[发明专利]一种基于偏振调制的单光子测距方法

说明书

本发明属于单光子探测技术领域，公开了一种基于偏振调制的单光子测距方法，利用量子理论对光子的偏振特性进行分析，将光子的飞行时间与回波光子的偏振调制态之间建立联系，通过探测光子对线偏振片的透过率计算光子的飞行时间，从而实现对目标距离测量。本发明可以实现微弱光信号条件下的目标距离测量，且不需要计时电路，极大程度上简化了三维光子计数成像中需要集成的硬件，为高空间分辨率的三维光子计数成像提供了便利。

技术领域

本发明属于单光子探测技术领域，更具体地，涉及一种基于偏振调制的单光子测距方法。

背景技术

与传统光学探测相比，单光子探测技术可以应用于微弱光信号的探测与分析，已在显微成像、荧光检测、生物医学和遥感测量等领域得到了应用。

在传统的三维光子计数成像技术中，基于盖革模式雪崩光电二极管(Gm-APD)的光子计数器是最常用的探测器件，可以对由目标反射的光子量级的信号进行探测，在光子计数测量技术中起着重要作用。为了获取光子的飞行时间从而计算目标的距离，光子计数器需要加入计时电路(TDC)进行时间分辨。但是TDC具有复杂的结构和较大的体积，通常单像素的TDC需要上百个晶体管构成。光子计数器与TDC集成后对光子探测的空间分辨率会大大下降(例如32*32像素)，且集成的成本较高，这为三维光子计数成像技术在高空间分辨率的应用带来了严重的障碍。为了解决上述难题，需要一种适用于三维光子计数成像但可以简化硬件集成的测距技术。

传统的基于偏振调制的激光测距方法是利用电光相位调制器对回波信号光束的偏振态进行时间相关的线性周期调制，由光束干涉光斑的光强解算偏振调制的相位差，根据相位差和时间的一一对应关系确定信号响应时间，从而获取光的飞行时间。该方法可以实现对信号光斑内目标表面的三维距离探测，且无需TDC，可以实现空间分辨率较高的三维距离测量。但该方法基于光束的偏振干涉理论，只能对光强较强的信号光束进行偏振调制，当信号光减弱到单光子量级时，该方法无法直接实现对光子的调制。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于偏振调制的单光子测距方法。

本发明提供一种基于偏振调制的单光子测距方法，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；

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；

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。

优选的，所述步骤1中，所述接收单元的光路与所述脉冲激光器的光路平行；所述脉冲激光器和所述电光相位调制器位于同一位置，且该位置作为距离测量的零点。