一种基于序列重构的单光子计数外差探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于序列重构的单光子计数外差探测方法，属于激光雷达探测领域，包括以下步骤：1.用光子计数探测器接收光子，产生光子脉冲序列，并记录脉冲序列时间间隔；2.以脉冲序列时间间隔为基础重构光子脉冲序列，得到重构脉冲序列；3.对步骤2的重构脉冲序列进行傅里叶变换，求得功率谱后，以信号频率段内最大值确定为外差信号频率，本发明专利技术解决了现有单光子外差探测技术产生的失配时间间隔干扰光子间隔所对应的外差信号波形，减弱信号振幅强度的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于序列重构的单光子计数外差探测方法
本专利技术属于激光雷达探测领域，涉及激光单光子技术外差探测领域，尤其涉及一种基于序列重构的单光子计数外差探测方法。
技术介绍
单光子探测技术是指，当即使只有一个光子到达探测器时，探测器也会输出一个脉冲信号。单光子外差探测技术的原理如图2和图3所示，如图2所示为脉冲信号示意图，当外差信号(正弦波或余弦波形式)的波谷到达时，探测器输出的脉冲信号间距最大；而当外差信号的波峰到达时，脉冲信号的间距最小。由于是对极微弱的信号，单光子量级的探测，光子到达探测器的时间具有很高的随机性，满足泊松分布。当不该有光子电脉冲信号输出时，可能会有光子到达产生脉冲信号，如图3中虚线所示脉冲；当该有光子电脉冲信号输出时，又可能没有光子到达产生电脉冲信号。以上两种情况都会产生“失配时间间隔”，从而干扰光子间隔所对应的外差信号波形，在频域上减弱信号振幅的强度，如图3所示为失配时间间隔对信号波形的干扰示意图。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供了一种基于序列重构的单光子计数外差探测方法，解决了现有单光子外差探测技术产生的失配时间间隔干扰光子间隔所对应的外差信号波形，减弱信号振幅强度的问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于序列重构的单光子计数外差探测方法，包括以下步骤：步骤1：接收光子，产生光子脉冲序列，并记录脉冲序列时间间隔；步骤2：以脉冲序列时间间隔为基础重构光子脉冲序列，得到重构脉冲序列；步骤3：对步骤2的重构脉冲序列进行傅里叶变换，求得功率谱后，以信号频率段内最大值确定为外差信号频率。进一步地，所述步骤1通过光子计数探测器接收光子。进一步地，所述步骤1中重构前的光子脉冲序列表示为：其中，K＝NS+NLO，K为总的光子数；δ(.)为德尔塔函数；tk为第k个光子到达的时间。进一步地，所述步骤2中的重构脉冲序列表示为：其中，τk为相邻两个德尔塔函数之间的间隔，Tu为探测时间；τmax为所有间隔中的最大值。进一步地，所述步骤3的具体步骤如下：步骤3.1：对步骤2的重构脉冲序列进行傅里叶变换，得到：步骤3.2：将步骤3.1的公式乘以其复共轭，得到功率谱：其中，τl是独立于τk的；步骤3.3：对功率谱从统计的角度进行分析，得到数学期望：得出k＝l的项有K个，k≠l的项有K2-K个；步骤3.4：由步骤3.3的数学期望公式得到：其中，p(τ)是时间间隔的概率密度分布函数，|Fp(ω)|2是p(τ)的功率谱密度；步骤3.5：将步骤3.4的公式代入步骤3.2的功率谱公式，得到：其中，为平均光子数，由上述公式可得出，重构脉冲序列的功率谱密度特性取决于p(τ)的功率谱密度|Fp(ω)|2，而|Fp(ω)|2中含有外差信号的频谱信息，因此得出，重构脉冲序列中依然保有外差信号的频率特性。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1.一种基于序列重构的单光子计数外差探测方法，根据脉冲序列间隔重构光子脉冲序列，将所有序列压缩到最大时间间隔内，有效降低了失配时间间隔对信号波形的影响，从而增大了信号强度。2.本专利技术中序列重构只需要光子脉冲序列的时间间隔，可实现短脉冲信号的拼接，当脉冲时间很短时，由于信号微弱，脉冲时间内只有少量光子，此时对其实行功率谱分析没有意义，而用本专利技术的重构方法，将多个脉冲的光子脉冲时间间隔重构为一个较长的序列，然后可以实现功率谱的平均积累。3.本专利技术中将所有序列压缩到最大时间间隔内，减少了重构后的序列时间，从而减少了后续处理的时间，增加了光子计数的整体效率，便于实际应用的处理。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：图1是本专利技术的流程图；图2是本专利技术的脉冲信号示意图；图3是本专利技术失配时间间隔对信号波形的干扰示意图；图4是本专利技术实施例一的脉冲序列分布情况；图5是本专利技术实施例一的重构脉冲序列分布情况；图6是本专利技术实施例一的脉冲序列仿真图；图7是本专利技术实施例一的重构脉冲序列仿真图；图8是本专利技术实施例一的脉冲序列功率谱分布；图9是本专利技术实施例一的重构脉冲序列功率谱分布；图10是本专利技术根据时间间隔对段脉冲进行拼接的原理图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术，即所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本专利技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施例。基于本专利技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。一种基于序列重构的单光子计数外差探测方法，解决了现有单光子外差探测技术产生的失配时间间隔干扰光子间隔所对应的外差信号波形，减弱信号振幅强度的问题，如图1所示，包括以下步骤：步骤1：接收光子，产生光子脉冲序列，并记录脉冲序列时间间隔；步骤2：以脉冲序列时间间隔为基础重构光子脉冲序列，得到重构脉冲序列；步骤3：对步骤2的重构脉冲序列进行傅里叶变换，求得功率谱后，以信号频率段内最大值对于频率为外差信号频率。本专利技术根据脉冲序列间隔重构光子脉冲序列，将所有序列压缩到最大时间间隔内，有效降低了失配时间间隔对信号波形的影响，从而增大了信号强度。进一步地，所述步骤1通过光子计数探测器接收光子。进一步地，所述步骤1中的光子脉冲序列表示为：其中，K＝NS+NLO，K为总的光子数；δ(.)为德尔塔函数；tk为第k个光子到达的时间。进一步地，所述步骤2中的重构脉冲序列表示为：其中，τk为相邻两个德尔塔函数之间的间隔，Tu为探测时间；τmax为所有间隔中的最大值。进一步地，重构虽然可以减小失配时间间隔的影响，但如果重构后的序列不含有信号频率信息，重构是没有意义的。因此，以下分析内容说明，序列重构会继续保有外差信号的频率信息。更进一步地，所述步骤3的具体步骤如下：步骤3.1：对步骤2的重构脉冲序列进行傅里叶变换，得到：步骤3.2：将步骤3.1的公式乘以其复共轭，得到功率谱：其中，τl是独立于τk的；步骤3.3：对功率谱从统计的角度进行分析，得到数学期望：得出k＝l的项有K个，k≠l的项有K2-K个；步骤3.4：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于序列重构的单光子计数外差探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：接收光子，产生光子脉冲序列，并记录脉冲序列时间间隔；步骤2：以脉冲序列时间间隔为基础重构光子脉冲序列，得到重构脉冲序列；步骤3：对步骤2的重构脉冲序列进行傅里叶变换，求得功率谱后，以信号频率段内最大值确定为外差信号频率。

【技术特征摘要】
1.一种基于序列重构的单光子计数外差探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：接收光子，产生光子脉冲序列，并记录脉冲序列时间间隔；步骤2：以脉冲序列时间间隔为基础重构光子脉冲序列，得到重构脉冲序列；步骤3：...

【专利技术属性】
技术研发人员：董洪舟，刘水，杨春平，敖明武，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51