和噪聲沒有相關(guān)性，所W在序列的累積中趨 于0,運(yùn)樣通過相關(guān)的方法提取出目標(biāo)的距離值。
[0043] 強(qiáng)度信息的獲取方法為：獲得了信號(hào)相關(guān)峰，通過它的延遲時(shí)間可W得到目標(biāo)的 距離，相關(guān)峰的強(qiáng)度與回波信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān)。 W44] 在目標(biāo)發(fā)現(xiàn)過程中，對(duì)于超過闊值的相關(guān)峰，認(rèn)為是信號(hào)回波，在目標(biāo)測(cè)量過程中 通過相關(guān)峰位置的探測(cè)給出距離信息，即相關(guān)峰位置對(duì)應(yīng)著回波信號(hào)的延遲時(shí)間T，根據(jù)R=CI/2的雷達(dá)距離方程就能給出目標(biāo)的距離，然后測(cè)量相關(guān)峰的強(qiáng)度即可W反應(yīng)回波 信號(hào)的強(qiáng)弱。
[0045] 回波信號(hào)的強(qiáng)度為I，脈沖寬度為t，探測(cè)器被觸發(fā)的概率為：
[0046] 相關(guān)峰的強(qiáng)度Uk正比于觸發(fā)概率，即：
[0047] 運(yùn)樣相關(guān)峰的強(qiáng)度和回波信號(hào)強(qiáng)度I擁有固定的函數(shù)關(guān)系，從而可W通過相 關(guān)峰的強(qiáng)度得到回波信號(hào)的強(qiáng)度。
[0048] 偏振信息的獲取方法為：系統(tǒng)采用四路Gm-ATO測(cè)量斯托克斯參量，利用Gm-ATO光 子計(jì)數(shù)進(jìn)行極微弱光的強(qiáng)度測(cè)量時(shí)，假設(shè)經(jīng)過了M次測(cè)量統(tǒng)計(jì)，在第m區(qū)間的雪崩脈沖數(shù)為 K(m)，則探測(cè)概率P(m)可W計(jì)算得到：
[0049] 則入射的光電子數(shù)為：
[0050] 將探測(cè)到的信號(hào)光強(qiáng)帶入，可W得到探測(cè)器探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度和反射光的斯托克斯矢 量之間的表達(dá)式：
[0051]
[0052] 其中，
為本系統(tǒng)的儀器矩陣，表現(xiàn)為系統(tǒng)光學(xué)器件對(duì)光子 偏振態(tài)的影響。
[0053] 左右兩邊同乘W系統(tǒng)儀器矩陣的米勒矩陣，可W求得從目標(biāo)反射的光子的斯托克 斯矢量：
[0054：
[0055] 最后，根據(jù)反射光和入射光的斯托克斯參量，得到目標(biāo)的米勒矩陣。
[0056] 本發(fā)明中，同步控制模塊1作為本發(fā)明的核屯、，用于控制激光器2的輸出狀態(tài)、 偏振態(tài)編碼器3的工作狀態(tài)和各分系統(tǒng)之間的工作時(shí)序，采用32位浮點(diǎn)中央處理器 TMS320F28335,時(shí)鐘頻率為150MHz，時(shí)鐘周期為6. 67ns，為低功耗設(shè)計(jì)。
[0057] 激光器2作為本發(fā)明的光源，要求具有較高的功率穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性，同時(shí)要 求能夠輸出穩(wěn)定的偏振態(tài)脈沖激光，激光器2是功率穩(wěn)定性小于3%，重復(fù)頻率為lOKHz，峰 值功率為100KW，脈沖寬度為10ns的脈沖激光器。
[0058] 偏振態(tài)編碼器3是通過光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)偏振態(tài)的控制。在外電場(chǎng)的作用下，電 光晶體的折射率會(huì)發(fā)生變化，因此光波在通過晶體時(shí)所經(jīng)歷的光程或位相延遲受到外電場(chǎng) 控制，偏振態(tài)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)偏振態(tài)的編碼。偏振態(tài)編碼器3的調(diào)制速率為lOOMHz， 損傷闊值為2W/m2,半波電壓為135V。
[0059] 發(fā)射光學(xué)器4是用于對(duì)發(fā)射的激光進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束的光學(xué)鏡頭，能夠減小激光的束 散角。
[0060] 接收光學(xué)器5是對(duì)目標(biāo)散射的激光回波進(jìn)行收集匯聚。其中接收光學(xué)器5種還包 括窄帶濾光片，用于減弱背景噪聲的影響。接收光學(xué)器5的波長(zhǎng)為532nm，為激光純化濾波 片，帶寬為2皿，中屯、波長(zhǎng)透過率> 90%，直徑為25. 4mm。
[0061] 分光器6是普通的分光棱鏡，用于對(duì)激光回波信號(hào)能量的分光，分光器6是材料 為腳玻璃，尺寸為25. 4X25. 4X25. 4mm3,分光比為50 :50,偏差±5%，平均偏振，波長(zhǎng) 450-650nm，斜面鍛部分反射膜，所有直角面增透。
[0062] 檢偏器8采用格蘭泰勒棱鏡，材料為a-BBO晶體，波長(zhǎng)532皿，直徑25. 4mm，消光比 < 5X10 6,損傷闊值>i〇MW/cm2,鍛膜。
[0063] 四分之一波片9用于對(duì)偏振光的斯托克斯參量產(chǎn)生特定的變化。四分之一波片 9的材料為石英晶體，空氣隙零級(jí)波片，通關(guān)孔徑18mm，支架外徑25. 4mm，相位1/4,波長(zhǎng) 532皿，雙面增透。
[0064] 二分之一波片10用于對(duì)偏振光的斯托克斯參量產(chǎn)生特定的變化。二分之一波片 10的材料為石英晶體，空氣隙零級(jí)波片，通關(guān)孔徑18mm，支架外徑25. 4mm，相位1/2,波長(zhǎng) 532nm，雙面增透。 陽0化]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均采用相同的Gm-ATO探測(cè)器模塊，用于實(shí)現(xiàn)單光 子量級(jí)的光子計(jì)數(shù)探測(cè)，采用采用美國LASERCOMPONENTS的C0UNT-100C-FCGm-APD探測(cè) 器模塊。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置，其特征在于，它包括同步控制模塊（I)、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)、三個(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-APD(11)、第二單光 子探測(cè)器Gm-APD(12)、第三單光子探測(cè)器Gm-APD(13)、第四單光子探測(cè)器Gm-APD(14)和同 步信號(hào)處理器（15); 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，然后通過三個(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)過全反射鏡（7)的反射后入射至第一單光子探測(cè)器Gm-APD(ll)，第一單光子探測(cè)器 Gm-APD(Il)對(duì)一路信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，二路信號(hào)經(jīng)過檢偏器（8)的起偏后入射至第二單光子 探測(cè)器Gm-APD(12)，第二單光子探測(cè)器Gm-APD(12)對(duì)二路信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，三路信號(hào)經(jīng)過 四分之一波片（9)的透射和檢偏器（8)的起偏后入射至第三單光子探測(cè)器Gm-APD(13)， 四路信號(hào)經(jīng)過二分之一波片（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-APD(14); 同步信號(hào)處理器（15)根據(jù)第一單光子探測(cè)器Gm-APD(ll)、第二單光子探測(cè)器Gm-APD(12)、第三單光子探測(cè)器Gm-APD(13)和第四單光子探測(cè)器Gm-APD(14)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。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置，其特征在于，激光器（2) 采用高偏振脈沖激光器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置，其特征在于，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°。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置，其特征在于，一路信號(hào) 的探測(cè)過程為總光強(qiáng)路，二路信號(hào)的探測(cè)過程為線偏振路，三路信號(hào)的探測(cè)過程為四分之 一波片路，四路信號(hào)的探測(cè)過程為二分之一波片路。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置，其特征在于，二路信號(hào) 的檢偏器（8)的起偏角為45° ;三路信號(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°。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置，其特征在于，三路信號(hào) 的四分之一波片（9)的方位角為45°。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于量子偏振的多維信息探測(cè)裝置，其特征在于，四路信號(hào) 的二分之一波片（10)的方位角為45°。8. 基于權(quán)利要求1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，其特 征在于，該多維信息探測(cè)方法的具體過程為： 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； 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； 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)過往返時(shí)間的延遲返回到 接收光學(xué)器（5); 步驟4、回波信號(hào)經(jīng)過四路單光子探測(cè)器Gm-AH)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)； 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； 步驟6、同步信號(hào)處理器（15)判斷相關(guān)峰是否大于等于閾值，如果是則認(rèn)為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)， 如果否則返回步驟1 ; 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； 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； 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； 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。
【專利摘要】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，本發(fā)明為解決現(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題。本發(fā)明同步控制模塊產(chǎn)生同步信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，同時(shí)將同步信號(hào)輸出至偏振態(tài)編碼器進(jìn)行水平、垂直、對(duì)角和反對(duì)角偽隨機(jī)脈沖序列調(diào)制，調(diào)制后經(jīng)過發(fā)射光學(xué)器準(zhǔn)直擴(kuò)束照射目標(biāo)，回波信號(hào)入射至接收光學(xué)器，然后通過三個(gè)分光器將回波信號(hào)分為四路信號(hào)，分別經(jīng)過一個(gè)單光子探測(cè)器Gm-APD；同步信號(hào)處理器根據(jù)四個(gè)單光子探測(cè)器Gm-APD探測(cè)的脈沖信號(hào)獲得回波脈沖序列，根據(jù)回波脈沖序列和同步信號(hào)獲得目標(biāo)距離、強(qiáng)度和偏振的多維信息。本發(fā)明用于激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)的探測(cè)。
【IPC分類】G01S17/02
【公開號(hào)】CN105182351
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510604034
【發(fā)明人】張子靜, 徐璐, 趙遠(yuǎn), 張勇, 靳辰飛, 蘇建忠, 呂華
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年9月21日