[发明专利]一种基于偏振调制的双目标光子测距方法

说明书

本发明提出了一种基于偏振调制的双目标光子测距方法。利用共焦扫描系统对微光条件下双目标场景的回波光子信号进行建模，并基于泊松负对数似然函数由光子计数器接收实际计数值直接计算理论计数值。此外，本发明建立了光子计数器的理论计数率与回波信号的几个变量之间的关系，变量包括双目标的单脉冲平均回波光子数和回波光子飞行时间，并进一步地通过改变电光相位调制器的工作电压波形来解算上述变量。因此，可以得到双目标的单脉冲平均回波光子数和回波光子飞行时间的有效解。该方法能以极少的数据量在微光条件下实现高分辨率和高测距精度的双目标探测。

技术领域

本发明属于单光子探测领域，更具体地，涉及一种针对双目标场景的时间相关的光子偏振调制测距方法。

背景技术

与传统单光子探测相比，双目标场景中的单光子探测技术可以应用于多回波光信号的探测与分析，已在自动驾驶、救援搜索、生物医学和遥感测量等领域得到了应用。

在双目标场景中，现有常用的基于飞行时间的测距方法可以主要被分为三大类：调幅连续波法(AMCW)、时间切片法和时间直方图法。其中，AMCW方法通过发射调制光信号并测量回波信号的相移来获取距离信息。在多深度场景中，AMCW方法的双目标成像过程可以被表述为一个空间变化的卷积问题。但是，由于探测范围和灵敏度有限，AMCW方法无法实现微光和远距离应用。相比之下，时间切片法和时间直方图法都可以利用单光子雪崩二极管(SPAD)来实现高灵敏度的探测。时间切片法通过对SPAD施加一系列的时间门来获得瞬时图像从而进行双目标成像。但这种方法需要获取大量的瞬时图像来分析时间信息，这限制了探测距离和时间分辨率。时间直方图法通过把计时电路(TDC)与光探测器集成来直接获取回波信号的飞行时间，然后统计回波信号的时间直方图来辨别两个目标的回波信号。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。探测器与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，这限制了成像的空间分辨率。为了解决上述难题，需要一种适用于双目标场景下的三维光子计数成像并可以实现高空间分辨率和远距离探测的测距技术。

传统的基于偏振调制的光子测距方法是利用电光相位调制器对回波信号光子的偏振态进行时间相关的线性周期调制，并利用光子计数器对偏振调制后的回波光子数进行探测。通过建立光子计数率和光子的飞行时间之间的关系，可以实现微弱光信号情况下的三维距离测量。该方法可以实现高空间分辨率的三维距离测量。但该方法只考虑单目标的回波信号，无法对不同目标反射的具有多深度信息的回波信号进行处理，即无法直接应用于双目标场景中。

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双目标光子测距方法。

本发明提供一种基于偏振调制的双目标光子测距方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建共焦扫描探测系统：

所述共焦扫描探测系统包括脉冲激光器、线偏振片、偏振分光棱镜、四分之一波片、双轴振镜、偏振调制模块、光子计数器和信号控制器。所述偏振调制模块包括两个线偏振片(LP1和LP2)和一个电光相位调制器。所述信号控制器分别与所述脉冲激光器、所述电光相位调制器、所述光子计数器连接；

步骤2：建立双目标回波模型。对双目标的回波信号s(t)进行建模，并利用非均匀泊松过程来描述微光条件下光子计数器对回波信号的探测过程来推导光子计数器的理论计数值m的表达式；

步骤3：根据泊松负对数似然方程，推导得到光子计数器的所述实际计数值k与所述理论计数率m的关系；

步骤4：根据偏振调制原理建立双目标回波光子飞行时间(t₁,t₂)与偏振调制模块的光子通过率的关系，并结合双目标回波模型推导光子计数器的理论计数值m和所述双目标回波光子飞行时间(t₁,t₂)及双目标的单脉冲平均回波光子数(N_s1,N_s2)的关系式；