[发明专利]一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置

说明书

本发明公开了一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置，由脉冲激光器输出窄脉冲激光经光隔离器组件后分成两部分，一部分直接由光电探测模块探测，光电探测模块输出的电信号分别输入到时间相关单光子计数系统和延时模块，其中输入到时间相关单光子计数系统的信号作为计时起始信号，输入到延时模块的信号作为距离选通控制信号；另一部分经光束整形后照射目标，目标回波信号入射到单光子探测模块后作为计时终止信号输入到时间相关单光子计数系统，通过对时间相关单光子计数系统的信号进行数据处理后，获取目标信息。本发明具有高精度、高灵敏度的优点，有利于实现水下目标探测系统的低功耗和小型化。

技术领域

本发明属于激光探测技术领域，具体涉及一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置。

背景技术

本发明所涉及的水下目标激光探测系统，是一种通过测量脉冲飞行时间实现水下目标探测的系统。该系统通过测量从发射激光脉冲到收到目标回波脉冲之间的时间，结合光在水介质中的传播速度计算待测目标的距离。首先由脉冲激光光源发射信号光束，该光束在光路中分成两部分，一部分光束用光电探测器接收，光电探测器接收到的光信号转换为电信号后输入到数据采集系统，数据采集系统对该信号进行存储并记录下原始脉冲峰值对应的时刻；另一部分光束照射待测目标，并利用另一光电探测器记录由目标散射的回波信号，由光电探测器将回波信号转换为电信号后输入到同一数据采集系统，数据采集系统将该电信号存储并记录下脉冲峰值对应的时刻，通过原始脉冲峰值对应时刻与回波脉冲峰值对应时刻的时间差即可计算出待测目标距离。

这种方式充分利用激光波长短、方向性好等特点，具有快速、准确、清晰等独特优势，但缺点是一方面由于不同水介质对光波具有的强衰减特性，极大的制约了水下目标探测距离；另一方面，水下环境对光束的后向散射作用影响了激光测距精度和成像效果。若要提高探测距离和探测精度，传统技术手段是增加激光器发射功率，并采用具有极窄脉冲的激光，这不仅极大的增加了激光器的体积和成本，同时对水下应用平台也提出了更高的要求，不利于军事和民用对水下目标探测高效、高精度的应用需求。

发明内容

为解决以上难题，本发明提出一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置。该装置采用时间相关单光子计数方法，即将传统线性探测体制下对回波强度的探测转换为针对单个回波光子的随时间的统计“计数”，通过充分利用回波信号中单光子级别的能量，能够将传统激光探测系统的探测灵敏度提高2～3个数量级，可用于水下目标的远距离、高精度探测。

一种基于单光子计数方法的水下目标探测装置，包括：

窄脉冲激光器、光隔离器组件、光电探测模块、时间相关单光子计数系统、延时模块、光束整形系统、单光子探测模块和信号处理器；由窄脉冲激光器发射脉冲光，经光隔离器组件分光，将所述脉冲光分为两部分：一部分脉冲光入射到光电探测模块，所述光电探测模块对接收到的脉冲光进行光电转换，光电转换后的电信号分别输入到时间相关单光子计数系统和延时模块，其中输入到时间相关单光子计数系统的电信号作为计时起始信号，输入到延时模块的电信号作为距离选通控制信号；另一部分脉冲光经光束整形系统进行光束整形后照射到目标，目标反射的回波信号由单光子探测模块接收，该接收的回波信号作为计时终止信号输入到时间相关单光子计数系统；最后由信号处理器对时间相关单光子计数系统获取的信号进行处理后即可获取目标信息。

进一步的，所述的窄脉冲激光器输出脉冲脉宽小于等于1ns，重频大于等于19kHz。

进一步的，所述的光隔离器组件由格兰棱镜、四分之一波片、半波片组成。

进一步的，所述的光电探测模块为具有双通道的光电探测模块。

进一步的，所述的时间相关单光子计数系统为具有双通道的时间相关单光子计数系统，时间分辨率为ps量级。

进一步的，所述的延时模块可输出延迟和占空比可调的触发信号和脉冲信号。

进一步的，所述的光束整形系统由双透镜组成。