阅读说明：本技术 一种基于单光子调制频谱测量的激光测距系统 (Laser ranging system based on single photon modulation spectrum measurement ) 是由 杨柳 胡建勇 张国峰 秦成兵 陈瑞云 肖连团 贾锁堂 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明属于激光测距领域,公开了一种基于单光子调制频谱测量的激光测距系统,包括发送端和接收端,所述发送端用于将频率调制后的激光分成第一光束和第二光束,还用于将第一光束直接发送至被测物体,以及将第二光束衰减成单光子量级后与从被测物体返回的单光子量级的第一光束合束后发送到所述接收端；所述接收端用于探测发送端发送的拍频信号,并根据拍频信号计算得到被测物体距离信息。本发明可以在有损耗有噪声的环境中实现激光测距,可广泛应用于远距离激光测距领域。(The invention belongs to the field of laser ranging, and discloses a laser ranging system based on single photon modulation frequency spectrum measurement, which comprises a sending end and a receiving end, wherein the sending end is used for dividing laser after frequency modulation into a first light beam and a second light beam, directly sending the first light beam to a measured object, attenuating the second light beam into a single photon magnitude, and then combining the second light beam with the first light beam of the single photon magnitude returned from the measured object and sending the combined light beam to the receiving end; the receiving end is used for detecting the beat frequency signal sent by the sending end and calculating to obtain the distance information of the measured object according to the beat frequency signal. The invention can realize laser ranging in lossy and noisy environment and can be widely applied to the field of long-distance laser ranging.)

一种基于单光子调制频谱测量的激光测距系统

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种基于单光子调制频谱测量的激光测距系统。

背景技术

激光由于本身相干性，方向性，单色性好，亮度高的特点在测距，精密测量，远距离通信等领域都有广泛应用。激光测距可应用在很多领域，例如民用的车辆测速，海上作业，军事领域的勘测地形以及在作战时对目标物体的移动和弹道轨迹的分析等等。随着激光技术的提高，测距精度和距离也随之提高。目前常见的激光测距技术有相位法激光测距，飞行时间法激光测距和拍频法激光测距。这些技术分别适用于高精度的短距离测距，长距离低精度测距和薄膜厚度测量。

现有的激光测距主要受限于测距长度和测距精度。且在长距离激光测距时，外界环境噪声会对结果产生影响。在现有的测距技术中，远程测距技术由于光需要长距离传输后仍可被探测到，常用高光束质量，小发散角，窄脉宽的强脉冲光作为光源发射脉冲信号，并依靠较强的回波信号测量目标距离。但远程测距由于其光源行进较远常受大气中雨雾湍流的影响，使得光被吸收散射等等而无法准确得到回波信号导致光子利用率低，且带有高功率激光的测距仪在探测信号时对人眼安全有着很大的威胁。因此基于量子与统计理论的光子计数激光测距技术得到关注，采用高重复频率，低功率的激光器，高灵敏度的单光子探测器以及后期数据处理方法得到回波信号光子数的统计特性得到目标信息。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于单光子调制频谱测量的激光测距系统，以提高测距系统的抗噪能力。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于单光子调制频谱测量的激光测距系统，包括发送端和接收端，所述发送端用于将频率调制后的激光分成第一光束和第二光束，还用于将第一光束直接发送至被测物体，以及将第二光束衰减成单光子量级后与从被测物体返回的单光子量级的第一光束合束后发送到所述接收端；所述接收端用于探测发送端发送的拍频信号，并根据拍频信号计算得到被测物体距离信息。

所述接收端包括单光子探测器、时间相关单光子计数系统和数据处理模块；所述单光子探测器用于探测拍频信号并发送至所述时间相关单光子计数系统，所述时间相关单光子计数系统用于接收拍频信号的光子到达时间，并发送至所述数据处理模块；所述数据处理模块用于对有光子到达时的拍频信号进行离散傅里叶变换，实现频域信息的提取，得到拍频信号的频率差Δf，并根据拍频信号的频率差Δf计算得到待测目标距离信息L。

所述发送端包括激光光源、频率调制装置、第一分束器、光衰减器和第二分束器；所述激光光源发出的光经频率调制装置进行频率调制后发送至第一分束器，第一分束器将频率调制后的光分为第一光束和第二光束，其中第一光束长距离传输至被测物体，第二光束经光衰减器衰减为单光子量级后入射至第二分束器，与经被测物体反射后入射至第二分束器的单光子量级的第一光束在第二分束器处发生拍频。

所述数据处理模块用于根据拍频信号的频率差Δf计算得到待测目标距离信息L的计算公式为：

其中，T表示频率调制装置的调制信号的周期的一半，Δv表示调制信号的扫描宽度，c表示光速。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明通过在激光输出端加线性频率调制，一路光通过衰减器将光衰减到单光子量级，另一路由于远距离探测经物体反射使光被衰减到单光子量级，用单光子探测器探测两路光子的拍频信号并将信号做傅里叶变换得到反应目标物体距离的频域信息；由于接收方只需要单光子量级就可以获得频谱信息，因此本发明可以通过提高激光的强度从而延长测距长度，该方案适用于远距离激光测距，也适用于目标物体由于漫反射导致接收到的光强很弱的测距情况，其抗噪能力高；

2、本发明通过时间相关单光子计数系统得到单光子拍频信号对应的光子到达时间，数据处理器仅需要将光子到达时间进行傅里叶变换就可以分析出频谱信息，本方案在数据分析中占有内存小，处理快速的优势；

3、本发明中，两路光均被衰减到单光子量级，用单光子探测器探测到的信号做傅里叶变换使调制光可以被很快速的分析出来，不受带宽限制且单光子量级的光所占内存小，后续数据处理很快，这也是较于经典量子优势的体现。与传统傅里叶变换相比，数据量更小，从而有效的降低了计算复杂性，提高了频谱分析的实时性，同时能够实现傅里叶极限的频率分辨率；

4、本发明在对光子到达时间进行频谱分析时，使用离散傅里叶变换，由于其只能对时域上为周期性函数的信号进行变换得到对应频率的峰，而背景光在时域内为泊松分布变换在频域上为白噪声背景，因此可以在有损耗有噪声的环境中实现激光测距。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于单光子调制频谱测量的激光测距系统；

图2为激光光源进行频率调制的示意图；

图中：110为发送端，111为光源，112为强度调制器，113为第一分束器，114为光衰减器，115为第二分束器，120为接收端，121为单光子探测器，122为时间相关单光子计数系统，123为数据处理模块，130为被测物体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于单光子调制频谱测量的激光测距系统，包括发送端110和接收端120，所述发送端包括激光光源111、频率调制装置112、第一分束器113、光衰减器114和第二分束器115，所述接收端包括单光子探测器121、时间相关单光子计数系统122和数据处理模块123；所述激光光源111发出的光经频率调制装置112进行频率调制后发送至第一分束器113，第一分束器113将频率调制后的光分为第一光束和第二光束两束光，其中与第一光束长距离传输至被测物体130，第二光束经光衰减器114衰减为单光子量级后入射至第二分束器115，与经被测物体130反射后入射至第二分束器115的单光子量级的第一光束在第二分束器115处交汇产生拍频信号；所述单光子探测器121用于探测拍频信号并发送至所述时间相关单光子计数系统122，所述时间相关单光子计数系统122用于接收拍频信号对应的光子到达时间，并发送至所述数据处理模块123；所述数据处理模块123用于对有光子到达时的拍频信号进行离散傅里叶变换，实现频域信息的提取，得到拍频信号的频率差Δf，并根据拍频信号的频率差Δf计算得到待测目标距离信息L。

具体地，本实施例中，频率调制装置可以为设置在激光光源的发出激光路径上的电光调制器，也可以通过激光器内调制实现如电流调制，PZT调制等。此外，傅里叶变换是将时域和频域的信息相互转化，任何连续周期信号都可以由一组适当的正弦曲线组合而成。经过不同频率调制的信号可以看作是一系列周期信号的组合，傅里叶变换后在频域上得到的特征峰对应着调制频率，而特征峰的幅值代表调制频率成分的大小。

本实施例中，所述激光光源111可以为毫瓦级以下的光源，第一光束可以经空气介质直接传输至被测物体。优选地，本实施例中，所述激光光源111还可以选用发出的激光强度为毫瓦级或者大于毫瓦量级的光源，且第一光束可以通过损耗系数为0.2dB/km的光纤传输至被测物体，则本发明可以实现长距离激光测距。此外，由于单光子探测器存在时间抖动使频率信息在后续频谱分析时信噪比受限。而且，本发明实施例不仅适用于远距离传输由于信道损耗导致第一光束的反射光强在单光子量级的应用场景，也适用于目标物体由于漫反射导致接收到的光强很弱的应用场景。

相干态光子数分布上服从泊松分布，在时域上光子到达时间随机，在频域内表现为白噪声分布。经过频率调制后在时域上是一个周期信号，可以看作是一系列正弦信号的叠加，因此离散傅里叶转换后可以得到一个含有调制频率信息的特征峰。在本实施例中，激光光源经过线性频率调制后分为两路，一路光经过长距离传播到被测物体处反射，另一路光用衰减器衰减，两路不同频率的光拍频后被探测，最终得到的高信噪比调制频谱峰对应为两路光拍频的频率差。而外界的噪声由于时域上分布随机在傅里叶转换后只是增加了背景噪声，并不会影响调制信号。

具体地，本实施例中，频率调制装置用于发出重复周期为2T，扫描宽度为Δv的三角波调制信号对激光信号进行线性调制，调制信号如图2所示。调制后的激光经过分束器113后分为两路，一路光用衰减器114衰减到单光子量级，一路光经长距离传输由于信道损耗被反射的光也衰减到单光子量级，频率为f₁的光长距离传播到被测物体130并被反射到达分束器115时，另一路光在分束器115上发生拍频的频率变成f₂，在接收端120用单光子探测器121和时间相关单光子计数系统122记录两路光的拍频信息，通过数据处理模块123作离散傅里叶变换实现频域信息的提取得到拍频频率差为Δf。根据三角波调制信号的频率Δv与时间T的关系可以知道频率差为Δf时对应的两路光传播的时间差t，相较于长距离传播光可假设直接被衰减的光传播路径为0，则t对应为光从分束器传播到被测物体再反射的总传播时间，由此可以知道被测物体的距离。单光子量级的相干光服从泊松分布，即光子出现在每个时刻的概率是随机的，两路光发生拍频后，光子到达时间具有周期性，光子出现在不同时刻的概率由于周期性调制被确定，在数据处理时经过傅里叶变换得到的频谱会在对应调制频率处得到谱线。而背景噪声由于在时域上分布的随机且未被调制在得到的频谱中无对应谱线，仅仅增加了背景噪声的强度，由此我们的系统可以在有背景噪声的环境中实现远距离测量。此外，由于数据处理模块仅需要在得到光子到达时间进行傅里叶变换就可以分析出频谱信息，因此本实施例在数据分析中占有内存小，处理快速的优势。

理论计算测距距离以及精度如下：用重复周期为2T，扫描宽度为Δv的三角波调制信号对频率为f的激光进行三角波调制。光经过分束后，其中一路经衰减器的光的传播距离相较于长距离传输光很小，所以在理论计算中忽略。当频率为f₁的光经过延迟为2L/c的时间被物体反射到分束器时，另一束光频率变为f₂，其中c是光速，L为目标物体与分束器的距离。接收端得到拍频后的光频率为Δf＝f₂-f₁，由此可以得到关系式：

后期数据通过数据处理模块进行处理，数据处理模块123可以根据傅里叶变换得到的拍频信号的频率差Δf，结合式(1)计算得到待测目标距离信息。

具体地，本实施例中，所述激光光源111发出的激光强度为毫瓦级或者大于毫瓦量级。此外，另一束光通过损耗系数为0.2dB/km的光纤中长距离传播至被测物体，实现长距离激光测距。但此方案不限于在这种激光强度，且不限于在光纤中传播，本发明仍可适用于空间上的激光测距。

根据等式(1)可以得到测距精度ΔL与T，Δv，Δf有关，其中扫频时间T和扫频宽度Δv是由仪器硬件设计决定的，则测距精度仅与频率误差δf有关，则理论上测距精度ΔL为：

频率误差δf主要取决于FFT(离散傅里叶变换)算法，假设用于分析的数据积分时间为T′，频域分析每隔取一个抽样点，当信号刚好在两抽样点的中心时，频率误差达到最大为

由此测距精度为：

本发明提供了一种基于单光子调制频谱测量的激光测距系统，通过探测拍频信号并作傅里叶变换得到频域信息，单光子量级的信号保证光可以长距离传输被衰减从而实现长距离激光测距，此外，与传统傅里叶变换相比，数据量更小，从而有效的降低了计算复杂性，提高了频谱分析的实时性，同时能够实现傅里叶极限的频率分辨率，还可以在有损耗有噪声的环境中实现激光测距。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。