利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法和系統的制作方法
【專利摘要】一種利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法和系統，該方法包括以下步驟：1)激光器發射激光光子；2)對激光器發射的激光光子進行特征標記；3)接收光信號時對到達的光子進行甄別探測，判斷光子是否攜帶發射時的特征標記，若是，則接收到的光子是信號光子；若否，則接收到的光子是噪聲光子；4)濾去噪聲光子僅保留信號光子。本發明提供了一種可提高整個激光雷達系統的信噪比的利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法和系統。
【專利說明】利用光子調控増強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法和系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光雷達【技術領域】，涉及一種激光雷達探測靈敏度的方法和系統，尤其涉及一種利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法和系統。
【背景技術】
[0002]激光雷達是通過發射激光脈沖并通過測量激光脈沖從發射經目標反射返回接收機的激光脈沖飛行時間進行測距和成像的重要設備，在國防和民用等領域都具有廣泛應用。當對遠距目標測距和成像時，由于發射的激光脈沖能量有限，加上大氣的衰減，尤其是反射信號受距離平方反比因子的限制，反射回來的光信號會非常微弱，通常會淹沒在背景噪聲光子中，難以區別噪聲光子和信號光子，使得激光雷達難以或無法實現對遠距目標進行探測和識別。把微弱的信號光子從背景噪聲光子中識別并提取出來是光子計數激光雷達技術遠距遙感、目標探測和識別應用需要解決關鍵技術之一。
【發明內容】
[0003]為了解決【背景技術】中存在的上述技術問題，本發明提供了一種可提高整個激光雷達系統的信噪比的利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法和系統。
[0004]本發明的技術解決方案是:本發明提供了一種利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法，其特殊之處在于:所述方法包括以下步驟:
[0005]I)激光器發射激光光子；
[0006]2)對激光器發射的激光光子進行特征標記；
[0007]3)接收光信號時對到達的光子進行甄別探測，判斷光子是否攜帶發射時的特征標記，若是，則接收到的光子是信號光子；若否，則接收到的光子是噪聲光子；
[0008]4)濾去噪聲光子僅保留信號光子。
[0009]上述步驟2)的具體實現方式是:
[0010]調控激光器發射激光光子的光子態，使激光器發射激光光子的自旋角動量量子數為+1或-1同時激光器發射激光光子的軌道角動量量子數為-1或+1的量子態。
[0011]上述使激光器發射激光光子的自旋角動量量子數為+1或-1的具體實現方式是:
[0012]將激光器輸出的線偏振光轉化為左旋偏振光或右旋偏振光，形成自旋角動量為+1或-1的圓偏振光。
[0013]上述將激光器輸出的線偏振光轉化為左旋偏振光或右旋偏振光時，首先判斷激光器輸出的是否是線偏振光，若是，則直接將激光器輸出的線偏振光轉化為左旋偏振光或右旋偏振光；若否，則將非偏振光變成線偏振光后將激光器輸出的線偏振光轉化為左旋偏振光或右旋偏振光。
[0014]上述步驟2)中是通過拓撲荷為1/2的拓撲荷板將光子自旋角動量以及軌道角動量進行轉換的。
[0015]上述拓撲荷板包括但不限于電調液晶板、微等離子陣列天線以及計算機控制全息板。
[0016]上述步驟3)的具體實現方式是:
[0017]3.1)接收光信號時對接收到的光子的角動量進行調控，使接收到的光子的軌道角動量以及自旋角動量同時發生改變；所述改變的方式是:將接收到的光子的軌道角動量從-1或+1變為0，將自旋角動量量子數為+1或-1的變為-1或+1 ；
[0018]3.2)判斷接收到的信號光子是否攜帶發射時的特征標記，若是，則接收到的光子是信號光子；若否，則接收到的光子是噪聲光子；所述判斷方式是:
[0019]所有軌道角動量不為零的光子為噪聲光子；所述軌道角動量為O的是信號光子。
[0020]上述步驟4)的具體實現方式是:濾去軌道角動量不為零的噪聲光子，僅留下軌道角動量是O的信號光子。
[0021]一種用于實現如上所述的利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法的系統，包括激光雷達激光發射機以及光接收機，其特殊之處在于:所述系統還包括光子自旋角動量調控器、第一光子自旋角動量和軌道角動量轉換器、第二光子自旋角動量和軌道角動量轉換器以及軌道角動量過濾器；所述激光雷達激光發射機、光子自旋角動量調控器以及第一光子自旋角動量和軌道角動量轉換器沿激光出射方向依次設置同一光路上；所述光接收機、第二光子自旋角動量和軌道角動量轉換器以及軌道角動量過濾器沿接收到的激光信號的傳播方向依次設置同一光路上。
[0022]上述第一光子自旋角動量和軌道角動量轉換器以及第二光子自旋角動量和軌道角動量轉換器均是拓撲荷為1/2的拓撲荷板；所述拓撲荷板包括但不限于電調液晶板、微等離子陣列天線以及計算機控制全息板；所述角動量過濾器包括但不限于單模光纖以及微孔光闌。
[0023]本發明的優點是:
[0024]本發明提供了一種利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法和系統，其原理是在發射激光時對發射的激光光子進行調控，為其打上特征標記，在接收光信號時對到達的光子進行甄別探測，判斷光子是否攜帶有發射時所加注的特征標記，如果有特征標記就判定為信號光子，而如果沒有特征標記時就判定為噪聲光子。通過濾去噪聲光子保留有特征標記的信號光子用于探測，從而提高整個激光雷達系統的信噪比，本發明將極有助于光子計數激光雷達在弱信號強背景下的遠距應用，尤其適合在白天對遠距目標的探測、測距、成像應用。具體而言，本發明具有以下優點:
[0025]I)由于自旋角動量量子數為+1同時其軌道角動量量子數為-1量子態的這種光子的總角動量為零，是一種具有旋轉不變性的光子態，具有抗大氣擾動影響的能力。
[0026]2)由于自旋角動量量子數為+1同時其軌道角動量量子數為-1量子態的這種光子的總角動量為零，是一種具有旋轉不變性的光子態，具有無需發射坐標系和接收坐標系對準的特性。
[0027]3)由于自然界存在的光子基本上都是沒有軌道角動量的，它們通過光子軌道角動量、自旋角動量調控器件后變成軌道角動量非零的光子，再用非零軌道角動量濾波器濾去，可以消除絕大多數噪聲光子，從而提高激光雷達信噪比。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明所提供利用光子調控增強激光雷達對目標特征靈敏度的系統結構示意圖；
[0029]圖2是光子標記示意圖；
[0030]圖3是光子甄別挑選示意圖；
[0031]其中:
[0032]1-1/4波片；2_拓撲荷為1/2的拓撲荷板；3_單模光纖；H_水平偏振光；V_垂直偏振光；SAM-自旋角動量；OAM-軌道角動量。
【具體實施方式】
[0033]本發明提出了一種利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法，其原理是:在發射激光時對發射的激光光子進行調控，為其打上特征標記，在接收光信號時對到達的光子進行甄別探測，判斷光子是否攜帶有發射時所加注的特征標記，如果有特征標記就判定為信號光子，而如果沒有特征標記時就判定為噪聲光子。通過濾去噪聲光子保留有特征標記的信號光子用于探測，從而提高整個激光雷達系統的信噪比。這種方法和系統尤其適合于工作在單光子計數模式的激光雷達。
[0034]該方法的具體實現方式是:
[0035]I)調控發射的光子態，使其處于自旋角動量量子數為+1同時其軌道角動量量子數為-1的量子態，或者使其處于自旋角動量量子數為-1同時其軌道角動量量子數為+1的量子態。
[0036]2)在接收光子時對接收到的光子的角動量進行調控，使得所發射的信號光子的軌道角動量和自旋角動量同時發生改變，然后對光子的軌道角動量與自旋角動量進行測量分析。
[0037]3)當接收到的光子為發射的信號光子時，調控分析裝置把光子的軌道角動量從-1 (或+1)變為0，而其自旋角動量量子數為改變螺旋的手征性，即原來自旋角動量量子數為+1的變為-1，或者原來自旋角動量量子數為-1變為+1。
[0038]4)當接收到的光子為背景噪聲光子時，由于背景噪聲光子原來沒有軌道角動量，調控分析裝置把光子的軌道角動量從O變為-1或+1。
[0039]5)對調控過的光子同時進行自旋角動量挑選和軌道角動量挑選識別，所有軌道角動量不為零的光子為背景噪聲光子，軌道角動量為O的為信號光子。濾去軌道角動量不為零的背景噪聲光子，只留下軌道角動量為O的信號光子。
[0040]采用圓偏振片把激光器輸出的線偏振光轉化為左旋偏振光或右旋偏振光，從而形成自旋角動量為+1或-1的圓偏振光；如果激光器輸出的不是線偏振光，就需要在圓偏振片前加起偏器，把非偏振光變成線性偏振光；圓偏振片可以采用但不限于1/4波片I ;采用拓撲荷為1/2的拓撲荷板2作為光子自旋角動量-軌道角動量轉換器；拓撲荷為1/2的拓撲荷板2包括但不限于采用電調液晶板、微等離子陣列天線、計算機控制全息板等制作；濾去軌道角動量不為零的角動量過濾器，可以采用但不限于單模光纖、微孔光闌。
[0041]參見圖1、圖2以及圖3，本發明還提供了一種利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的系統，除包括傳統的激光雷達系統外，本發明還包括光子自旋角動量調控器、第一光子自旋角動量和軌道角動量轉換器、第二光子自旋角動量和軌道角動量轉換器以及軌道角動量過濾器；激光雷達激光發射機、光子自旋角動量調控器以及第一光子自旋角動量和軌道角動量轉換器沿激光出射方向依次設置同一光路上；光接收機、第二光子自旋角動量和軌道角動量轉換器以及軌道角動量過濾器沿接收到的激光信號的傳播方向依次設置同一光路上。該系統的工作原理是:在激光發射機處加裝光子調控裝置，對發射的激光光子進行特征標記；在光接收機處加裝光子甄別裝置，對接收到的光子進行甄別，提取信號光子并濾去噪聲光子，再對信號光子進行光電探測，從而提高接收信號的信噪比。特別屬于利用光子調控提高探測信噪比的光子調控光子計數激光雷達。其中，在圖2以及圖3中，附圖標記分為是:1/4波片1、拓撲荷為1/2的拓撲荷板2、單模光纖3、水平偏振光H、垂直偏振光V、自旋角動量SAM、軌道角動量OAM。
[0042]本發明提出的利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的系統的實現方案是:
[0043]I)在傳統的激光雷達激光發射機后安裝光子自旋角動量調控器，把光子的自旋角動量調控為+1 (或-1);
[0044]2)在光子自旋角動量調控器后安裝光子自旋角動量-軌道角動量轉換器，使光子的自旋角動量反轉(+1變-1，或-1變+1)的同時產生軌道角動量量子數為+1(或-1)的軌道角動量(如圖2所示)；
[0045]3)所發射的光子經目標反射或散射后返回到光接收機；
[0046]4)在光接收機收集望遠鏡后加裝光子自旋角動量-軌道角動量轉換器，使光子的自旋角動量反轉(+1變-1，或-1變+1)的同時使信號光子的軌道角動量量子數從+1 (或-1)變為O ;
[0047]5)在光接收機收集望遠鏡后加裝的光子自旋-軌道角動量轉換器使原本軌道角動量量子數為O的背景噪聲光子變為+1 (或-1)而產生軌道角動量量子數不為O ;
[0048]6)在光接收機的光子自旋-軌道角動量轉換器后加裝軌道角動量過濾器，濾去軌道角動量量子數已不為O的背景噪聲光子，而由于信號光子軌道角動量已經變成零而被保留下來，達到保留信號光子濾去噪聲光子的目的(如圖3所示)，從而提高系統的信噪比。
【權利要求】
1.一種利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: 1)激光器發射激光光子； 2)對激光器發射的激光光子進行特征標記； 3)接收光信號時對到達的光子進行甄別探測，判斷光子是否攜帶發射時的特征標記，若是，則接收到的光子是信號光子；若否，則接收到的光子是噪聲光子； 4)濾去噪聲光子僅保留信號光子。
2.根據權利要求1所述的利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法，其特征在于:所述步驟2)的具體實現方式是: 調控激光器發射激光光子的光子態，使激光器發射激光光子的自旋角動量量子數為+1或-1同時激光器發射激光光子的軌道角動量量子數為-1或+1的量子態。
3.根據權利要求2所述的利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法，其特征在于:所述使激光器發射激光光子的自旋角動量量子數為+1或-1的具體實現方式是: 將激光器輸出的線偏振光轉化為左旋偏振光或右旋偏振光，形成自旋角動量為+1或-1的圓偏振光。
4.根據權利要求3所述的利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法，其特征在于:所述將激光器輸出的線偏振光轉化為左旋偏振光或右旋偏振光時，首先判斷激光器輸出的是否是線偏振光，若是，則直接將激光器輸出的線偏振光轉化為左旋偏振光或右旋偏振光；若否，則將非偏振光變成線偏振光后將激光器輸出的線偏振光轉化為左旋偏振光或右旋偏振光。
5.根據權利要求2或3或4所述的利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法，其特征在于:所述步驟2)中通過拓撲荷為1/2的拓撲荷板將光子自旋角動量以及軌道角動量進行轉換的。
6.根據權利要求5所述的利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法，其特征在于:所述拓撲荷板包括但不限于電調液晶板、微等離子陣列天線以及計算機控制全息板。
7.根據權利要求6所述的利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法，其特征在于:所述步驟3)的具體實現方式是: 3.1)接收光信號時對接收到的光子的角動量進行調控，使接收到的光子的軌道角動量以及自旋角動量同時發生改變；所述改變的方式是:將接收到的光子的軌道角動量量子數從-1或+1變為O，將自旋角動量量子數為+1或-1的變為-1或+1 ； 3.2)判斷接收到的信號光子是否攜帶發射時的特征標記，若是，則接收到的光子是信號光子；若否，則接收到的光子是噪聲光子；所述判斷方式是: 所有軌道角動量不為零的光子為噪聲光子；所述軌道角動量為O的是信號光子。
8.根據權利要求7所述的利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法，其特征在于:所述步驟4)的具體實現方式是:濾去軌道角動量不為零的噪聲光子，僅留下軌道角動量是O的信號光子。
9.一種用于實現權利要求8所述的利用光子調控增強光子計數激光雷達探測靈敏度的方法的系統，包括激光雷達激光發射機以及光接收機，其特征在于:所述系統還包括光子自旋角動量調控器、第一光子自旋角動量和軌道角動量轉換器、第二光子自旋角動量和軌道角動量轉換器以及軌道角動量過濾器；所述激光雷達激光發射機、光子自旋角動量調控器以及第一光子自旋角動量和軌道角動量轉換器沿激光出射方向依次設置同一光路上；所述光接收機、第二光子自旋角動量和軌道角動量轉換器以及軌道角動量過濾器沿接收到的激光信號的傳播方向依次設置同一光路上。
10.根據權利要求9所述的系統，其特征在于:所述第一光子自旋角動量和軌道角動量轉換器以及第二光子自旋角動量和軌道角動量轉換器均是拓撲荷為1/2的拓撲荷板；所述拓撲荷板包括但不限于電調液晶板、微等離子陣列天線以及計算機控制全息板；所述角動量過濾器包括但不限于單模光纖以及微孔光闌。
【文檔編號】G01S17/08GK104502917SQ201410752682
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月9日 優先權日:2014年12月9日
【發明者】趙衛, 張同意, 姚銀萍, 胡炳樑 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所