[發明專利]一種基于單光子計數方法的水下目標探測裝置

有效

• 申請號: 201710895111.7
• 申請日: 2017-09-28
• 公開（公告）號: CN107907885B
• 公開（公告）日: 2020-03-27
• 發明（設計）人: 馮飛;許江盟;馬菁汀;劉尊龍
• 申請（專利權）人: 北京華航無線電測量研究所
• 主分類號: G01S17/10
• 分類號: G01S17/10;G01J11/00
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 龔頤雯;王一

本發明公開了一種基于單光子計數方法的水下目標探測裝置，由脈沖激光器輸出窄脈沖激光經光隔離器組件后分成兩部分，一部分直接由光電探測模塊探測，光電探測模塊輸出的電信號分別輸入到時間相關單光子計數系統和延時模塊，其中輸入到時間相關單光子計數系統的信號作為計時起始信號，輸入到延時模塊的信號作為距離選通控制信號；另一部分經光束整形后照射目標，目標回波信號入射到單光子探測模塊后作為計時終止信號輸入到時間相關單光子計數系統，通過對時間相關單光子計數系統的信號進行數據處理后，獲取目標信息。本發明具有高精度、高靈敏度的優點，有利于實現水下目標探測系統的低功耗和小型化。

技術領域

本發明屬于激光探測技術領域，具體涉及一種基于單光子計數方法的水下目標探測裝置。

背景技術

本發明所涉及的水下目標激光探測系統，是一種通過測量脈沖飛行時間實現水下目標探測的系統。該系統通過測量從發射激光脈沖到收到目標回波脈沖之間的時間，結合光在水介質中的傳播速度計算待測目標的距離。首先由脈沖激光光源發射信號光束，該光束在光路中分成兩部分，一部分光束用光電探測器接收，光電探測器接收到的光信號轉換為電信號后輸入到數據采集系統，數據采集系統對該信號進行存儲并記錄下原始脈沖峰值對應的時刻；另一部分光束照射待測目標，并利用另一光電探測器記錄由目標散射的回波信號，由光電探測器將回波信號轉換為電信號后輸入到同一數據采集系統，數據采集系統將該電信號存儲并記錄下脈沖峰值對應的時刻，通過原始脈沖峰值對應時刻與回波脈沖峰值對應時刻的時間差即可計算出待測目標距離。

這種方式充分利用激光波長短、方向性好等特點，具有快速、準確、清晰等獨特優勢，但缺點是一方面由于不同水介質對光波具有的強衰減特性，極大的制約了水下目標探測距離；另一方面，水下環境對光束的后向散射作用影響了激光測距精度和成像效果。若要提高探測距離和探測精度，傳統技術手段是增加激光器發射功率，并采用具有極窄脈沖的激光，這不僅極大的增加了激光器的體積和成本，同時對水下應用平臺也提出了更高的要求，不利于軍事和民用對水下目標探測高效、高精度的應用需求。

發明內容

為解決以上難題，本發明提出一種基于單光子計數方法的水下目標探測裝置。該裝置采用時間相關單光子計數方法，即將傳統線性探測體制下對回波強度的探測轉換為針對單個回波光子的隨時間的統計“計數”，通過充分利用回波信號中單光子級別的能量，能夠將傳統激光探測系統的探測靈敏度提高2～3個數量級，可用于水下目標的遠距離、高精度探測。

一種基于單光子計數方法的水下目標探測裝置，包括：

窄脈沖激光器、光隔離器組件、光電探測模塊、時間相關單光子計數系統、延時模塊、光束整形系統、單光子探測模塊和信號處理器；由窄脈沖激光器發射脈沖光，經光隔離器組件分光，將所述脈沖光分為兩部分：一部分脈沖光入射到光電探測模塊，所述光電探測模塊對接收到的脈沖光進行光電轉換，光電轉換后的電信號分別輸入到時間相關單光子計數系統和延時模塊，其中輸入到時間相關單光子計數系統的電信號作為計時起始信號，輸入到延時模塊的電信號作為距離選通控制信號；另一部分脈沖光經光束整形系統進行光束整形后照射到目標，目標反射的回波信號由單光子探測模塊接收，該接收的回波信號作為計時終止信號輸入到時間相關單光子計數系統；最后由信號處理器對時間相關單光子計數系統獲取的信號進行處理后即可獲取目標信息。

進一步的，所述的窄脈沖激光器輸出脈沖脈寬小于等于1ns，重頻大于等于19kHz。

進一步的，所述的光隔離器組件由格蘭棱鏡、四分之一波片、半波片組成。

進一步的，所述的光電探測模塊為具有雙通道的光電探測模塊。

進一步的，所述的時間相關單光子計數系統為具有雙通道的時間相關單光子計數系統，時間分辨率為ps量級。

進一步的，所述的延時模塊可輸出延遲和占空比可調的觸發信號和脈沖信號。

進一步的，所述的光束整形系統由雙透鏡組成。