[发明专利]一种基于偏振调制的单光子测距方法

权利要求书

1.一种基于偏振调制的单光子测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：搭建探测系统；

所述探测系统包括脉冲激光器、接收单元、两个光子计数器和控制器，所述控制器分别与所述脉冲激光器、所述接收单元、两个所述光子计数器连接；所述接收单元包括在光路上依次设置的线偏振片、电光相位调制器、偏振分光棱镜；两个所述光子计数器分别设置在所述偏振分光棱镜的两个出射光路上；

步骤2：通过所述脉冲激光器发射激光垂直照射至探测目标的表面，通过所述接收单元捕获所述探测目标的表面反射的回波信号光子；通过两个所述光子计数器分别对第一通道和第二通道中的回波信号光子数进行计数，获得实际计数值；

步骤3：基于光子的偏振调制原理，利用量子理论对回波信号光子通过所述接收单元后的理论计数率进行描述，结合所述线偏振片的偏振态参数，推导得到回波信号光子在所述偏振分光棱镜的两个出射光路上的理论计数率；

所述步骤3包括以下子步骤：

步骤3.1：利用量子化的电场来描述回波信号光子的偏振态；回波信号光子经过所述电光相位调制器后，回波信号光子的电场算子在相互垂直的x方向和y方向的分量分别会引入α_x和α_y的相位延迟，回波信号光子再经过一个偏振角度为θ的线偏振片后的理论计数率为：

式中，表示相位延迟量为α、线偏振片的角度为θ时的理论计数率，α＝α_y-α_x；表示回波信号光子的偏振状态，和是量子偏振矩阵的元素；β_xy为的相位；

步骤3.2：回波信号光子经过偏振方向在竖直方向的所述线偏振片后，式(2)中的相关参数的值可确定为：和β_xy＝0；

式中，N_s表示回波信号光子经过线偏振片后单个激光脉冲内在时间间隔T_ω的光子理论计数率，T_ω表示激光脉冲的均方根脉宽；

步骤3.3：所述偏振分光棱镜的分光方向分别为竖直偏振方向和水平偏振方向，与调制轴x方向的夹角θ分别为45°和-45°；根据式(2)得到回波信号光子在偏振分光棱镜的两个出射光路的理论计数率分别为：

由式(1)和式(3)得到回波信号光子在偏振分光棱镜的两个出射光路的理论计数率与回波信号光子的飞行时间之间的关系为：

式中，θ取45°或-45°；θ＝45°对应X通道，θ＝-45°对应Y通道；

步骤4：根据泊松负对数似然方程，推导得到回波信号光子的所述实际计数值与所述理论计数率的关系；

所述步骤4中，在低光照情况下，单脉冲中光子计数器对回波信号光子的探测过程符合非均匀泊松过程，光子计数器的实际计数率为其中，d表示符合均匀泊松过程的光子计数器的暗计数率，η表示光子计数器的量子效率；

对于X通道，在单个调制周期(0,T_G]中，光子计数器实际计数值的概率密度函数为：

其中，单个调制周期中，X通道内光子计数器的总光子探测数m_x表示为：

单个调制周期中，Y通道内光子计数器的总光子探测数m_y表示为：

在X通道中，对于N个激光脉冲，光子计数器探测到k_x个光子的概率为：

式中，k_x为X通道中光子计数器的实际计数值，k_x＝0,1,…,N；

由式(8)可得，X通道中光子计数器的实际计数值k_x的负对数似然函数为：

通过最大化式(9)中的负对数似然函数可知，对于N个激光脉冲，X通道中光子计数器的实际计数值与m_x的关系为：

同理，对于N个激光脉冲，Y通道中光子计数器的实际计数值与m_y的关系为：

式中，k_y表示Y通道中光子计数器的实际计数值；

步骤5：根据回波信号光子在第一通道和第二通道的实际计数值计算回波信号光子的偏振调制态中的相位延迟量；根据所述相位延迟量得到回波信号光子的飞行时间；根据所述回波信号光子的飞行时间计算得到目标的距离值。