一种基于声光调制器的人卫测距单光子回波模拟地检系统

专利名称：一种基于声光调制器的人卫测距单光子回波模拟地检系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210170324.4

专利申请（专利权）人：中国科学院上海技术物理研究所
权利人地址：上海市虹口区玉田路500号

专利发明（设计）人：刘夏林,舒嵘,强佳,郭颖,李铭,胡轶男,涂云波,刘鑫,江斌

专利摘要：本发明公开了一种基于声光调制器的人卫测距单光子回波模拟地检系统，系统利用声光调制器对连续激光进行高精度的脉冲切割，配合可编程控制模块和可调衰减器，实现对回波脉冲脉宽、延时和强度的调制，用于模拟远距离单光子测距系统中激光脉冲强度、目标距离和回波信号统计波形脉宽等条件下的回波光子数据，实现对固定或动态目标的单光子回波的连续检测。系统性能达到线宽0.2nm，抖动时间小于20ns的高精度模拟需求。利用本系统可建立人卫测距亚光子回波探测的模拟数据库，用于定量监测系统的灵敏度，验证数据处理算法的性能和可行性，实现对远距离单光子探测测距能力的综合评估分析与优化。

主权利要求：
1.一种基于声光调制的人卫测距单光子回波模拟地检系统，包括回波模拟器(1)和载荷模拟器(2)，其中回波模拟器包含计算机(3)、可编程控制模块(4)、声光驱动器(5)、声光调制器(6)、衰减器(7)、连续激光器(8)、光电二极管(9)、主动选择器(10)、电主波输入接口(13)、光主波输入接口(14)、回波输出接口(15)、任意信号发生器(16)、脉冲激光器(17)、单光子探测器(18)、数据采集卡(19)；其特征在于：用所述的任意信号发生器(16)和单光子探测器(18)模拟载荷的主波发射和回波探测模块，主波设置电触发(13)和光触发(14)两种模式，任意信号发生器(16)产生同步触发信号，模拟主波按一定频率发出的激光脉冲信号，该过程同样也可以用脉冲激光器(17)模拟，通过主动选择器(10)输出主波信号(11)给可编程控制模块(4)；光路传输衰减、延时(12)通过计算机(3)控制界面手动和自动调节两种模式实现，且具备两种衰减模式：可调光纤衰减器、电路预设探测比，后者通过可编程控制模块(4)控制使得一定比率的主波回波置0，二者同时调控回波信号的强度；通过计算机(3)可输入不同距离，范围500km～4000km，不同衰减率和不同脉宽的设置，然后发送命令到可编程控制模块控制声光驱动器(5)，在声光调制器(6)内部产生对应调制波形的光栅结构，类似于光开关的形式调节光脉冲的延时和脉宽，可调光纤衰减器(7)的衰减比例，当连续激光器(8)入射时对激光进行时间和强度上的调制，最终被单光子探测器(18)探测，并利用数据采集卡(19)和计算机(3)实现对回波模拟器(1)输出的单光子回波信号进行采样和可视化处理；
所述的回波模拟地检系统通过对光主波或电主波以及时间相关单光子计数采集卡(19)实现可切换周期的主波发射脉冲功能，当距离测程为500km～2505km或3500km以上时，使用40ns的脉冲周期，当测量有效测程为2250km～4005km时使用13.3ns和26.7ns交替的周期脉冲，确保在有效测量范围内接收到对应主波的回波光子。
2.根据权利要求书1所述的一种基于声光调制器的人卫测距单光子回波模拟地检系统，其特征在于：所述的连续激光器(8)的线宽为0.2nm，波长为532nm，经过声光调制后的单脉冲能量为10μJ。
3.根据权利要求书1所述的一种基于声光调制器的人卫测距单光子回波模拟地检系统，其特征在于：所述的声光调制器(6)的消光比为50dB，脉冲上升时间<15ns，脉宽设置分辨率4ns，工作频率可达200MHz。
4.根据权利要求书1所述的一种基于声光调制器的人卫测距单光子回波模拟地检系统，其特征在于：所述的单光子探测器(18)选用具有单光子灵敏度的工作在盖革模式下的雪崩二极管或光电倍增管，数字时间分辨率1ps，抖动时间小于3.0psRMS，连续光子事件计数速率100Mcps，配有USB3.0接口。 说明书 : 一种基于声光调制器的人卫测距单光子回波模拟地检系统技术领域[0001] 本发明涉及人卫测距地面模拟检测系统，具体涉及一种基于声光调制器的单光子回波延迟、衰减和脉宽调制技术，属于测试系统领域。背景技术[0002] 人卫测距利用人造卫星激光测距仪精确测定目标与卫星之间的距离，具有广泛而重要的应用价值，例如地形勘探、空间碎片检测、天文学等。目前主流的激光测距原理有三角测距法、脉冲飞行时间法(PTOF)和调幅连续波测距法(AMCW)。(1)三角法包含双目视觉、结构光测距等，其原理是将一束照射被测物体，通过测量反射光在面阵或线阵探测器上的位置，根据三角几何原理来计算目标距离。该方法的优点是原理简单成本低廉，且在近距离下测距精度较高，但在远距离探测时探测误差呈几何增长，且反射光容易受到太阳背景光噪声影响。(2)AMCW是一种间接的测距方式，将光幅度调制成正弦波或三角波等，通过对比发射光与回波波形的相位差来反推飞行距离。通常测量相位比直接测量飞行时间更容易也更精确，背景噪声抑制能力更强，但由于需要采用连续光进行调制，在远距离探测时需要激光功率很大，对卫星荷载的重量和能耗是很大的挑战；(3)PTOF的原理是发出一束极短的脉冲激光打到目标上，通过直接测量返回探测器的脉冲时间来确定目标的距离，该方案探测距离远、精度高、抗噪声能力强，但需要配套超窄脉冲调制(ns量级)和高精度的时钟电路(ps量级)。[0003] 随着量子科技引领的单光子探测技术的发展，基于时间相关单光子计数技术(TCSPC)的单光子测距雷达应运而生，其原理与PTOF类似，但仅对单个光子的飞行时间进行测量，突破了航天激光雷达只能通过增大光学孔径、提高激光功率来提高工作距离的技术禁锢，其具有单光子探测灵敏度和皮秒级别的时间分辨率，工作功率低，发射脉冲的展宽小，且发射频率高，能充分利用光子信息获取更高密度更真实的数据，可平衡功率和重量等资源与技术指标提升之间的矛盾。但由于单光子雷达探测的是微弱信号，其受仪器噪声和环境噪声影响更大，而且单光子探测条件下的泊松随机噪声与信号不可分离，导致传统的信号提取算法失效，需要设计专门的数据处理方法和模拟检测系统。[0004] 针对千公里级超远距离任务，地面模拟检测系统能起到原理验证和优化原系统的作用，为实际卫星载荷的设计做参考和性能测试，目前传统单光子测距模拟检测系统采用脉冲激光在光纤中长距离传输来模拟，存在以下问题：1、侧重于对单项指标进行验证，多项性能指标之间的关联性验证不足，比如针对激光脉宽和噪声强度双重作用下对测试结果的影响，而现有的检测系统无法实现对激光脉宽高精度的调制，因此测试覆盖面不足；2、自动化程度不高，一般要手动设置参数或调节实验器件实现参数调整，指令的发出和遥测的判读以及数据的保存都需要人工操作，耗时长效率低，不能对连续变化目标的距离进行检测；3、针对远距离高性能指标，传统检测系统方案要么造价太高，要么性能不达标，现有脉冲激光器很难同时满足线宽和抖动时间性能指标。[0005] 综合以上，单光子探测人卫测距地面检测系统复杂度高、信号随机性强、统计难度高，传统的检测方案不适应功能兼容性和裕度指标的高效测试与验证。发明内容[0006] 本发明的目的是针对单光子人卫测距系统搭建相对应的地面检测模拟系统，用于模拟系统的微弱回波光子数据(0.05探测概率)，定量监测系统的灵敏度。通过对回波延迟时间、回波脉宽和探测概率的调控实现对不同距离不同目标特性的回波光子探测的模拟。对模拟数据进行采集并分析激光脉冲强度、回波信号统计波形及脉宽对测距精度的影响。利用本系统还能够方便建立数据库，用于验证数据处理算法的性能和可行性。最终实现对远距离单光子探测测距能力的综合评估和分析。[0007] 首先我们需要建立理论模型，利用雷达方程来表征系统发射光功率、光束波束宽度、大气传输参数、目标反射率、目标表面散射角和探测器量子效率等参数对探测器接收到的平均光子数的影响。在激光雷达方程中目标反射特性用目标表面反射系数ρt和有效反射面积AT来表示，在目标位置的激光束横截面面积为Al，探测器光敏面积为AR，设发射光学系统光轴与目标法线方向的夹角为θT，发射光学系统透过率为ηT，接收光学系统透过率为ηR，激光脉冲在大气中的透射率为ηa，实际发射的激光脉冲强度是随时间分布的Pt(t)，得到的含时激光雷达方程为:[0008][0009] 式中， 是激光脉冲经过距离R的往返时间。若设回波光子的到达时刻为td，激光脉冲宽度为pw，可得探测器所接收的能量为:[0010][0011] 由此可得理论上探测器产生的平均光电子数为:[0012][0013] 式中：ηq为光电探测器的量子效率；hυ为单个光子的能量，h＝6.63×10‑34J·s为普朗克常数。[0014] 根据光子探测的半经典理论模型我们可以对光子探测的泊松随机过程进行理论描述，在单光子探测系统中，激光脉冲照射目标后被反射，最终由探测器接收。回波光子探测满足Poisson分布，在探测时间t1到t2内探测到K个初始电子数的概率为：[0015][0016] 式中 为K的均值。[0017] 工作在盖革模式下的雪崩二极管(GM‑APD)的工作机理是：当探测到一个或多于一个光子时，探测器即被触发，经雪崩倍增形成电饱和输出脉冲，使系统增加一次光子计数操作。在一次光子探测事件中，探测到0个光子数的概率为P(K＝0)，则探测到一个光子或多于一个光子的概率，可得系统在探测时间t1到t2内探测到回波光子信号的概率为：[0018][0019] 有了以上理论基础，我们搭建单光子测距地面检测模拟系统原理图如图1所示，灰色填充框为光路模块，白色填充框为电路控制模块。系统包括回波模拟器1和载荷模拟器2，其中回波模拟器包含计算机3、可编程控制模块4、声光驱动器5、声光调制器6、衰减器7、连续激光器8、光电二极管9、主动选择器10、电主波输入接口13、光主波输入接口14、回波输出接口15、任意信号发生器16、脉冲激光器17、单光子探测器18、数据采集卡19；其特征在于：[0020] 用任意信号发生器16和单光子探测器18模拟载荷的主波发射和回波探测模块，主波设置电触发13和光触发14两种模式，任意信号发生器16产生同步触发信号，模拟主波按一定频率发出的激光脉冲信号，该过程同样也可以用脉冲激光器17模拟，通过主动选择器10输出主波信号11给可编程控制模块4。光路传输衰减、延时12通过计算机3控制界面手动和自动调节两种模式实现，且具备两种衰减模式：可调光纤衰减器、电路预设探测比，后者通过可编程控制模块4控制使得一定比率的主波回波置0，二者同时调控回波信号的强度。通过计算机3可输入不同距离，范围500km～4000km，不同衰减率和不同脉宽的设置，然后发送命令到可编程控制模块控制声光驱动器5，在声光调制器6内部产生对应调制波形的光栅结构，类似于光开关的形式调节光脉冲的延时和脉宽，可调光纤衰减器7的衰减比例，当连续激光器8入射时对激光进行时间和强度上的调制，最终被单光子探测器18探测，并利用数据采集卡19和计算机3实现对回拨模拟器1输出的单光子回波信号进行采样和可视化处理。[0021] 针对光子飞行时间与脉冲周期相重合导致测距失效的情况，权利要求书1所述的系统通过对光主波或电主波以及时间相关单光子计数采集卡电路19的设计，实现可切换周期的主波发射脉冲功能，当距离测程为500km～2505km或3500km以上时，使用40ns的脉冲周期，当测量有效测程为2250km～4005km时使用13.3ns和26.7ns交替的周期脉冲，确保在有效测量范围内接收到对应主波的回波光子。[0022] 系统中各功能模块和器件的具体特性和参数如下：[0023] 1.连续激光器8的线宽为0.2nm，波长为532nm，经过声光调制后的单脉冲能量为10μJ。[0024] 2.保偏光纤声光调制器6的消光比为50dB，脉冲上升时间<15ns，脉宽设置分辨率4ns，工作频率可达200MHz。[0025] 3.系统的单光子探测器18选用具有单光子灵敏度的工作在盖革模式下的雪崩二极管(SPAD)或光电倍增管(PMT)，配合对应的采集卡19实现时间相关单光子计数，具有1ps数字时间分辨率，抖动时间小于3.0psRMS，连续光子事件计数速率100Mcps，USB3.0接口。[0026] 本发明的实现步骤如下：[0027] 1.首先进行系统测试准备工作，给地检系统驱动电路上电，通过计算机打开软件控制界面连接地检模拟器，初始化各参数，之后依次打开连续激光器和单光子探测器；[0028] 2.用任意信号发生器生成模拟主波发送的电脉冲接入地检系统，该步骤也可用脉冲激光器连接光电二极管模拟主波输入；[0029] 3.在计算机控制软件界面上通过手动或Excel数据导入输入参数脉冲宽度、衰减率、目标距离等，点击开始运行进入模拟测试阶段，此时输入的主波和调制参数数据已经通过可编程控制模块和驱动模块控制声光调制器以及光线衰减器，对输入的窄带连续激光进行脉冲调制，控制其延迟、门宽和衰减等，不同条件下的测试过程如下：[0030] 1)不同距离目标的模拟回波探测：不同距离目标的回波主要体现在延迟和传输过程衰减的影响，通过距离R与飞行时间td的关系，在计算机控制界面上设置对应距离回波的延迟时间，测试结果如图3所示。[0031] 2)不同距离目标的模拟回波探测：大气传输过程中的衰减我们通过雷达方程和光子探测模型式(1)到式(3)得到对应信号的衰减率，通过在界面上调节光纤衰减器实现，系统中我们通过调节入射光源强度的方式是改变噪声大小，通过对比单光子探测器的探测数据与模拟输入的原始信号得到系统探测信噪比和误差，获得测试数据如图4所示；[0032] 3)不同目标特性对应的模拟回波探测：根据雷达方程式(1)，对于不同反射率和有效面积的目标，光斑照射会产生不同强度和分布的回波光子，我们系统将通过设置不同的衰减率和脉宽来模拟不同目标特性进行回波探测与分析，不同脉宽下的探测数据如图5所示；[0033] 4)不同速度目标的模拟回波探测：针对以不同速度移动的目标测距，通过软件控制界面导入运动曲线Excel距离信息数据表，经过可编程控制模块和声光驱动器动态控制回波信号光子的延迟时间，模拟1km/s和2.5km/s的目标距离检测光子数据如图6所示。[0034] 4.结束测试，断开软件连接，关闭软件，关闭电源。[0035] 本系统的优点[0036] 与传统距离测量相同，本系统通过测量激光器发光瞬间主波和回波之间的时间差获取距离信息。并在传统的测距功能基础上有以下提升：[0037] 1、对比使用脉冲激光器的方案，抖动时间和线宽无法达标，而且脉宽无法调控，声光调制器具有频率稳定度高、响应时间快、插入损耗小、消光比高、功耗低、温度稳定性和可靠性高等特性，用声光调制器做调制可以在确保高精度激光线宽和时间抖动的要求(线宽0.2nm，时间抖动<20ns)下做高时间分辨率的延迟和脉宽调制。[0038] 2、多种调控手段可执行，确保能准确模拟不同条件下的光子回波信号。主波设置电和光出发两种模式；衰减、延时可通过手动和自动调制两种模式；两种衰减模式有声光可调衰减器和电路预设探测比，后者通过可编程控制电路设置对一定比率的主波回波强制置0，两者可同时调节回波信号的强度。[0039] 3、激光脉冲周期可调，针对光子飞行时间与脉冲周期相重合导致测距失效的情况，本系统设计了可切换周期的主波发射脉冲，并设计与其对应的时间门限与时间相关光子计数电路。可编程控制模块中时间数字转换电路(TDC)在接收到主波之后开始计时，在有效时间门内，每收到一次回波信号记录一次光子飞行时间，最多记录224个；并且在下次主波来之前，将记录的多次数据发送至光子解算模块；另外，电路会根据系统输入距离值实时修改时间门。附图说明[0040] 图1是单光子测距地面检测模拟系统原理图。[0041] 图2是主波周期可调控制原理图。[0042] 图3是同距离目标的光子点云数据图，其中：[0043] 图(1)是距离为800km的结果；[0044] 图(2)为距离为950Km的结果；[0045] 图(3)为1200Km的结果。[0046] 图4是不同衰减率下的光子点云数据图，其中：[0047] 图(1)是透过率为10％的结果；[0048] 图(2)为透过率为12.5％的结果；[0049] 图(3)为透过率为15％的结果。[0050] 图5是不同发射脉宽的光子点云数据图，其中：[0051] 图(1)是脉宽为16ns的结果[0052] 图(2)为脉宽32ns的结果；[0053] 图(3)为脉宽64ns的结果。[0054] 图6是匀速运动目标的光子点云数据图，其中：[0055] 图(1)是速度为1Km/s的结果；[0056] 图(2)是速度为1.5Km/s的结果。具体实施方式：[0057] 可调节输入参数：激光强度、目标距离、回波脉宽、衰减比，用于模拟不同探测条件和目标特性下的回波光子探测过程。具体调节选项和对应实施方式如下表所示：[0058][0059] 根据上述表格的操作指南，我们利用系统测试了几组不同条件下的光子回波数据：[0060] 不同距离目标的光子数据如图3所示：横坐标为主波发射脉冲数，纵坐标为光子飞行时间，从图中数据可见，不同的距离目标对应不同的飞行时间，连成一条线的点云为信号，其余随机分布的点为噪声。[0061] 不同衰减率下的光子数据如图4所示：β为光透过率，由于电路设计为采样满2048次数据就停止采样，衰减越高，噪声越低，则一次连续采样所包含的主波脉冲数越多，及横坐标越大。[0062] 不同脉宽的光子数据如图5所示：时间门位置和宽度的设置以及回波脉宽相对于TDC时间分辨单元的大小都会对探测概率产生一定的影响，通过在界面上设置测试系统中回波脉宽，从图中数据可知，脉宽越宽，噪声越大。[0063] 匀速运动目标的光子数据如图6所示：通过Excel表格导入以1km/s或1.5km/s匀速移动目标的距离变化信息，经过地检的软硬件系统，测试得到对应光子飞行时间数据。

专利地区：上海

专利申请日期：2022-02-24

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114545360B