[發(fā)明專利]一種基于偏振調(diào)制的單光子測距方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110029743.1
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112859101B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田昕;劉芮;何訪;李松
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G01S17/36
• 分類號: G01S17/36
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 胡琦旖

本發(fā)明屬于單光子探測技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于偏振調(diào)制的單光子測距方法，利用量子理論對光子的偏振特性進行分析，將光子的飛行時間與回波光子的偏振調(diào)制態(tài)之間建立聯(lián)系，通過探測光子對線偏振片的透過率計算光子的飛行時間，從而實現(xiàn)對目標(biāo)距離測量。本發(fā)明可以實現(xiàn)微弱光信號條件下的目標(biāo)距離測量，且不需要計時電路，極大程度上簡化了三維光子計數(shù)成像中需要集成的硬件，為高空間分辨率的三維光子計數(shù)成像提供了便利。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于單光子探測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于偏振調(diào)制的單光子測距方法。

背景技術(shù)

與傳統(tǒng)光學(xué)探測相比，單光子探測技術(shù)可以應(yīng)用于微弱光信號的探測與分析，已在顯微成像、熒光檢測、生物醫(yī)學(xué)和遙感測量等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的三維光子計數(shù)成像技術(shù)中，基于蓋革模式雪崩光電二極管(Gm-APD)的光子計數(shù)器是最常用的探測器件，可以對由目標(biāo)反射的光子量級的信號進行探測，在光子計數(shù)測量技術(shù)中起著重要作用。為了獲取光子的飛行時間從而計算目標(biāo)的距離，光子計數(shù)器需要加入計時電路(TDC)進行時間分辨。但是TDC具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較大的體積，通常單像素的TDC需要上百個晶體管構(gòu)成。光子計數(shù)器與TDC集成后對光子探測的空間分辨率會大大下降(例如32*32像素)，且集成的成本較高，這為三維光子計數(shù)成像技術(shù)在高空間分辨率的應(yīng)用帶來了嚴(yán)重的障礙。為了解決上述難題，需要一種適用于三維光子計數(shù)成像但可以簡化硬件集成的測距技術(shù)。

傳統(tǒng)的基于偏振調(diào)制的激光測距方法是利用電光相位調(diào)制器對回波信號光束的偏振態(tài)進行時間相關(guān)的線性周期調(diào)制，由光束干涉光斑的光強解算偏振調(diào)制的相位差，根據(jù)相位差和時間的一一對應(yīng)關(guān)系確定信號響應(yīng)時間，從而獲取光的飛行時間。該方法可以實現(xiàn)對信號光斑內(nèi)目標(biāo)表面的三維距離探測，且無需TDC，可以實現(xiàn)空間分辨率較高的三維距離測量。但該方法基于光束的偏振干涉理論，只能對光強較強的信號光束進行偏振調(diào)制，當(dāng)信號光減弱到單光子量級時，該方法無法直接實現(xiàn)對光子的調(diào)制。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于偏振調(diào)制的單光子測距方法。

本發(fā)明提供一種基于偏振調(diào)制的單光子測距方法，包括以下步驟：

步驟1：搭建探測系統(tǒng)；

所述探測系統(tǒng)包括脈沖激光器、接收單元、兩個光子計數(shù)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(shù)器連接；所述接收單元包括在光路上依次設(shè)置的線偏振片、電光相位調(diào)制器、偏振分光棱鏡；兩個所述光子計數(shù)器分別設(shè)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(fā)射激光垂直照射至探測目標(biāo)的表面，通過所述接收單元捕獲所述探測目標(biāo)的表面反射的回波信號光子；通過兩個所述光子計數(shù)器分別對第一通道和第二通道中的回波信號光子數(shù)進行計數(shù)，獲得實際計數(shù)值；

步驟3：基于光子的偏振調(diào)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(shù)率進行描述，結(jié)合所述線偏振片的偏振態(tài)參數(shù)，推導(dǎo)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(shù)率；

步驟4：根據(jù)泊松負對數(shù)似然方程，推導(dǎo)得到回波信號光子的所述實際計數(shù)值與所述理論計數(shù)率的關(guān)系；

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

優(yōu)選的，所述步驟1中，所述接收單元的光路與所述脈沖激光器的光路平行；所述脈沖激光器和所述電光相位調(diào)制器位于同一位置，且該位置作為距離測量的零點。