[发明专利]一种双波长多偏振激光成像装置

说明书

本发明公开了一种双波长多偏振激光成像装置，输出为532nm和1064nm波长水平、垂直两个偏振方向基于DOE分光的100波束线阵激光光源，通过二维旋转台上下扫描可以得到4幅单一波长单一偏振态的目标物光子计数成像图。对比上述图像可以分析出目标物表面特性，识别出目标物表面是否为金属材料。将光子计数探测灵敏度高的优点与对目标进行偏振探测相结合，在提高整个系统探测效率的同时，实现对目标表面信息进行识别。具备多波长多偏振态的单光子量级检测技术，将多偏振态与少光子探测技术相结合，使得单光子探测器不仅能够统计目标回波的强度信息，还能通过得到目标物表面偏振信息进一步丰富单光子探测体制的应用范围，为今后激光雷达的发展提供新的思路。

技术领域：

本发明涉及主动光电技术领域，特别是涉及一种多波束激光雷达成像系统。

背景技术：

激光雷达(LiDAR)，属于激光探测与测量范畴，不同于传统的微波雷达，它利用激光的发射功率小、角分辨率高、处理速度快等特点对目标进行探测。近些年来，激光雷达在性能上有着很大提升，除了提供简单的距离、速度等基本信息外，已经发展成为现在的多波束成像激光雷达，能够准确提供目标物的大小，形状等多种特征参数甚至实时建立三维立体模型。

在深空探索领域，激光雷达被赋予新的任务和需求。首先是对探测距离的需求越来越大，不仅要在对大气环境下的十几公里处目标物进行精确定位，还需要在空间探测领域上千公里的微小卫星或者空间碎片进行探测识别；相应的由于探测距离的提升，就会导致接收到的回波信号十分微弱，需要进一步研究高分辨率、高灵敏度的探测器；此外对探测目标材质的识别并区分不同目标物也受到了广泛的重视。因此，对探测目标的回波信号进行光子偏振特性研究具有重要意义。

目前大多数采用主动激光光源作为偏振探测的方案都是在探测器接收端采用偏振接收，对于激光器发射端未进行系统性研究，多数激光器发射的不稳定椭圆偏振光也会对接收端光子计数的偏振统计造成影响。

发明内容:

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种双波长多偏振激光成像装置。从光源发射端开始重新构思，使得整个系统可以分时发送100波束线阵的两个波长两个偏振态的四种线偏振激光光源，接收端可以对这四种线偏光进行区分并统计光子信息。将光子计数探测灵敏度高的优点与目标物偏振探测进行识别的特性相结合，既可以得到包含高精度距离信息的目标物三维图像，还能得到目标物表面的反射特性，从而达到识别不同目标物的目的。

当光子在介质截面传播时，光子的偏振变化情况遵循折射定律和菲涅耳反射定律，如公式1所示。对于非金属介质来说，S光和P光经过折射或反射后光子的电场可能改变了方向和强度，但是光子的偏振方向没有发生改变。

其中E_0s、E_0p代表入射的S偏振光与P偏振光的振幅，E'_0s、E'_0p代表S偏振光与P偏振光经过反射后的光振幅，而E”_0s、E”_0p分别代表S偏振光与P偏振光经过折射后的光振幅，n₁、n₂分别是介质1和介质2的折射率，θ、θ'、θ”分别代表光的入射角、反射角和折射角。

当光波在金属界面传播时，金属界内传播的光场分布满足亥姆霍兹方程：

其中此时折射率也为复数，

其中n为折射率实部，κ为衰减指数。

设定光子从折射率为n₁的介质以角度θ入射到复折射率为的金属表面。此时菲涅耳公式如公式3所示：

其中为复折射角度，r_s为S波的反射系数，r_p为P波的反射系数。