基於mppc光子計數統計的雷射外差裝置的製作方法

2023-04-29 16:44:56 1

專利名稱：基於mppc光子計數統計的雷射外差裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射主動探測研究領域，具體涉及採用多像素光子計數器 (Multi-Pixel Photon Counter,簡稱MPPC)MPPC光子計數器實現微弱信號的雷射外差探測，從回波信號語本振光幹涉信號中提取目標由於運動或轉動造成的都卜勒頻率移動，從而提供目標的運動信息。
背景技術：
雷射外差探測技術採用雙頻雷射幹涉原理實現對微弱目標信息的非接觸式測量。 具體應用可分為以下三個層次一、遠程測量採用雷射外差探測技術能夠實現對在軌衛星(非合作目標)的都卜勒跟蹤，作用距離可達到上千公裡。典型系統為美國毛依島空間觀測站(MSSS)的Hi-CLASS系統，該系統發展的最後階段，採用30Hz重頻發射30J的雷射脈衝，具備實時產生Doppler圖像的能力，同時具備實時信號處理能力。但是採用C02雷射作為發射源，需要較大的發射功率，雖然相干長度足夠，但作用距離受限於發射功率。若採用可見光波段的光子計數器，可以將光源功率大大降低，對系統小型化集成帶來方便。二、中程測量採用雷射外差探測技術能夠實現對中遠程彈道飛彈進行真假彈頭識別，作用距離能達到幾百公裡。典型系統為美國林肯實驗室研製的Fir印ond雷射雷達系統。從1998年開始，「火池」雷射雷達開始承擔了美國國防部目標識別/阻攔計劃，用基於外差探測的雷射雷達去辨識大氣層外來襲目標。但該技術仍然依賴於高功率雷射發射，雷射器研製具有較大難度，若採用具有較高靈敏度的光子計數器，可大大降低系統發射功率；或在相同的發射功率下，提高系統的作用距離。三、近程測量雷射外差探測的近程應用主要集中在幾公裡到十幾公裡範圍內，實現的功能是偽裝目標的偵察與識別。偽裝目標包括掩蓋中的坦克、軍用卡車、地雷等，由於這些目標具有一定的隱蔽性，常規的成像探測方式難以實現目標與環境的區分。而雷射外差探測技術是基於目標的振動頻譜進行探測的，該振動可以是目標自身發出的，也可以是外加激發形成的受迫振動。上述近程測量中，均採用長波紅外和近紅外雷射器，長波紅外探測器靈敏度不是很高，近紅外探測器也有光子計數器，但都局限於單像素的，動態範圍不大，容易造成飽和或者損傷探測器。基於上述雷射外差探測三個方面的主要應用，發展該項技術具有廣闊的前景。然而，該探測方式的優點是能夠實現對目標回波微弱信號的探測，但是對雷射器本身的相干性要求較高，而目前的相干雷射源的相干長度和發射功率這一對矛盾相互制約，在保證相干長度的基礎上，雷射功率有可能下降，勢必導致回波信號較弱，甚至在光子級別。因此，研究光子級別的雷射外差探測，將更加具有實用價值。目前，由於雷射器計數的迅猛發展，生產出高相干性能的雷射器已經不再困難，但是針對遠距離探測，所需要的雷射發射功率較高，成本會急劇加大，因此，在雷射器相干性滿足要求的情況下，雷射功率越小，對於系統研發越有利。因此，亟需解決極其微弱光電信號的探測，採用光子計數器不失為一個很好的選擇，結合光學外差的接收方式，實現對目標運動或振動特性的非接觸式測量，這將是未來微弱信號探測所面臨的發展方向。

發明內容
本發明為解決現有雷射外差探測中光源功率和相干相相矛盾的問題，提出一種基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置。基於MPPC光子計數統計的雷射外差的裝置，該裝置包括雷射器、雷射分束鏡、雷射擴束鏡、旋轉漫反射目標、雷射回波接收望遠鏡、光學窄帶濾波器、雷射耦合透鏡、聲光調製器、偏振分光平片和信號接收裝置，所述雷射器發出光束經雷射分束鏡後發生反射和透射，其中反射光束經聲光調製器發生聲光衍射後入射至偏振分光平片，經偏振分光平片後的光束反射至雷射耦合透鏡；透射光束經雷射擴束鏡後入射至旋轉漫反射目標表面，經過旋轉漫反射目標調製後的反射光子進入雷射回波接收望遠鏡，所述雷射回波接收望遠鏡收集回波光子，並將收集的回波光子經過光學窄帶濾波器進行濾波處理，經濾波處理後的回波光子進入偏振分光平片，經偏振分光平片後的光束透射至雷射耦合透鏡；所述經雷射耦合透鏡後的光束聚焦到MPPC光子計數器表面並發生光學幹涉；經 MPPC光子計數器轉化後的電信號由信號接收裝置接收。本發明的有益效果本發明採用光學相干技術，實現兩光束在光子計數器表面混頻；所述的裝置具有探測靈敏度高、作用距離遠等優點，基於MPPC光子計數器的弱信號外差檢測裝置，能對遠距離的非合作目標運動特性進行感知。本發明所述的MPPC光子計數器其接收面較大，且探測器工作在非高壓狀態，便於實現信號接收。本發明採用MPPC光子計數器能有效提高作用距離，並使整個系統容易實現小型化運轉。


圖1為本發明所述的一種基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置結構圖；圖2為本發明所述的一種基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置中的模擬埠和比較器輸出的示意圖；圖3為本發明所述的一種基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置中以USB埠積分輸出的示意圖；圖4為本發明所述的一種基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置中對漫反射目標光子外差探測頻譜圖；圖5為本發明所述的一種基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置中旋轉漫反射目標的示意圖；圖6為圖5中旋轉漫反射目標的圓盤的結構示意圖；圖7為5中旋轉漫反射目標的圓柱的結構示意圖。
圖中1、雷射器，2、雷射分束鏡，3、雷射擴束鏡，4、旋轉漫反射目標，5、交流伺服電機，6、剎車MV電源，7、可變直流驅動電源，8、聲光調製器，9、信號發射器，10、24V直流驅動電源，11、殘餘光吸收池，12、可變衰減器，13、二分之一波片，14、小倍率光束擴展器，15、 雷射回波接收望遠鏡，16、光學窄帶濾波器，17、偏振分光平片，18、光閘，19、雷射耦合透鏡， 20、MPPC光子計數器，21、可攜式計算機，22、高頻示波器，23、高解析度頻譜分析儀。
具體實施例方式結合圖1至圖5說明本實施方式，一種基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置， 該裝置包括雷射器1、雷射分束鏡2、雷射擴束鏡3、旋轉漫反射目標4、交流伺服電機5、剎車 24V電源6、可變直流驅動電源7、聲光調製器8、信號發射器9、24V直流驅動電源10、殘餘光吸收池11、可變衰減器12、二分之一波片13、小倍率光束擴展器14、雷射回波接收望遠鏡 15、光學窄帶濾波器16、偏振分光平片17、光閘18、雷射耦合透鏡19、MPPC光子計數器20、 可攜式計算機21、高頻示波器22、高解析度頻譜分析儀^。具體工作過程如下雷射器1發出波長為532nm的光束經過雷射分束鏡2進行反射和透射，其中發射光經過中心頻率為80MHz的聲光調製器進行聲光衍射，聲光調製器8通過24V直流驅動電源10進行射頻驅動，信號發生器9向聲光調製器8提供頻率為80MHz正弦波。其中0級衍射光無頻率移動，1級衍射光具有80MHz頻率移動，通過殘餘光吸收池11 將剩餘光束吸收，再經過可變衰減器12進行功率匹配，二分之一波片13是為了改變本振光的偏振狀態，以至於能夠實現偏振分光，小倍率光束擴展器14是為了實現本振光的光斑擴展，便於實現回波信號的空間光束匹配。經過雷射分束鏡2的透射光經雷射擴束鏡3後入射至旋轉漫反射目標4表面，運動目標由交流伺服電機5驅動，電機帶有剎車功能，該功能由剎車電源6提供，直流電壓為MV。電機旋轉速度由直流電源7控制，經過運動目標調製後的反射光子進入雷射回波接收望遠鏡15，實現回波光子收集，收集到的光子經過光學窄帶濾波器16進行濾波處理，由於是光子量級的信號檢測，需要對背景光進行抑制。經濾波處理後的光子進入偏振分光平片17進行光束耦合。耦合後的光束經過光間18進行光斑口徑匹配，後經雷射耦合透鏡19聚焦到MPPC光子計數器20表面並發生光學幹涉。經MPPC 光子計數器20轉化後的光信號可以實現三種方式輸出第一種信號是模擬電壓輸出，脈衝電壓幅度表示光子數多少；第二種信號是比較器電壓輸出，該輸出脈衝個數取決於所設定的光子數閾值；第三種信號是經過USB埠輸出的積分光子計數率，積分時間可自行設定。 其中第一種和第二種信號可通過高頻示波器22或者高解析度頻譜分析儀23進行觀測，第三種信號可通過與可攜式計算機21連接進行觀測。本實施方式所述的MPPC光子計數器採用日本濱松公司生產的多像素光子計數器 S10362-11-025U，晶片尺寸為1. 5X1. 5mm，有效感光面積為IX 1mm，像元大小為40X40 = 1600，像元尺寸為25X 25 μ m，填充因子為30. 8%，光譜響應播出範圍270 900nm，峰值靈敏波長為400nm，峰值處的量子效率70 %，峰值波長的光子探測效率25 %，推薦的工作電壓範圍70 士 10V，常溫25°C對應暗計數為300kcps，暗計數最大值為600kcps，結電容為35pF， 時間解析度為200 300ps，增益係數2. 75X 105。該探測器對光子響應較為靈敏，因此需要加入密封遮光裝置，同時設置相應的窄帶濾光片接口。另外，該探測器對環境溫度較為敏感，溫度過高會導致較大的暗計數，因此還需要進行溫度控制，使其工作溫度始終恆定在某個固定位置，確保獲得較小而且穩定的背景暗計數。在本設計中所設定溫度為15°C，對應暗計數約為210kcps。結合圖2說明本實施方式的觀測結果，本實施方式中MPPC光子計數器採用模擬埠和比較器輸出。圖中上下兩部分分別對應MPPC輸出的模擬信號和比較器輸出非周期方波信號，其中上半部分模擬信號輸出值表示在該時刻所探測到的到達光子數，模擬信號幅值反映到達的光子數多少，從設計原則上講，每IOOmV輸出脈衝對應1個光子事件(pe)，實際上由於傳輸線的衰減以及不同波長的探測器增益不同，導致在532nm位置處對應1個光子事件的輸出電壓要略低於100mV。圖中下半部分對應於比較器輸出的信號，該信號相對於與之對應的脈衝信號具有大概20ns的時間延遲，輸出方波的位置根據模擬信號以及所設定的比較器閾值而定。結合圖3說明本實施方式的觀測結果，本實施方式中MPPC光子計數器採用USB埠積分輸出。第一路信號通過設置不同的光子事件(Pe)閾值以及不同的門控時間(gate time)，對門控時間內的光子進行累力口，門控時間最小設置為1ms，最大設置為ls，通過USB 連接線與PC機相連，在PC機上事先安裝了相應的驅動軟體，通過軟體界面可以完成簡單設置，用於流過MPPC前端感光面光子數的實時監視。通過MPPC的USB埠輸出界面，可以實現對採集參數的設定，保存在該設置下該探測器對應的光子計數速率，單位為千赫茲計數每秒(kcps) ο圖4為MPPC光子計數器對旋轉漫反射目標4光子外差探測頻譜。該組圖分為a、b、 c和d四個子圖，均是對旋轉漫反射目標4在低速運動情況下的都卜勒頻譜信息進行測量， 由於目標回波信息中含有大量噪聲，對其進行功率譜分析，採用多此疊加方式提取信號，圖中所示分別為5次、10次、15次和20次測量結果的疊加，從圖清晰可見，隨著疊加次數的逐漸增加，回波信號頻譜成分的信噪比逐漸增加，對運動目標信息提取帶來便利。通過對回波光子進行統計以及快速傅立葉變換分析，可從微弱回波光子信號中提取出旋轉漫反射目標 4運動信息。結合圖5說明本實施方式，圖5為本實施方式所述的旋轉漫反射目標4的整體結構圖；該旋轉漫反射目標4具有三項功能，即點目標探測、面目標探測、速度校準。面目標散射體與點目標散射體同軸固定，二者在交流伺服電機5驅動下，實現同軸轉動，交流伺服電機5最大旋轉速度為3000r/min。圖6為旋轉漫反射目標4中圓盤A零部件圖。該器件表面採用噴砂處理，模擬真實的漫反射目標，在實驗過程中，還可以在表面覆蓋一層白紙，其反射特性接近於漫反射體，目前已經得到相應的實驗數據結果，實現了對漫反射轉動目標探測速度的準確測量和定標。圖7為旋轉漫反射目標4的面探測旋轉目標示意圖，該器件表面採用表面噴砂處理，模擬真實的漫反射目標。在實驗過程中，為了得到相對較高的表面反射率，同樣可以在表面覆蓋一層白紙，回波信號具有漫反射特性，同時具有較強的信號。將出射光束經過雷射擴束鏡3進行光斑擴展，擴展後的光斑均勻照射在該旋轉圓柱B(圓錐)體表面，採用收發同置和偏振分光的接收方式，將回波信號與本振信號在通過偏振分光平片17，經雷射耦合透鏡19聚焦後，在MPPC光子計數器20表面混頻，解析出最終的目標運動信息。
權利要求
1.基於MPPC光子計數統計的雷射外差的裝置，該裝置包括雷射器(1)、雷射分束鏡 O)、雷射擴束鏡(3)、旋轉漫反射目標G)、雷射回波接收望遠鏡(15)、光學窄帶濾波器 (16)、雷射耦合透鏡(19)、聲光調製器(8)、偏振分光平片(17)和信號接收裝置，其特徵是，所述雷射器(1)發出光束經雷射分束鏡( 後發生反射和透射，其中反射光束經聲光調製器(8)發生聲光衍射後入射至偏振分光平片(17)，經偏振分光平片(17)後的光束反射至雷射耦合透鏡(19)；透射光束經雷射擴束鏡C3)後入射至旋轉漫反射目標(4)表面，經過旋轉漫反射目標 (4)調製後的反射光子進入雷射回波接收望遠鏡(15)，所述雷射回波接收望遠鏡(15)收集回波光子，並將收集的回波光子經過光學窄帶濾波器(16)進行濾波處理，經濾波處理後的回波光子進入偏振分光平片(17)，經偏振分光平片(17)後的光束透射至雷射耦合透鏡 (19)；所述經雷射耦合透鏡(19)後的光束聚焦到MPPC光子計數器00)表面並發生光學幹涉；經MPPC光子計數器00)轉化後的電信號由信號接收裝置接收。
2.根據權利要求1所述的基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置，其特徵在於，該裝置還包括殘餘光吸收池(11)、可變衰減器(12)、二分之一波片(1 和小倍率光束擴展器 (14)，所述光束經聲光調製器(8)發生聲光衍射，殘餘光吸收池(11)將剩餘光束吸收後再經可變衰減器(1 進行功率匹配，二分之一波片(1 改變本振光束的偏振態，實現偏振分光，小倍率光束擴展器(14)實現本振光的束的光斑擴展後光束進入偏振分光平片(17)。
3.根據權利要求1所述的基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置，其特徵在於，該裝置還包括光閘(18)，經偏振分光平片(17)後的光束經光閘(18)進行光斑口徑匹配，後經雷射耦合透鏡(19)聚焦到MPPC光子計數器OO)表面並發生光學幹涉。
4.根據權利要求1所述的基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置，其特徵在於，所述信號接收裝置為高頻示波器(22)、高解析度頻譜分析儀或者可攜式計算機01)。
5.根據權利要求1或4所述的基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置，其特徵在於， 所述經MPPC光子計數器OO)轉化後的電信號有三種輸出方式，分別為模擬電壓輸出、比較器電壓輸出或者經過USB埠輸出，通過模擬電壓輸出和比較器電壓輸出的信號通過高頻示波器0 或者高解析度頻譜分析儀進行觀測，經過USB埠輸出的信號通過可攜式計算機進行觀測。
6.根據權利要求1所述的基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置，其特徵在於，該裝置還包括信號發射器(9)和24V直流驅動電源(10)，所述聲光調製器(8)通過24V直流驅動電源(10)進行射頻驅動，信號發生器(9)向聲光調製器⑶提供頻率為80MHz正弦波。
全文摘要
基於MPPC光子計數統計的雷射外差裝置，涉及雷射主動探測研究領域，它解決現有雷射外差探測中光源功率和相干相相矛盾的問題，本裝置所述的雷射器發出光束經雷射分束鏡後發生反射和透射，反射光束經聲光調製器發生聲光衍射後入射至偏振分光平片，經偏振分光平片後的光束反射至雷射耦合透鏡；透射光束經雷射擴束鏡後入射至旋轉漫反射目標表面，被雷射回波接收望遠鏡收集的回波光子經過光學窄帶濾波器進行濾波處理，經偏振分光平片後的光束透射至雷射耦合透鏡；光束聚焦到MPPC光子計數器表面並發生光學幹涉後的電信號由信號接收裝置接收。所述的MPPC光子計數器其接收面較大，且探測器工作在非高壓狀態，便於實現信號接收。
文檔編號G01S17/58GK102565807SQ20111043916
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者劉立生, 張合勇, 王挺峰, 趙帥, 郭勁 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所