基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置及多維信息探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置及多維信息探測(cè)方法，屬于激 光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)的探測(cè)一直都是一個(gè)技術(shù)難題，百公里甚至千公里小目 標(biāo)回波信號(hào)十分的微弱，甚至平均每個(gè)回波脈沖不足一個(gè)光子，運(yùn)是傳統(tǒng)激光雷達(dá)無(wú)法響 應(yīng)的。單光子探測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)極大的提高了激光雷達(dá)探測(cè)靈敏度，但是卻只能響應(yīng)信號(hào)的 有無(wú)，不能響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度，因此急需遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)多維信息的探測(cè)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域中遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)回波遇到靈敏度極 限的問(wèn)題，提供了一種基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置及多維信息探測(cè)方法。
[0004] 本發(fā)明所述基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置，它包括同步控制模塊、激光器、 偏振態(tài)編碼器、發(fā)射光學(xué)器、接收光學(xué)器、=個(gè)分光器、全反射鏡、檢偏器、四分之一波片、 二分之一波片、第一單光子探測(cè)器Gm-APD、第二單光子探測(cè)器Gm-APD、第=單光子探測(cè)器 Gm-APD、第四單光子探測(cè)器Gm-Aro和同步信號(hào)處理器； 陽(yáng)0化]同步控制模塊產(chǎn)生同步信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光器，激光器產(chǎn)生高保偏度的脈沖信號(hào)，同時(shí) 同步控制模塊將同步信號(hào)輸出至偏振態(tài)編碼器，偏振態(tài)編碼器將脈沖信號(hào)進(jìn)行水平、垂直、 對(duì)角和反對(duì)角偽隨機(jī)的脈沖序列調(diào)制，調(diào)制后的激光經(jīng)過(guò)發(fā)射光學(xué)器的準(zhǔn)直擴(kuò)束照射目 標(biāo)，目標(biāo)的回波信號(hào)入射至接收光學(xué)器，接收光學(xué)器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行聚焦收集，然后通過(guò)= 個(gè)分光器將回波信號(hào)分為四路信號(hào)，一路信號(hào)經(jīng)過(guò)全反射鏡的反射后入射至第一單光子探 測(cè)器Gm-APD，第一單光子探測(cè)器Gm-Aro對(duì)一路信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，二路信號(hào)經(jīng)過(guò)檢偏器的起偏 后入射至第二單光子探測(cè)器Gm-APD，第二單光子探測(cè)器Gm-Aro對(duì)二路信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，立路 信號(hào)經(jīng)過(guò)四分之一波片的透射和檢偏器的起偏后入射至第=單光子探測(cè)器Gm-APD，四路信 號(hào)經(jīng)過(guò)二分之一波片的透射和檢偏器的起偏后入射至第四單光子探測(cè)器Gm-APD;
[0006] 同步信號(hào)處理器根據(jù)第一單光子探測(cè)器Gm-APD、第二單光子探測(cè)器Gm-APD、第= 單光子探測(cè)器Gm-ATO和第四單光子探測(cè)器Gm-ATO探測(cè)的脈沖信號(hào)獲得回波的脈沖序列， 同步信號(hào)處理器根據(jù)回波的脈沖序列和同步控制模塊產(chǎn)生的同步信號(hào)獲得目標(biāo)的距離、強(qiáng) 度和偏振的多維信息。
[0007] 本發(fā)明所述基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置的多維信息探測(cè)方法，該多維信息 探測(cè)方法的具體過(guò)程為：
[0008] 步驟1、同步控制模塊、激光器和偏振態(tài)編碼器同時(shí)工作，產(chǎn)生具有四種偏振態(tài)的 四個(gè)不同碼值的偽隨機(jī)編碼脈沖序列；
[0009] 步驟2、發(fā)射光學(xué)器將步驟1產(chǎn)生的偽隨機(jī)編碼脈沖序列發(fā)射出去；
[0010] 步驟3、目標(biāo)接收到偽隨機(jī)編碼脈沖序列，目標(biāo)的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)往返時(shí)間的延遲返 回到接收光學(xué)器；
[0011] 步驟4、回波信號(hào)經(jīng)過(guò)四路單光子探測(cè)器Gm-Aro測(cè)量斯托克斯參量，獲取四路偏 振分光，分別探測(cè)出四個(gè)偏振態(tài)的編碼序列信號(hào)；
[0012] 步驟5、同步信號(hào)處理器根據(jù)步驟4獲取的四個(gè)偏振態(tài)的編碼序列信號(hào)和步驟1獲 取的四個(gè)不同碼值的偽隨機(jī)編碼脈沖序列，獲取相關(guān)峰；
[0013] 步驟6、同步信號(hào)處理器判斷相關(guān)峰是否大于等于闊值，如果是則認(rèn)為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)， 如果否則返回步驟1 ;
[0014] 步驟7、同步信號(hào)處理器根據(jù)步驟3的往返時(shí)間獲取目標(biāo)距離；
[0015] 步驟8、同步信號(hào)處理器測(cè)量步驟5獲取的相關(guān)峰的強(qiáng)度，即為回波信號(hào)的強(qiáng)度；
[0016] 步驟9、根據(jù)步驟8獲取的回波信號(hào)強(qiáng)度和步驟4的斯托克斯參量獲得回波信號(hào)強(qiáng) 度與反射光斯托克斯矢量的關(guān)系；
[0017] 步驟10、根據(jù)發(fā)射光學(xué)器發(fā)射出信號(hào)和回波信號(hào)的斯托克斯參量，獲得目標(biāo)的米 勒矩陣，即為目標(biāo)的偏振信息。
[001引本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明解決了現(xiàn)有目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域中遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)回波遇到靈敏 度極限的問(wèn)題，能夠?qū)Φ涂商綔y(cè)性的微小目標(biāo)進(jìn)行距離、強(qiáng)度和目標(biāo)偏振測(cè)量。本發(fā)明基 于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置能夠在遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)回波的情況下，同時(shí)獲得目標(biāo)的距 離、強(qiáng)度、偏振等多維信息。同時(shí)，該裝置采用了水平、垂直、對(duì)角、反對(duì)角（即0°、90°、 45°、-45° )的偽隨機(jī)調(diào)制編碼，使得系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗干擾能力。另外通過(guò)編碼序列的 調(diào)制-解調(diào)處理，其中相關(guān)處理可W有效的提高系統(tǒng)的探測(cè)性能，提高信噪比和探測(cè)距離。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是本發(fā)明所述基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0020] 一：下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于量子偏振 的多維信息探測(cè)裝置，它包括同步控制模塊1、激光器2、偏振態(tài)編碼器3、發(fā)射光學(xué)器4、接 收光學(xué)器5、立個(gè)分光器6、全反射鏡7、檢偏器8、四分之一波片9、二分之一波片10、第一單 光子探測(cè)器Gm-APDll、第二單光子探測(cè)器Gm-APD12、第=單光子探測(cè)器Gm-APD13、第四單 光子探測(cè)器Gm-APD14和同步信號(hào)處理器15 ;
[0021] 同步控制模塊1產(chǎn)生同步信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光器2,激光器2產(chǎn)生高保偏度的脈沖信號(hào)， 同時(shí)同步控制模塊1將同步信號(hào)輸出至偏振態(tài)編碼器3,偏振態(tài)編碼器3將脈沖信號(hào)進(jìn)行 水平、垂直、對(duì)角和反對(duì)角偽隨機(jī)的脈沖序列調(diào)制，調(diào)制后的激光經(jīng)過(guò)發(fā)射光學(xué)器4的準(zhǔn)直 擴(kuò)束照射目標(biāo)，目標(biāo)的回波信號(hào)入射至接收光學(xué)器5,接收光學(xué)器5對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行聚焦收 集，然后通過(guò)=個(gè)分光器6將回波信號(hào)分為四路信號(hào)，一路信號(hào)經(jīng)過(guò)全反射鏡7的反射后 入射至第一單光子探測(cè)器Gm-APDll，第一單光子探測(cè)器Gm-APDll對(duì)一路信號(hào)進(jìn)行探測(cè)， 二路信號(hào)經(jīng)過(guò)檢偏器8的起偏后入射至第二單光子探測(cè)器Gm-APD12,第二單光子探測(cè)器 Gm-APD12對(duì)二路信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，=路信號(hào)經(jīng)過(guò)四分之一波片9的透射和檢偏器8的起偏后 入射至第=單光子探測(cè)器Gm-APD13,四路信號(hào)經(jīng)過(guò)二分之一波片10的透射和檢偏器8的起 偏后入射至第四單光子探測(cè)器Gm-APD14 ; W22] 同步信號(hào)處理器15根據(jù)第一單光子探測(cè)器Gm-APDll、第二單光子探測(cè)器Gm-APD12、第=單光子探測(cè)器Gm-APD13和第四單光子探測(cè)器Gm-APD14探測(cè)的脈沖信號(hào)獲 得回波的脈沖序列，同步信號(hào)處理器15根據(jù)回波的脈沖序列和同步控制模塊1產(chǎn)生的同步 信號(hào)獲得目標(biāo)的距離、強(qiáng)度和偏振的多維信息。
【具體實(shí)施方式】 [0023] 二：下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn) 一步說(shuō)明，激光器2采用高偏振脈沖激光器。
【具體實(shí)施方式】 [0024] =:下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn) 一步說(shuō)明，偏振態(tài)編碼器3對(duì)脈沖信號(hào)采用偽隨機(jī)非正交的水平、垂直、對(duì)角和反對(duì)角調(diào)制 編碼，所述水平、垂直、對(duì)角和反對(duì)角分別為：〇。、90°、45°和-45°。
【具體實(shí)施方式】 [0025] 四：下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn) 一步說(shuō)明，一路信號(hào)的探測(cè)過(guò)程為總光強(qiáng)路，二路信號(hào)的探測(cè)過(guò)程為線偏振路，=路信號(hào)的 探測(cè)過(guò)程為四分之一波片路，四路信號(hào)的探測(cè)過(guò)程為二分之一波片路。
[00%]
【具體實(shí)施方式】五：下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn) 一步說(shuō)明，二路信號(hào)的檢偏器8的起偏角為45° 路信號(hào)的檢偏器8的起偏角為0° ;四 路信號(hào)的檢偏器8的起偏角為0°。
【具體實(shí)施方式】 [0027] 六：下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn) 一步說(shuō)明，=路信號(hào)的四分之一波片9的方位角為45°。
【具體實(shí)施方式】 [0028] 屯：下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn) 一步說(shuō)明，四路信號(hào)的二分之一波片10的方位角為45°。
【具體實(shí)施方式】 [0029] 一：下面結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于量子偏振 的多維信息探測(cè)裝置的多維信息探測(cè)方法，該多維信息探測(cè)方法的具體過(guò)程為：
[0030] 步驟1、同步控制模塊1、激光器2和偏振態(tài)編碼器3同時(shí)工作，產(chǎn)生具有四種偏振 態(tài)的四個(gè)不同碼值的偽隨機(jī)編碼脈沖序列；
[0031] 步驟2、發(fā)射光學(xué)器4將步驟1產(chǎn)生的偽隨機(jī)編碼脈沖序列發(fā)射出去；
[0032] 步驟3、目標(biāo)接收到偽隨機(jī)編碼脈沖序列，目標(biāo)的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)往返時(shí)間的延遲返 回到接收光學(xué)器5 ;
[0033] 步驟4、回波信號(hào)經(jīng)過(guò)四路單光子探測(cè)器Gm-Aro測(cè)量斯托克斯參量，獲取四路偏 振分光，分別探測(cè)出四個(gè)偏振態(tài)的編碼序列信號(hào)；
[0034] 步驟5、同步信號(hào)處理器15根據(jù)步驟4獲取的四個(gè)偏振態(tài)的編碼序列信號(hào)和步驟 1獲取的四個(gè)不同碼值的偽隨機(jī)編碼脈沖序列，獲取相關(guān)峰；
[0035] 步驟6、同步信號(hào)處理器15判斷相關(guān)峰是否大于等于闊值，如果是則認(rèn)為發(fā)現(xiàn)目 標(biāo)，如果否則返回步驟1 ;
[0036] 步驟7、同步信號(hào)處理器15根據(jù)步驟3的往返時(shí)間獲取目標(biāo)距離；
[0037] 步驟8、同步信號(hào)處理器15測(cè)量步驟5獲取的相關(guān)峰的強(qiáng)度，即為回波信號(hào)的強(qiáng) 度；
[0038] 步驟9、根據(jù)步驟8獲取的回波信號(hào)強(qiáng)度和步驟4的斯托克斯參量獲得回波信號(hào)強(qiáng) 度與反射光斯托克斯矢量的關(guān)系；
[0039] 步驟10、根據(jù)發(fā)射光學(xué)器4發(fā)射出信號(hào)和回波信號(hào)的斯托克斯參量，獲得目標(biāo)的 米勒矩陣，即為目標(biāo)的偏振信息。 W40] 本實(shí)施方式中，距離信息獲取方法為：發(fā)射脈沖序列表示為x(t) =s(t)，經(jīng)過(guò)T 往返時(shí)間的延遲回波信號(hào)表示為x(t-T) =s(t-T)+n(t)，其中，n(t)表示回波探測(cè)中的 噪聲，回波互相關(guān)的結(jié)果表示為：
[0041 ]
[0042] 其中，第一項(xiàng)為回波信號(hào)相關(guān)項(xiàng)，該項(xiàng)給出相關(guān)峰位置與X往返時(shí)間成正比，第 二項(xiàng)是本振信號(hào)和噪聲相關(guān)的結(jié)果，由于信號(hào)