一种单光子量级的振动及三维成像复合系统

本发明涉及单光子成像，特别是涉及一种单光子量级的振动及三维成像复合系统。

背景技术：

1、由于国防和工业生产对测量的精度要求越来越高，精密测量技术的发展日益重要，而测距和微弱振动测量技术在精密测量领域中一直是一项重要的研究议题，在军事、工业大尺寸物体测量、空间测量、自动驾驶等方面都有重要的应用。近年来，激光测距技术凭借其精度高、非接触式等优点在各个领域发展迅速。

2、激光测距技术包括干涉法、相位法、脉冲法、频率调制连续波法等，其中频率调制连续波激光测距技术将微波雷达与激光的优点相结合，凭借较好的实时性和较强的抗干扰能力成为近年来国内外热点研究议题，并在非接触式大尺寸测量领域广泛应用。该技术中，经光学系统在探测光和参考光干涉后，进行光电转换，经过处理后的拍频信号频率与测量距离之间具成一定的线性关系，因此，调频连续波激光雷达(fmcw)激光测距的关键问题是能否对拍频信号的频率进行准确的估计。然而，随着测量距离的逐渐增加、对测距精度需求的逐步提高，拍频信号的频率值也随之提高，这使得拍频信号在采集与频率估计上存在一定的难度。

3、对目标的距离以及振动信息获取是雷达获取空间图像的关键技术，而调频连续波激光雷达(fmcw)作为获取空间图像信息的关键技术，其发展也受到各国的关注。调频连续波激光雷达同其他体系结构相比，能够满足远距离高精度的测量，具有很强的多目标识别能力和抗干扰能力，可以满足在有障碍物遮蔽的情况下进行目标探测的需求。

4、但在传统的fmcw激光测距技术中，估计拍频信号的频率主要依据奈奎斯特采样定理，以2倍拍频信号频率的采样频率进行信号采样，然后经快速傅里叶变换(fast fouriertransform，fft)得到拍频信号的频率信息。而在实际场景中，考虑到环境噪声等方面的影响，为避免栅栏效应和频谱混叠现象发生，为了满足对拍频信号进行完整的采集，以提高其频率估计的准确度的目的，往往以远高于奈奎斯特采样定理要求的采样率进行采集，而由于测距精度要求越来越高，对于拍频信号的频率估计，传统的方法不仅会降低频率分辨率，且会因为高速采集对硬件提出较高的要求，而且成本要求较高，后续大量的数据处理给实际应用带来巨大的压力。

5、在人类的生产生活中，振动是时刻存在的，环境中的机械扰动、空气湍流等因素都会使得物体发生微小的振动。传统上，大多数振动监测都是使用加速度计这种与物体接触的振动传感器。然而，在某些较为复杂的应用场景中，接触式传感器无法满足振动探测的需要。如对于桥梁结构的监测，由于桥梁结构复杂，会导致安装接触式传感器较为困难，也会产生较高的维护费用。因此实现目标振动的非接触式监测具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种单光子量级的振动及三维成像复合系统，基于量子压缩感知理论，突破了奈奎斯特采样定律得理论极限，通过离散稀疏光子信号来恢复高频拍频信号的频域信息，从而获得被测目标信息，解决了传统相干探测无法探测单光子量级拍频信号的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种单光子量级的振动及三维成像复合系统，包括光学发射模块、光学探测模块和数据处理模块；

3、光学发射模块包括信号发生器、1550nm可调谐激光源和光纤分束器，信号发生器输出信号给1550nm可调谐激光源，1550nm可调谐激光源发出经过调制后的激光束作为待测出射光，光纤分束器将待测出射光分为探测光和参考光，探测光照射到待测目标，待测目标产生漫反射光；

4、光学探测模块包括扫描镜、空间分束器和单光子探测器，扫描镜接收待测目标漫反射光信息并传输至空间分束器与参考光干涉产生拍频信号，拍频信号经过可调光衰减器衰减后由单光子探测器接收然后传入数据处理模块；

5、数据处理模块包括用于收集数据的时间间隔分析仪和用于处理数据的数据分析单元，数据分析单元将时间间隔分析仪收集得到的信息进行数据处理，还原出目标的距离、速度、振动以及三维图像信息。

6、优选的，1550nm可调谐激光源包括相位调制器和激光器，通过激光器控制面板将激光器的带宽调谐至太赫兹量级，信号发生器输出调制信号给相位调制器，激光器输出的激光经过相位调制器调制后准直输出。

7、优选的，光纤分束器将待测出射光分为90％探测光和10％参考光。

8、优选的，扫描镜与待测目标之间还设有透镜组，透镜组包括焦距f＝175mm的透镜一和焦距f＝50mm的透镜二，透镜一与透镜二之间还设有用于滤除背景噪声的光阑；

9、待测目标的漫反射光由透镜组收集后传输给扫描镜，扫描镜对每个像素点进行扫描得到待测目标的二维强度分布信息，根据二维强度分布信息得到待测目标的二维图像。

10、优选的，数据处理模块将每个像素点的距离信息和扫描镜扫描得到的二维强度分布信息结合处理得到待测目标的三维图像信息。

11、优选的，单光子探测器接收到的拍频信号传入时间间隔分析仪收集得到光子飞行的时间序列；

12、时间序列传入数据分析单元存储并通过傅里叶变换得到拍频信号的频域信息；

13、根据拍频信号的频域信息、已知的频率调制的带宽和周期计算得出对应的目标距离l，计算公式如下：

14、

15、其中，t为频率调制周期，c为光速，b为频率调制带宽，n为折射率，fb为拍频频率；

16、待测目标以一定的速度运动产生多普勒频移，根据红移和蓝移之间的频率间隔得知多普勒频移量，最后得出目标运动的速度v，计算公式如下：

17、

18、其中，fs为多普勒频移量，f为信号频率，c为光速；

19、通过对振动目标探测得到的振动测试频谱图中可以得到三个峰，左右两个峰与中间峰值中心频率之间的间隔反映出待测目标的振动频率。

20、优选的，单光子探测器参照非均匀采样理论从接收到的拍频信号中随机选择时间序列传入时间间隔分析仪。

21、本发明的有益效果：

22、1)本发明基于单光子调制解调技术实现了单光子量级拍频信号的探测，实现单光子量级fmcw激光测距。

23、2)本发明基于非均匀采样理论，实现数据压缩，突破了奈奎斯特采样定律得理论极限，通过低采样率来获取高频信号的频域信息，实现单光子量级高频信号的直接获取，有效消除频率混叠现象，实现宽带测量。

24、3)本发明基于fmcw实现远距离目标和振动得同步测量，在此基础上可以同时实现待测目标的三维图像还原。

25、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种单光子量级的振动及三维成像复合系统，其特征在于：包括光学发射模块、光学探测模块和数据处理模块；

2.根据权利要求1所述的一种单光子量级的振动及三维成像复合系统，其特征在于：1550nm可调谐激光源包括相位调制器和激光器，通过激光器控制面板将激光器的带宽调谐至太赫兹量级，信号发生器输出调制信号给相位调制器，激光器输出的激光经过相位调制器调制后准直输出。

3.根据权利要求1所述的一种单光子量级的振动及三维成像复合系统，其特征在于：光纤分束器将待测出射光分为90％探测光和10％参考光。

4.根据权利要求1所述的一种单光子量级的振动及三维成像复合系统，其特征在于：扫描镜与待测目标之间还设有透镜组，透镜组包括焦距f＝175mm的透镜一和焦距f＝50mm的透镜二，透镜一与透镜二之间还设有用于滤除背景噪声的光阑；

5.根据权利要求1所述的一种单光子量级的振动及三维成像复合系统，其特征在于：数据处理模块将每个像素点的距离信息和扫描镜扫描得到的二维强度分布信息结合处理得到待测目标的三维图像信息。

6.根据权利要求1所述的一种单光子量级的振动及三维成像复合系统，其特征在于：单光子探测器接收到的拍频信号传入时间间隔分析仪收集得到光子飞行的时间序列；

7.根据权利要求6所述的一种单光子量级的振动及三维成像复合系统，其特征在于：单光子探测器参照非均匀采样理论从接收到的拍频信号中随机选择后传入时间间隔分析仪。

技术总结
本发明公开了一种单光子量级的振动及三维成像复合系统，包括光学发射模块、光学探测模块和数据处理模块；光学发射模块包括信号发生器、1550nm可调谐激光源和光纤分束器，光学探测模块包括扫描镜、空间分束器和单光子探测器，数据处理模块包括用于收集数据的时间间隔分析仪和用于处理数据的数据分析单元，数据分析单元将信息进行处理，还原出目标的距离、速度、振动以及三维图像信息。本发明采用上述一种单光子量级的振动及三维成像复合系统，基于量子压缩感知理论，突破了奈奎斯特采样定律的理论极限，通过离散稀疏光子信号来恢复高频拍频信号的频域信息，从而获得被测目标信息，解决了传统相干探测无法探测单光子量级拍频信号的问题。

技术研发人员：牛鸿琪,胡建勇,杨柳,杨昌钢,李海珍,秦成兵,陈瑞云,张国峰,肖连团
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14