[发明专利]一种基于光子轨道角动量调制的单光子测距背景噪声滤除方法及单光子测距装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域。

背景技术

伴随着科学技术的发展和各种应用背景的需求，对激光测距探测距离的要求越来越高。纵观整个激光测距的发展历史，一开始光电探测系统主要基于PIN和CCD探测，其响应灵敏度为10^-7W左右，随着应用领域对探测距离和探测灵敏度的要求越来越高，逐渐的出现了灵敏度更高的APD和ICCD探测器，他们的灵敏度一般为10^-8W左右。这些传统的探测器还都是强度探测器，他们可以根据信号峰值幅度来区别噪声，但是随着人们对灵敏度进一步的追求，出现了Gm-APD等单光子探测器，这种探测器不同于传统强度探测器，他们是0/1二值输出，只能响应信号的有无，不能响应信号强度。这种单光子探测器只要响应，无法分辨是目标信号还是背景噪声，虽然单光子器件的灵敏度可以达到单光子响应灵敏度10^-11W～10^-12W。但是实际应用中由于不可避免的背景噪声，例如，1064nm波段使用5～8nm的窄带滤光片，几十微弧度的窄视场角，晴朗白天的背景噪声仍然有1MHz的背景噪声响应，这将引起大量的虚警，致使信号脉冲淹没在大量虚警中，纵然单光子探测器具有极高的响应灵敏度，但由于背景噪声而无法很好的体现。因此目前最棘手、最有效的增加探测距离的方法就是想办法消除单光子探测中的背景噪声。Magruder L A等人曾使用边缘检测法Canny Edge Detection(CED)、概率分布函数法Probability Distribution Function(PDF)和角映射法Local Angle Mapping Technique(LAMT)，这三种方式可以根据目标数据点具有一定的规律性、而噪声点杂乱随机分布的特点进行信号后处理的滤除。但这些方法需要额外的时间进行后续信号处理，而且提取的准确性也无法保证，只对规则的物体效果较好。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法无法很好地消除单光子探测中的背景噪声的问题，提出一种基于光子轨道角动量调制的单光子测距背景噪声滤除方法及单光子测距装置。

本发明所述的一种基于光子轨道角动量调制的单光子测距背景噪声滤除方法，该方法为：

将发射信号的轨道角动量调制到m阶，m>>1；

对接收信号的轨道角动量进行-m阶的逆调制；

利用孔径光阑滤除逆调制后的接收信号中的背景噪声。

本发明所述的一种基于光子轨道角动量调制的单光子测距装置包括同步控制模块(1)、脉冲激光器(2)、4F光学系统(3)、螺旋相位板(4)、发射光学系统(5)、接收光学系统(6)、反射式空间光调制器(7)、全反射镜(8)、孔径光阑(9)、单光子探测器(10)、计时电路(11)和信号处理模块(12)；

所述同步控制模块(1)用于产生两路相同的信号，一路用于驱动脉冲激光器(2)发射激光脉冲信号，另一路输入给计时电路(11)作为计时起始信号；

脉冲激光器(2)发射的激光脉冲信号依次经过4F光学系统(3)和螺旋相位板(4)后，经发射光学系统(5)发射出去；

接收光学系统(6)接收到的光信号由反射式空间光调制器(7)进行解调，解调后的光信号依次经过全反射镜(8)的反射和孔径光阑(9)滤光后，进入单光子探测器(10)；

单光子探测器(10)产生的计时终止信号发送给计时电路(11)，计时电路(11)输出的计时结果发送给信号处理模块(12)，信号处理模块(12)对该计时结果进行处理，并将处理结果反馈给同步控制模块(1)。

本发明利用了自然界中没有的高阶轨道角动量信号光子信号，对发射激光脉冲信号进行高阶轨道角动量调制，可以有效区别信号和背景噪声，实现噪声的完全滤除，去除背景噪声的干扰，有效的提高灵敏度和探测距离，实现千公里探测距离。而且该方法不需要额外的时间进行后处理，实时性好。

附图说明

图1为实施方式一中的轨道角动量信号示意图；

图2为实施方式一中利用轨道角动量滤除噪声的原理示意图，其中15表示被反射掉的噪声；

图3中，(a)为信号光斑图样，(b)为噪声光斑图样，(c)为回波信号横截面强度归一化的曲线；

图4为实施方式三所述的一种基于光子轨道角动量调制的单光子测距装置的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于光子轨道角动量调制的单光子测距背景噪声滤除方法为：