[發明專利]一種基于偏振調制的單光子測距方法

有效

• 申請號: 202110029743.1
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112859101B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 田昕;劉芮;何訪;李松
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01S17/36
• 分類號: G01S17/36
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 胡琦旖

1.一種基于偏振調制的單光子測距方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：搭建探測系統；

所述探測系統包括脈沖激光器、接收單元、兩個光子計數器和控制器，所述控制器分別與所述脈沖激光器、所述接收單元、兩個所述光子計數器連接；所述接收單元包括在光路上依次設置的線偏振片、電光相位調制器、偏振分光棱鏡；兩個所述光子計數器分別設置在所述偏振分光棱鏡的兩個出射光路上；

步驟2：通過所述脈沖激光器發射激光垂直照射至探測目標的表面，通過所述接收單元捕獲所述探測目標的表面反射的回波信號光子；通過兩個所述光子計數器分別對第一通道和第二通道中的回波信號光子數進行計數，獲得實際計數值；

步驟3：基于光子的偏振調制原理，利用量子理論對回波信號光子通過所述接收單元后的理論計數率進行描述，結合所述線偏振片的偏振態參數，推導得到回波信號光子在所述偏振分光棱鏡的兩個出射光路上的理論計數率；

所述步驟3包括以下子步驟：

步驟3.1：利用量子化的電場來描述回波信號光子的偏振態；回波信號光子經過所述電光相位調制器后，回波信號光子的電場算子在相互垂直的x方向和y方向的分量分別會引入α_x和α_y的相位延遲，回波信號光子再經過一個偏振角度為θ的線偏振片后的理論計數率為：

式中，表示相位延遲量為α、線偏振片的角度為θ時的理論計數率，α＝α_y-α_x；表示回波信號光子的偏振狀態，和是量子偏振矩陣的元素；β_xy為的相位；

步驟3.2：回波信號光子經過偏振方向在豎直方向的所述線偏振片后，式(2)中的相關參數的值可確定為：和β_xy＝0；

式中，N_s表示回波信號光子經過線偏振片后單個激光脈沖內在時間間隔T_ω的光子理論計數率，T_ω表示激光脈沖的均方根脈寬；

步驟3.3：所述偏振分光棱鏡的分光方向分別為豎直偏振方向和水平偏振方向，與調制軸x方向的夾角θ分別為45°和-45°；根據式(2)得到回波信號光子在偏振分光棱鏡的兩個出射光路的理論計數率分別為：

由式(1)和式(3)得到回波信號光子在偏振分光棱鏡的兩個出射光路的理論計數率與回波信號光子的飛行時間之間的關系為：

式中，θ取45°或-45°；θ＝45°對應X通道，θ＝-45°對應Y通道；

步驟4：根據泊松負對數似然方程，推導得到回波信號光子的所述實際計數值與所述理論計數率的關系；

所述步驟4中，在低光照情況下，單脈沖中光子計數器對回波信號光子的探測過程符合非均勻泊松過程，光子計數器的實際計數率為其中，d表示符合均勻泊松過程的光子計數器的暗計數率，η表示光子計數器的量子效率；

對于X通道，在單個調制周期(0,T_G]中，光子計數器實際計數值的概率密度函數為：

其中，單個調制周期中，X通道內光子計數器的總光子探測數m_x表示為：

單個調制周期中，Y通道內光子計數器的總光子探測數m_y表示為：

在X通道中，對于N個激光脈沖，光子計數器探測到k_x個光子的概率為：

式中，k_x為X通道中光子計數器的實際計數值，k_x＝0,1,…,N；

由式(8)可得，X通道中光子計數器的實際計數值k_x的負對數似然函數為：

通過最大化式(9)中的負對數似然函數可知，對于N個激光脈沖，X通道中光子計數器的實際計數值與m_x的關系為：

同理，對于N個激光脈沖，Y通道中光子計數器的實際計數值與m_y的關系為：

式中，k_y表示Y通道中光子計數器的實際計數值；

步驟5：根據回波信號光子在第一通道和第二通道的實際計數值計算回波信號光子的偏振調制態中的相位延遲量；根據所述相位延遲量得到回波信號光子的飛行時間；根據所述回波信號光子的飛行時間計算得到目標的距離值。