[發明專利]一種遠距離微弱信號的探測裝置

在審

• 申請號: 201811033173.8
• 申請日: 2018-09-05
• 公開（公告）號: CN109188392A
• 公開（公告）日: 2019-01-11
• 發明（設計）人: 張子靜;靳辰飛;宋杰;趙遠
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01S7/48
• 分類號: G01S7/48
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 崔自京

1.一種遠距離微弱信號的探測裝置，其特征在于，包括：同步控制模塊(1)、脈沖激光裝置(2)、偏振態編碼器(3)、發射光學器(4)，接收光學器(5)、三個分光器(6)、全反射鏡(7)、檢偏器(8)、四分之一波片(9)、二分之一波片(10)、第一單光子探測器Gm-APD(11)、第二第一單光子探測器Gm-APD(12)、第三單光子探測器Gm-APD(13)、第四單光子探測器Gm-APD(14)和同步信號處理器(15)；

其中，脈沖激光裝置(2)包括：光源(21)，依次與光源(1)連接的透鏡(24)、腔鏡(25)、激光介質(26)和耦合鏡(27)，光源(21)還連接有驅動電路(22)和溫控電路(23)，其中，光源(21)和同步控制模塊(1)相連，耦合鏡(27)與偏振態編碼器(3)連接；驅動電路(22)和溫控電路(23)分別為光源(21)提供驅動控制；光源(21)在驅動電路(22)和溫控電路(23)的作用下的發射光通過透鏡(24)依次入射到腔鏡(25)和激光介質(26)中；之后經過耦合鏡(27)輸出；其中，光源(21)的發射譜和激光介質(26)的吸收譜相匹配；激光介質(26)中同時摻入增益離子和飽和吸收體；耦合鏡(27)表面鍍有光學膜；

同步控制模塊(1)產生同步信號驅動脈沖激光裝置(2)，在脈沖激光裝置(2)產生高保偏度的脈沖信號的同時，同步控制模塊(1)將同步信號輸出至偏振態編碼器(3)，偏振態編碼器(3)將脈沖信號進行水平、垂直、對角和反對角偽隨機的脈沖序列調制，調制后的激光經過發射光學器(4)的準直擴束照射目標，目標的回波信號入射至接收光學器(5)，接收光學器(5)對回波信號進行聚焦收集，然后通過三個分光器(6)將回波信號分為四路信號，一路信號經過全反射鏡(7)的反射后入射至第一單光子探測器Gm-APD(11)，第一單光子探測器Gm-APD(11)對一路信號進行探測，二路信號經過檢偏器(8)的起偏后入射至第二單光子探測器Gm-APD(12)，第二單光子探測器Gm-APD(12)對二路信號進行探測，三路信號經過四分之一波片(9)的透射和檢偏器(8)的起偏后入射至第三單光子探測器Gm-APD(13)，四路信號經過二分之一波片(10)的透射和檢偏器(8)的起偏后入射至第四單光子探測器Gm-APD(14)；

同步信號處理器(15)根據第一單光子探測器Gm-APD(11)、第二單光子探測器Gm-APD(12)、第三單光子探測器Gm-APD(13)和第四單光子探測器Gm-APD(14)探測的脈沖信號獲得回波的脈沖序列，同步信號處理器(15)根據回波的脈沖序列和同步控制模塊(1)產生的同步信號獲得目標的距離、強度和偏振的多維信息；

其中強度信息的獲取過程包括：

回波信號強度為I，脈沖寬度為t，探測器被觸發的概率為

相關峰的強度I_peak正比于這個觸發概率，即

相關峰的強度I_peak和回波的信號強度I擁有一個固定的函數關系，從而可以通過相關峰的強度得到回波信號的強度；

偏振信息的獲取過程包括：

采用四路單光子探測器Gm-APD測量斯托克斯參量，利用Gm-APD光子計數進行極微弱光的強度測量時，假設經過了M次測量統計，在第m區間的雪崩脈沖數為K(m)，則探測概率P(m)可以計算得到

則入射的光電子數為

將探測到的信號光強帶入，可以得到探測器探測信號強度和反射光的斯托克斯矢量之間的表達式

其中，為本系統的儀器矩陣，表現為系統光學器件對光子偏振態的影響。

左右兩邊同乘以系統儀器矩陣的米勒矩陣，可以求得從目標反射的光子的斯托克斯矢量

最后，根據反射光和入射光的斯托克斯參量，得到目標的米勒矩陣。

2.根據權利要求1的遠距離微弱信號的探測裝置，其特征在于，驅動電路(22)為光源(21)提供高精度的驅動電流，電流控制精度為0.005mA。

3.根據權利要求1的遠距離微弱信號的探測裝置，其特征在于，溫控電路(23)為高精度的溫度控制裝置，其控制精度為0.0005℃。