有关系S_in＝N*S_out，如果能通过试验找到仪器矩阵N，根据所探测得到的含误差斯托克斯参量结合上式依然可以反推出刚入射到接收机的斯托克斯参量(即回波信号光的斯托克斯参量，没经过接收系统影响的)，

因此，本实施方式中给出了斯托克斯参量的获得系统包括：

参量设定单元：

设实际信号光斯托克斯参量为(S₀',S₁',S₂',S₃')^T，

探测得到的斯托克斯参量为(S₀,S₁,S₂,S₃)^T，

非理想的仪器矩阵

则有关系式：

将上述关系式展开获得：

仪器矩阵N获得单元：

对发射部起偏器120和发射部1/4波片130进行n次调节，使得各单光子探测器获得n种探测光，建立n个斯托克斯参量与仪器矩阵元之间的方程：

S₀'¹＝m₁₁S₀¹+m₁₂S₁¹+m₁₃S₂¹+m₁₄S₃¹

S₁'¹＝m₂₁S₀¹+m₂₂S₁¹+m₂₃S₂¹+m₂₄S₃¹

S₂'¹＝m₃₁S₀¹+m₃₂S₁¹+m₃₃S₂¹+m₃₄S₃¹

S₃'¹＝m₄₁S₀¹+m₄₂S₁¹+m₄₃S₂¹+m₄₄S₃¹

S₀'²＝m₁₁S₀²+m₁₂S₁²+m₁₃S₂²+m₁₄S₃²

S₁'²＝m₂₁S₀²+m₂₂S₁²+m₂₃S₂²+m₂₄S₃²

S₃'ⁿ＝m₄₁S₀ⁿ+m₄₂S₁ⁿ+m₄₃S₂ⁿ+m₄₄S₃ⁿ

对以上方程给定一个最小二乘解，进而最靠近真实值的仪器矩阵N；

斯托克斯参量获得单元：

利用上述仪器矩阵N反推出入射至各单光子探测器的斯托克斯参量。

本实施方式共有16个未知量，在一次测量中可建立4个方程，理论上说只需测量四次即可完全确定仪器矩阵。但由于偏振片透振方向与波片的晶轴方向指向并不是完美的，还有弱光条件下光子数起伏会对探测结果产生较大的影响。另外M矩阵可能是奇异矩阵，方程组可能无解。故需要多次调节偏振片与波片的指向，产生多种不同偏振态的光，经探测，建立多个斯托克斯参量与仪器矩阵元之间的方程。

具体实施方式五：本实施方式所述的基于一种极微弱光信号偏振度探测系统的探测方法，所述系统包括：发射部和接收部；

发射部包括：脉冲激光器110、发射部起偏器120、发射部1/4波片130、发射光学系统140和伪随机编码控制器150，

伪随机编码控制器150的编码序列信号输出端连接脉冲激光器110的编码序列信号输入端，脉冲激光器110发出的脉冲激光依次经过发射部起偏器120和发射部1/4波片130透射至发射光学系统140，发射光学系统140对入射光进行准直扩束并出射至待探测目标；

接收部包括：接收光学系统210、一号分光器221、二号分光器222、三号分光器223、接收部1/4波片230、接收部一号起偏器241、接收部二号起偏器242、接收部三号起偏器243、一号单光子探测器251、二号单光子探测器252、三号单光子探测器253、四号单光子探测器254和码元转换器270，

接收光学系统210用于聚焦并采集探测目标返回的信号光，接收光学系统210的出射光经一号分光器221分束为一号透射光和一号反射光，一号透射光经二号分光器222分束为二号透射光和二号反射光，一号反射光经三号分光器223分束为三号透射光和三号反射光，二号反射光依次经过接收部1/4波片230和接收部一号起偏器241透射至二号单光子探测器252的光敏面上，二号透射光经过接收部三号起偏器243透射至三号单光子探测器253的光敏面上，三号透射光入射至一号单光子探测器251的光敏面上，三号反射光经过接收部二号起偏器242透射至四号单光子探测器254的光敏面上，，伪随机编码控制器150的编码序列信号输出端连接码元转换器270的编码序列信号输入端；

所述方法包括如下步骤：

信号光调试步骤：

打开脉冲激光器110，使得一号单光子探测器251、二号单光子探测器252、三号单光子探测器253和四号单光子探测器254均能够接收到回波信号光；

斯托克斯参量设定步骤：

设接收光学系统210采集的回波信号光的斯托克斯参量为：

(S₀ S₁ S₂ S₃)^T

其中，S₀、S₁、S₂、S₃分别是归一化的斯托克斯参量的四个参数，

由于一号分光器221、二号分光器222和三号分光器223将回波信号光分为四路，设回波信光号的总强度为I₀，则每一路回波信号光斯托克斯参量的强度Stokes为：

探测器相应光强获得步骤：

四号单光子探测器254的斯托克斯参量Stokes1为：

其中，是90°放置的检偏器的作用矩阵，且

则单光子探测器254响应光强I_s(1)为：

将上式表示成光电子数的形式N_s(1)，即为：

其中h是普朗克常量，υ是光的频率

三号单光子探测器253的斯托克斯参量Stokes2为：

则三号单光子探测器253响应光强I_s(2)为：

将上式表示成光电子数的形式N_s(2)，即为：

二号单光子探测器252的斯托克斯参量Stokes3为：

则二号单光子探测器252响应光强I_s(3)为：

将上式表示成光电子数的形式N_s(3)，即为：

一号单光子探测器251的斯托克斯参量Stokes1为：

则一号单光子探测器251响应光强I_s(4)为：

将上式表示成光电子数的形式N_s(4)，即为：

偏振度信息获得步骤：

根据四路信号的推导联立可以得到斯托克斯参量和四个探测器信号强度的关系，即斯托克斯参量解算公式：

设脉冲激光器(110)发射的脉冲个数为M个，在四个单光子探测器对极微弱光的强度进行测量时，第i路信号的雪崩脉冲数为K(i)，i＝1,2,3,4，则探测概率P(i)为：

则入射至四个单光子探测器的光电子总数分别为：

根据四个单光子探测器的计数，分别算出各路的光电子数形式的光强，带入斯托克斯参量解算公式，并通过归一化处理，就能够获得回波信号光的斯托克斯参量(S₀ S₁ S₂S₃)^T，然后根据偏振度的公式获得目标的偏振度信息P：

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的基于一种极微弱光信号偏振度探测系统的探测方法作进一步说明，斯托克斯参量的获得方法包括以下步骤：

参量设定步骤：

设实际信号光斯托克斯参量为(S₀',S₁',S₂',S₃')^T，

探测得到的斯托克斯参量为(S₀,S₁,S₂,S₃)^T，

非理想的仪器矩阵

则有关系式：

将上述关系式展开获得：

仪器矩阵N获得步骤：

对发射部起偏器120和发射部1/4波片130进行n次调节，使得各单光子探测器获得n种探测光，建立n个斯托克斯参量与仪器矩阵元之间的方程：

S₀'¹＝m₁₁S₀¹+m₁₂S₁¹+m₁₃S₂¹+m₁₄S₃¹

S₁'¹＝m₂₁S₀¹+m₂₂S₁¹+m₂₃S₂¹+m₂₄S₃¹

S₂'¹＝m₃₁S₀¹+m₃₂S₁¹+m₃₃S₂¹+m₃₄S₃¹

S₃'¹＝m₄₁S₀¹+m₄₂S₁¹+m₄₃S₂¹+m₄₄S₃¹

S₀'²＝m₁₁S₀²+m₁₂S₁²+m₁₃S₂²+m₁₄S₃²

S₁'²＝m₂₁S₀²+m₂₂S₁²+m₂₃S₂²+m₂₄S₃²

S₃'ⁿ＝m₄₁S₀ⁿ+m₄₂S₁ⁿ+m₄₃S₂ⁿ+m₄₄S₃ⁿ

对以上方程给定一个最小二乘解，进而最靠近真实值的仪器矩阵N；

斯托克斯参量获得步骤：

利用上述仪器矩阵N反推出入射至各单光子探测器的斯托克斯参量。