一種基於光子軌道角動量調製的單光子測距背景噪聲濾除方法及單光子測距裝置與流程
2023-05-19 03:57:26 1
本發明涉及雷射探測技術領域。
背景技術：
伴隨著科學技術的發展和各種應用背景的需求，對雷射測距探測距離的要求越來越高。縱觀整個雷射測距的發展歷史，一開始光電探測系統主要基於pin和ccd探測，其響應靈敏度為10-7w左右，隨著應用領域對探測距離和探測靈敏度的要求越來越高，逐漸的出現了靈敏度更高的apd和iccd探測器，他們的靈敏度一般為10-8w左右。這些傳統的探測器還都是強度探測器，他們可以根據信號峰值幅度來區別噪聲，但是隨著人們對靈敏度進一步的追求，出現了gm-apd等單光子探測器，這種探測器不同於傳統強度探測器，他們是0/1二值輸出，只能響應信號的有無，不能響應信號強度。這種單光子探測器只要響應，無法分辨是目標信號還是背景噪聲，雖然單光子器件的靈敏度可以達到單光子響應靈敏度10-11w～10-12w。但是實際應用中由於不可避免的背景噪聲，例如，1064nm波段使用5～8nm的窄帶濾光片，幾十微弧度的窄視場角，晴朗白天的背景噪聲仍然有1mhz的背景噪聲響應，這將引起大量的虛警，致使信號脈衝淹沒在大量虛警中，縱然單光子探測器具有極高的響應靈敏度，但由於背景噪聲而無法很好的體現。因此目前最棘手、最有效的增加探測距離的方法就是想辦法消除單光子探測中的背景噪聲。magruderla等人曾使用邊緣檢測法cannyedgedetection(ced)、概率分布函數法probabilitydistributionfunction(pdf)和角映射法localanglemappingtechnique(lamt)，這三種方式可以根據目標數據點具有一定的規律性、而噪聲點雜亂隨機分布的特點進行信號後處理的濾除。但這些方法需要額外的時間進行後續信號處理，而且提取的準確性也無法保證，只對規則的物體效果較好。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決現有方法無法很好地消除單光子探測中的背景噪聲的問題，提出一種基於光子軌道角動量調製的單光子測距背景噪聲濾除方法及單光子測距裝置。
本發明所述的一種基於光子軌道角動量調製的單光子測距背景噪聲濾除方法，該方法為：
將發射信號的軌道角動量調製到m階，m>>1；
對接收信號的軌道角動量進行-m階的逆調製；
利用孔徑光闌濾除逆調製後的接收信號中的背景噪聲。
本發明所述的一種基於光子軌道角動量調製的單光子測距裝置包括同步控制模塊(1)、脈衝雷射器(2)、4f光學系統(3)、螺旋相位板(4)、發射光學系統(5)、接收光學系統(6)、反射式空間光調製器(7)、全反射鏡(8)、孔徑光闌(9)、單光子探測器(10)、計時電路(11)和信號處理模塊(12)；
所述同步控制模塊(1)用於產生兩路相同的信號，一路用於驅動脈衝雷射器(2)發射雷射脈衝信號，另一路輸入給計時電路(11)作為計時起始信號；
脈衝雷射器(2)發射的雷射脈衝信號依次經過4f光學系統(3)和螺旋相位板(4)後，經發射光學系統(5)發射出去；
接收光學系統(6)接收到的光信號由反射式空間光調製器(7)進行解調，解調後的光信號依次經過全反射鏡(8)的反射和孔徑光闌(9)濾光後，進入單光子探測器(10)；
單光子探測器(10)產生的計時終止信號發送給計時電路(11)，計時電路(11)輸出的計時結果發送給信號處理模塊(12)，信號處理模塊(12)對該計時結果進行處理，並將處理結果反饋給同步控制模塊(1)。
本發明利用了自然界中沒有的高階軌道角動量信號光子信號，對發射雷射脈衝信號進行高階軌道角動量調製，可以有效區別信號和背景噪聲，實現噪聲的完全濾除，去除背景噪聲的幹擾，有效的提高靈敏度和探測距離，實現千公裡探測距離。而且該方法不需要額外的時間進行後處理，實時性好。
附圖說明
圖1為實施方式一中的軌道角動量信號示意圖；
圖2為實施方式一中利用軌道角動量濾除噪聲的原理示意圖，其中15表示被反射掉的噪聲；
圖3中，(a)為信號光斑圖樣，(b)為噪聲光斑圖樣，(c)為回波信號橫截面強度歸一化的曲線；
圖4為實施方式三所述的一種基於光子軌道角動量調製的單光子測距裝置的原理框圖。
具體實施方式
具體實施方式一：結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式所述的一種基於光子軌道角動量調製的單光子測距背景噪聲濾除方法為：
將發射信號的軌道角動量調製到m階，m>>1；
對接收信號的軌道角動量進行-m階的逆調製；
利用孔徑光闌濾除逆調製後的接收信號中的背景噪聲。
一般單色光的光場表達式：
e＝e0exp(-ikz)(1)
式中，e0為振幅，k為波數，z為傳播距離。
對於拓撲荷值為l的軌道角動量光束，其光場表達式為：
e＝e0exp(-ikz)exp(imθ)(2)
對比公式(1)及公式(2)可以很明顯的看出，軌道角動量光場和普通的光場僅僅差了一個位相因子exp(imθ)，這說明了軌道角動量光場不同於平面光的所有性質都是由這個位相因子造成的。位相因子表達出軌道角動量光場沿著z方向傳播形成了螺旋形波，並容易得到環繞光軸一周波前位相改變值為2πm，m成為軌道角動量量子數(或成為拓撲荷數)。
圖1給出了軌道角動量信號示意圖，從圖中可以看出，只有m＝0的軌道角動量的光中心是亮的，其他都是暗的。探測方法就是，如圖2所示，接收機已知信號是攜帶著m階的軌道角動量，因此對其進行-m階軌道角動量的逆調製，將信號的軌道角動量調製為0，這樣信號是中間亮周圍暗的點光斑；同時噪聲是低階的(0，±1)經過-m的逆調製後成為了高階軌道角動量(-m，-m±1)，這樣噪聲就是中間暗周圍亮的環形光斑，這個環形光斑的半徑大小和m有關，通過選擇足夠大的m可以將信號的點光斑和噪聲的環狀光斑分開，從而使用孔徑光闌就可以限制掉外光環的噪聲。
下面說明如何確定空間光闌的孔徑大小來實現信號和噪聲的最佳分離。攜帶著軌道角動量的光束的橫向光強分布可以表示為
其中，r,φ分別是橫截面極坐標的半徑和方位角，w0是接收系統焦平面上的光束束腰半徑，m成為軌道角動量量子數(或成為拓撲荷數)。優於回波信號和背景噪聲的軌道角動量不同，經過回波解調後，信號的軌道角動量被將為0階，而背景噪聲則被解調為(-m，-m±1)。
如圖3所示，對發射信號進行+10階的軌道角動量調製，這樣回波信號攜帶著+10的軌道角動量，接收系統對回波信號進行-10階的逆調製，這樣+10階的信號變成0階，如圖3(a)所示，是一個中間亮的光斑；而背景噪聲原來是0或±1階的，經過-10階的逆調製變成(-9，-10，-11)等高階，如圖3(b)所示，是一個中間暗環形光斑。圖3(c)給出了(a)、(b)中信號13(這裡的信號是指回波信號中需要保留的有用信號)和噪聲14的橫截面強度歸一化的曲線，從這個曲線可以很好的看出信號和噪聲在空間分布上很好的分開，這時選取恰當的孔徑光闌半徑等於兩條曲線的焦點，這樣就可以把外圍的背景噪聲完全遮擋掉。
具體實施方式二：本實施方式是對實施方式一所述的一種基於光子軌道角動量調製的單光子測距背景噪聲濾除方法的進一步限定，本實施方式中，利用螺旋相位板4將發射信號的軌道角動量調製到m階。
具體實施方式三：結合圖4說明本實施方式，本實施方式所述的一種基於光子軌道角動量調製的單光子測距裝置包括同步控制模塊(1)、脈衝雷射器(2)、4f光學系統(3)、螺旋相位板(4)、發射光學系統(5)、接收光學系統(6)、反射式空間光調製器(7)、全反射鏡(8)、孔徑光闌(9)、單光子探測器(10)、計時電路(11)和信號處理模塊(12)；
所述同步控制模塊(1)用於產生兩路相同的信號，一路用於驅動脈衝雷射器(2)發射雷射脈衝信號，另一路輸入給計時電路(11)作為計時起始信號；
脈衝雷射器(2)發射的雷射脈衝信號依次經過4f光學系統(3)和螺旋相位板(4)後，經發射光學系統(5)發射出去；
接收光學系統(6)接收到的光信號由反射式空間光調製器(7)進行解調，解調後的光信號依次經過全反射鏡(8)的反射和孔徑光闌(9)濾光後，進入單光子探測器(10)；
單光子探測器(10)產生的計時終止信號發送給計時電路(11)，計時電路(11)輸出的計時結果發送給信號處理模塊(12)，信號處理模塊(12)對該計時結果進行處理，並將處理結果反饋給同步控制模塊(1)。
本實施方式中，同步信號模塊(1)產生起始信號電脈衝，一路驅動脈衝雷射器(2)發射雷射脈衝信號，另一路輸入給計時電路作為起始信號。脈衝雷射器(2)發射的雷射脈衝信號經過4f光學系統(3)進行模式的篩選，目的是純淨的雷射模式可以提高軌道角動量的調製效率，然後雷射脈衝信號經過螺旋相位板(4)進行高階軌道角動量調製。攜帶高階軌道角動量的雷射脈衝信號經過發射光學系統(5)的準直擴束髮射出去。經過目標的發射，回波信號由接收光學系統(6)進行匯聚收集進入接收系統。這裡接收光學系統仍然保證很小的視場角，而且包括窄帶濾波片，本專利的方法可以和這些傳統的空域、時域、頻域的濾除背景噪聲的方法聯合使用。然後進入接收機的回波信號入射到反射式空間光調製器(7)進行解調，解調信號經過全反射鏡(8)照到一個孔徑大小合適的光闌(9)上，這裡利用信號和背景噪聲的軌道角動量不同產生了信號空間分布的差別，從而利用孔徑光闌(9)將其分離，信號可以順利通過光闌照射到單光子探測器，而噪聲則被光闌擋掉，從而濾除背景噪聲。回波信號觸發單光子探測器(10)產生計時終止信號輸入給計時電路(11)，最後信號處理模塊(12)對信號進行後處理判斷，並將判斷結果反饋給同步信號模塊進行下一次的測量。
上述裝置中各部分的參數如下：
脈衝雷射器(2)：工作波長為532nm，單脈衝能量20mj，脈衝寬度10ns，重複頻率1000hz，光束質量m方因子優於1.1；
螺旋相位板(4)：考慮大功率雷射能量器件的承受問題，發射光學系統軌道角動量調製採用螺旋相位板，調製效率90％以上；
發射光學系統(5)：採用2-3片石英玻璃材質的透鏡，鍍532nm的增透膜，發射光學系統透過率為80％，發射角控制在0.2mrad；
接收光學系統(6)：採用卡塞格林接收光學系統，它的優勢是其反射式的設計可以保證較高的光學效率，接收光學系統(6)包括8nm帶寬的532nm窄帶濾光片，用於對背景噪聲進行初步濾除；
反射式空間光調製器(7)：採用反射式空間光調製器，像素為1920×1080，相位範圍為0到2π，灰度256階，調製速度不低於60hz，填充因子大於80％；
單光子探測器(10)：選擇si基gm-apd單光子探測器，量子效率優於60％@532nm，暗計數50hz，死時間50ns。
本實施方式利用自然界中沒有的高階軌道角動量信號光子(自然界中只有線偏和圓偏，軌道角動量分別是0和±1，沒有更高階±2，±3……軌道角動量的光子信號)對發射雷射脈衝信號進行高階軌道角動量調製，有效區別信號和背景噪聲，從而對背景噪聲進行完全抑制。