本发明属于激光探测技术领域，具体涉及一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置。
背景技术：
本发明所涉及的水下目标激光探测系统，是一种通过测量脉冲飞行时间实现水下目标探测的系统。该系统通过测量从发射激光脉冲到收到目标回波脉冲之间的时间，结合光在水介质中的传播速度计算待测目标的距离。首先由脉冲激光光源发射信号光束，该光束在光路中分成两部分，一部分光束用光电探测器接收，光电探测器接收到的光信号转换为电信号后输入到数据采集系统，数据采集系统对该信号进行存储并记录下原始脉冲峰值对应的时刻；另一部分光束照射待测目标，并利用另一光电探测器记录由目标散射的回波信号，由光电探测器将回波信号转换为电信号后输入到同一数据采集系统，数据采集系统将该电信号存储并记录下脉冲峰值对应的时刻，通过原始脉冲峰值对应时刻与回波脉冲峰值对应时刻的时间差即可计算出待测目标距离。
这种方式充分利用激光波长短、方向性好等特点，具有快速、准确、清晰等独特优势，但缺点是一方面由于不同水介质对光波具有的强衰减特性，极大的制约了水下目标探测距离；另一方面，水下环境对光束的后向散射作用影响了激光测距精度和成像效果。若要提高探测距离和探测精度，传统技术手段是增加激光器发射功率，并采用具有极窄脉冲的激光，这不仅极大的增加了激光器的体积和成本，同时对水下应用平台也提出了更高的要求，不利于军事和民用对水下目标探测高效、高精度的应用需求。
技术实现要素：
为解决以上难题，本发明提出一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置。该装置采用时间相关单光子计数方法，即将传统线性探测体制下对回波强度的探测转换为针对单个回波光子的随时间的统计“计数”，通过充分利用回波信号中单光子级别的能量，能够将传统激光探测系统的探测灵敏度提高2～3个数量级，可用于水下目标的远距离、高精度探测。
一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置，包括：
窄脉冲激光器、光隔离器组件、光电探测模块、时间相关单光子计数系统、延时模块、光束整形系统、单光子探测模块和信号处理器；由窄脉冲激光器发射脉冲光，经光隔离器组件分光，将所述脉冲光分为两部分：一部分脉冲光入射到光电探测模块，所述光电探测模块对接收到的脉冲光进行光电转换，光电转换后的电信号分别输入到时间相关单光子计数系统和延时模块，其中输入到时间相关单光子计数系统的电信号作为计时起始信号，输入到延时模块的电信号作为距离选通控制信号；另一部分脉冲光经光束整形系统进行光束整形后照射到目标，目标反射的回波信号由单光子探测模块接收，该接收的回波信号作为计时终止信号输入到时间相关单光子计数系统；最后由信号处理器对时间相关单光子计数系统获取的信号进行处理后即可获取目标信息。
进一步的，所述的窄脉冲激光器输出脉冲脉宽小于等于1ns，重频大于等于19khz。
进一步的，所述的光隔离器组件由格兰棱镜、四分之一波片、半波片组成。
进一步的，所述的光电探测模块为具有双通道的光电探测模块。
进一步的，所述的时间相关单光子计数系统为具有双通道的时间相关单光子计数系统，时间分辨率为ps量级。
进一步的，所述的延时模块可输出延迟和占空比可调的触发信号和脉冲信号。
进一步的，所述的光束整形系统由双透镜组成。
进一步的，所述的单光子探测模块为具有门控选通功能的单光子探测模块，暗计数率25hz、探测死时间24ns～35ns、时间抖动300ps～400ps、计数率大于20mhz。
进一步的，所述的信号处理器为具有单光子信号提取功能的信号处理器。
根据上述技术方案，本发明的有益效果为：
1.使用脉冲脉宽小于1ns的窄脉冲激光器，降低由激光脉宽时间抖动对系统测距精度引入的影响，有利于减小系统测距误差。
2.提出使用时间相关单光子计数系统对水下目标进行探测，通过对目标回波信号光子出现的概率进行统计，代替传统探测技术对回波信号强度进行探测，该计数系统的时间分辨精度达ps量级，能够实现水下目标回波信号中各个光子到达时间的精确测量，提高了水下目标的距离测量精度。
3.提出使用单光子探测模块探测水下目标回波信号，单光子探测模块能够响应单光子级别的能量，比传统光电探测器的探测灵敏度提高2～3个数量级，在激光器相同发射功率下，探测距离可提高一个数量级以上，有利于实现水下激光探测系统的低功耗和小型化。
4.使用延时模块和单光子探测模块的门控选通功能实现距离选通，降低水中后向散射光的噪声、背景噪声以及暗计数噪声的影响，提高接收信号光的信噪比和探测概率。
附图说明
图1为基于单光子计数方法的水下目标探测装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，基于单光子计数方法的水下目标探测装置，包括窄脉冲激光器1、光隔离器组件2、光电探测模块3、时间相关单光子计数模块4、延时模块5、光束整形系统6、单光子探测模块7和信号处理器8；由窄脉冲激光器1发射532nm绿光，经光隔离器组件2分为两部分，一部分直接入射到光电探测模块3，由光电探测模块3将接收到的光信号转换为电信号后分别输入到时间相关单光子计数系统4和延时模块5，其中输入到时间相关单光子计数系统的信号作为计时起始信号，输入到延时模块的信号作为距离选通控制信号，用于控制单光子探测模块7的选通时间；另一部分光经光束整形系统6扩束后照射待测目标，由待测目标反射的信号入射到单光子探测模块7，该信号作为计时终止信号输入到时间相关单光子计数系统4，最后由信号处理器8对时间相关单光子计数系统获取的起始信号和终止信号处理后即可获取目标信息。
其中，所述目标信息包括：距离信息。
所述的激光器为窄脉冲激光器，脉宽小于1ns，重频大于19khz，满足水下目标高精度探测的使用要求；所述的光隔离器组件由格兰棱镜、四分之一波片、半波片组成，其中格兰棱镜用于对不同偏振态的光分束，四分之一波片和半波片可实现线偏振光和圆偏振光的转换，三者组合可实现光束的收发隔离；所述的光电探测模块具有双通道，其中一个通道的信号作为计时起始信号，另一个通道的信号作为距离选通控制信号，量子效率为40％，接收光敏面直径5mm；所述的时间相关单光子计数模块，时间分辨率达ps量级，其时间分辨率可达4ps，时间精度小于12ps，可实现信号到达时间的精密计时；所述的延时模块可输出延迟和占空比可调的触发信号和脉冲信号，实现选通时间的调节；所述的光束整形系统由两个透镜组成，其间距等于两个透镜的焦距之和，用于对发射信号的扩束整形；所述的单光子探测模块具有门控选通功能，暗计数率25hz、探测死时间24ns～35ns、时间抖动300ps～400ps、计数率大于20mhz，可实现单光子信号的探测；所述的信号处理器具有单光子信号提取功能，可有效提取微弱信号信息。
与现有技术相比，本发明使用窄脉冲激光器，降低由激光脉宽时间抖动对系统测距精度引入的影响，有利于减小系统测距误差；本发明提出使用时间相关单光子计数系统对水下目标进行探测，通过对目标回波信号光子出现的概率进行统计，代替传统探测技术对回波信号强度的探测，该计数系统的时间分辨精度达ps量级，能够实现水下目标回波信号中各个光子到达时间的精确测量，提高了水下目标的距离测量精度；提出使用单光子探测模块探测水下目标回波信号，单光子探测模块能够响应单光子级别的能量，比传统光电探测器的探测灵敏度提高2～3个数量级，在激光器相同发射功率下，探测距离可提高一个数量级以上，有利于实现水下激光探测系统的低功耗和小型化；本发明使用延时模块和单光子探测模块的门控选通功能实现距离选通，降低水中后向散射光的噪声、背景噪声以及暗计数噪声的影响，提高接收信号光的信噪比和探测概率。
根据上述具体实施方式的介绍可知，本发明是一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置，相比传统水下目标激光探测技术，探测精度高、灵敏度高，有利于水下激光探测系统的低功耗和小型化；通过结合扫描成像技术，本发明可开展水下目标成像试验，为水下目标高精度探测及成像试验提供技术支持。
上述具体实施方式仅用于解释和说明本发明的权利要求，并不能构成对权利要求的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明的技术方案的基础上进行的任何简单的修改、变形或替换，而得到的新的技术方案，均将落入本发明的保护范围之内。