[发明专利]基于MPPC光子计数统计的激光外差装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光主动探测研究领域，具体涉及采用多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter，简称MPPC)MPPC光子计数器实现微弱信号的激光外差探测，从回波信号语本振光干涉信号中提取目标由于运动或转动造成的多普勒频率移动，从而提供目标的运动信息。

背景技术

激光外差探测技术采用双频激光干涉原理实现对微弱目标信息的非接触式测量。具体应用可分为以下三个层次：

一、远程测量

采用激光外差探测技术能够实现对在轨卫星(非合作目标)的多普勒跟踪，作用距离可达到上千公里。典型系统为美国毛依岛空间观测站(MSSS)的Hi-CLASS系统，该系统发展的最后阶段，采用30Hz重频发射30J的激光脉冲，具备实时产生Doppler图像的能力，同时具备实时信号处理能力。但是采用CO2激光作为发射源，需要较大的发射功率，虽然相干长度足够，但作用距离受限于发射功率。若采用可见光波段的光子计数器，可以将光源功率大大降低，对系统小型化集成带来方便。

二、中程测量

采用激光外差探测技术能够实现对中远程弹道导弹进行真假弹头识别，作用距离能达到几百公里。典型系统为美国林肯实验室研制的Firepond激光雷达系统。从1998年开始，“火池”激光雷达开始承担了美国国防部目标识别/阻拦计划，用基于外差探测的激光雷达去辨识大气层外来袭目标。但该技术仍然依赖于高功率激光发射，激光器研制具有较大难度，若采用具有较高灵敏度的光子计数器，可大大降低系统发射功率；或在相同的发射功率下，提高系统的作用距离。

三、近程测量

激光外差探测的近程应用主要集中在几公里到十几公里范围内，实现的功能是伪装目标的侦察与识别。伪装目标包括掩盖中的坦克、军用卡车、地雷等，由于这些目标具有一定的隐蔽性，常规的成像探测方式难以实现目标与环境的区分。而激光外差探测技术是基于目标的振动频谱进行探测的，该振动可以是目标自身发出的，也可以是外加激发形成的受迫振动。

上述近程测量中，均采用长波红外和近红外激光器，长波红外探测器灵敏度不是很高，近红外探测器也有光子计数器，但都局限于单像素的，动态范围不大，容易造成饱和或者损伤探测器。

基于上述激光外差探测三个方面的主要应用，发展该项技术具有广阔的前景。然而，该探测方式的优点是能够实现对目标回波微弱信号的探测，但是对激光器本身的相干性要求较高，而目前的相干激光源的相干长度和发射功率这一对矛盾相互制约，在保证相干长度的基础上，激光功率有可能下降，势必导致回波信号较弱，甚至在光子级别。因此，研究光子级别的激光外差探测，将更加具有实用价值。

目前，由于激光器计数的迅猛发展，生产出高相干性能的激光器已经不再困难，但是针对远距离探测，所需要的激光发射功率较高，成本会急剧加大，因此，在激光器相干性满足要求的情况下，激光功率越小，对于系统研发越有利。因此，亟需解决极其微弱光电信号的探测，采用光子计数器不失为一个很好的选择，结合光学外差的接收方式，实现对目标运动或振动特性的非接触式测量，这将是未来微弱信号探测所面临的发展方向。

发明内容

本发明为解决现有激光外差探测中光源功率和相干相相矛盾的问题，提出一种基于MPPC光子计数统计的激光外差装置。

基于MPPC光子计数统计的激光外差的装置，该装置包括激光器、激光分束镜、激光扩束镜、旋转漫反射目标、激光回波接收望远镜、光学窄带滤波器、激光耦合透镜、声光调制器、偏振分光平片和信号接收装置，

所述激光器发出光束经激光分束镜后发生反射和透射，其中反射光束经声光调制器发生声光衍射后入射至偏振分光平片，经偏振分光平片后的光束反射至激光耦合透镜；

透射光束经激光扩束镜后入射至旋转漫反射目标表面，经过旋转漫反射目标调制后的反射光子进入激光回波接收望远镜，所述激光回波接收望远镜收集回波光子，并将收集的回波光子经过光学窄带滤波器进行滤波处理，经滤波处理后的回波光子进入偏振分光平片，经偏振分光平片后的光束透射至激光耦合透镜；

所述经激光耦合透镜后的光束聚焦到MPPC光子计数器表面并发生光学干涉；经MPPC光子计数器转化后的电信号由信号接收装置接收。