一种振动测试量子光学系统和信号处理方法与流程

本申请涉及激光探测，尤其涉及一种振动测试量子光学系统和信号处理方法。

背景技术：

1、光学手段已成为测量和分析机械振动的首选工具。在光学振动检测设备中，探测器测量从目标物体表面反射或散射的光学信号，并从测量信号中提取目标的位移或振动信息。

2、常见的光学振动计是基于光学干涉效应的，将返回的光信号和本地的参考光信息混合，并通过干涉条纹对目标的运动信息进行探测。该方案可以获得亚波长量级的位移灵敏度。虽然这种基于光学干涉的振动计能够获得比较高的位移灵敏度和带宽，但是它要求测量所用的激光具有较长的相干时间，并且返回的光学信号强度较高且功率稳定。因此，这种振动计方案不适用于返回光信号微弱，或者表面粗糙的目标物体散射形成动态散斑的场景。

3、散斑噪声会导致光学信号的相位和强度失真。目前几种减轻散斑噪声影响的技术方案已经被提出。例如，可以使用测量的电子信号的峰度比来检测，然后通过时域和频域滤波的组合来降低散斑噪声。此外，扫描平均技术可以通过快速将光束扫过目标表面并随后降低扫描频率来模糊散斑图案。在另一种方法中，通过在两个相位角之间进行差分测量，使用两个光电二极管进行平衡检测。这些方案只能减轻散斑噪声的影响，但实施起来可能成本高昂且复杂。对高强度光学信号的需求和由散斑噪声引起的失真仍然是基于干涉的振动测量中的主要限制因素。

4、基于以上分析，人们提出了了基于强度测量的振动计，即通过电荷耦合器件(ccd)相机对返回光信号的强度进行探测，并且结合后处理算法实现单个散斑的运动跟踪，从而进行振动测量。这种振动计方案主要是受ccd相机刷新速率、光学信号强度分布情况以及后处理的计算成本等因素的限制。因此人们提出了改进方案，通过望远镜系统将二维的散斑图像聚焦到线阵ccd相机上。这增加了每个像素的最大帧刷新速率，同时降低了后处理的数据维数。同理，可以用单像素光电二极管代替线阵ccd，在探测器前方加入一个光圈或掩模，通过调整光圈或掩模来控制收集的散斑的数量，通过对多个散斑求和来增加平均强度。然而这是以信号对比度(调制深度)作为代价的。光电二极管比ccd具有更高的帧速率和检测灵敏度，但是大振幅情况下会受到谐波失真的影响。同时当返回光信号低于光电二极管的接受灵敏度时，该系统无法正常工作。

5、对于遥感探测，返回信号十分微弱，会低于光电二极管的接收灵敏度。原则上可以通过增加输出激光的功率和延长检测停留时间来克服，但是在实际应用中会引起更多的问题。高功率的激光输出对人眼的危害极大，因此不可能无限制地增大激光功率。对于延长检测时间会导致检测带宽下降，使系统无法检测高频的振动信号。

技术实现思路

1、本申请提出一种振动测试量子光学系统和信号处理方法，解决遥感探测信号微弱条件下测量失真的问题。

2、本申请实施例提供一种振动测试量子光学系统，包括锁模脉冲激光器、单光子探测器、计数器和处理器。所述锁模脉冲激光器输出激光经外界反射后进入单光子探测器，产生光电信号，在门控时长内进入所述单光子探测器的光子计数小于1。所述计数器，用于确定每一个门控时长内的光子计数，生成连续的多个门控时长范围内的光子计数时间序列。所述处理器，用于对所述光子计数时间序列进行傅里叶变换生成目标物体振动信息。

3、进一步地，还包括对所述锁模脉冲激光器输出光进行处理的准直系统，准直系统输出光经外界反射后，再反向经过所述准直系统进入所述单光子激光器。

4、进一步地，还包括配置在所述振动测试量子光学系统输出端的扫描反射镜；所述扫描反射镜接收反射镜控制信号，改变所述扫描反射镜的角度使规定的时间窗口内的计数器累计光子计数增大。

5、进一步地，所述锁模脉冲激光器接收重复频率控制信号，改变脉冲重复频率提高对比度噪声比。

6、进一步地，所述处理器，还用于对光子计数时间序列进行小波变换，对得到的小波系数进行去噪声处理，对处理后的小波系数再进行逆变换。

7、本申请实施例还提供一种振动测试量子光学系统信号处理方法，使用上述任意一项实施例所述的系统测量目标物体的振动，包含步骤：

8、确定所述系统和所述目标物体之间的距离或介质参数使在门控时长内进入所述单光子探测器的光子计数小于1；

9、锁模脉冲激光器在重复频率数十至数百范围内输出皮秒量级光脉冲，计算每一个门控时长内的光子计数，生成连续的多个门控时长范围内的光子计数时间序列；

10、对所述光子计数时间序列进行傅里叶变换生成目标物体振动信息。

11、进一步地，在输出光脉冲的步骤之前，还包括以下步骤：控制配置在所述振动测试量子光学系统输出端的扫描反射镜，改变所述扫描反射镜的角度使规定的时间窗口内的计数器累计光子计数大于第一设定阈值。

12、进一步地，还包含以下步骤：改变脉冲重复频率，使对比度噪声比大于第二设定阈值。

13、进一步地，在对所述光子计数时间序列进行傅里叶变换生成目标物体振动信息之前，还包含以下步骤：

14、对光子计数时间序列进行小波变换，对得到的小波系数进行去噪声处理，对处理后的小波系数再进行逆变换，更新光子计数时间序列。

15、进一步地，所述对比度噪声比定义为：

16、或其中δn为多个门控时长的光子计数差值，n1为第1个门控时长内光子计数，n2为第2个门控时长内光子计数，为多个门控时长的光子计数的平均值。

17、本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

18、本申请可以实现基于非常微弱的返回信号的光子计数的单光子灵敏光学测振法。它对光子探测率进行采样，以直接测量从目标反向散射的强度调制信号，从而检测振动信息。量子光学振动计技术能够在每个脉冲平均检测到的光子数少于0.01的情况下工作，可以检测小至110nm的振动位移，并可分辨高达4khz的频率。量子光学振动计的测量带宽可以使用更高频率的重复脉冲或更高探测效率的检测器来增加，能允许高达超声频率的单光子灵敏振动测量，这对光学弹性成像、声光传感和单光子成像很有用。

技术特征：

1.一种振动测试量子光学系统，其特征在于，包括锁模脉冲激光器、单光子探测器、计数器和处理器；

2.如权利要求1所述的振动测试量子光学系统，其特征在于，还包括对所述锁模脉冲激光器输出光进行处理的准直系统，准直系统输出光经外界反射后，再反向经过所述准直系统进入所述单光子激光器。

3.如权利要求1所述的振动测试量子光学系统，其特征在于，还包括配置在所述振动测试量子光学系统的输出端的扫描反射镜；所述扫描反射镜接收反射镜控制信号，改变所述扫描反射镜的角度使规定的时间窗口内的计数器累计光子计数增大。

4.如权利要求1所述的振动测试量子光学系统，其特征在于，所述锁模脉冲激光器接收重复频率控制信号，改变脉冲重复频率提高对比度噪声比。

5.如权利要求1所述的振动测试量子光学系统，其特征在于，所述处理器，还用于对光子计数时间序列进行小波变换，对得到的小波系数进行去噪声处理，对处理后的小波系数再进行逆变换。

6.一种振动测试量子光学系统信号处理方法，使用权利要求1～5任意一项所述的系统测量目标物体的振动，其特征在于，

7.如权利要求6所述的振动测试量子光学系统信号处理方法，其特征在于，在输出光脉冲的步骤之前，还包括以下步骤：控制配置在所述振动测试量子光学系统输出端的扫描反射镜，改变所述扫描反射镜的角度使规定的时间窗口内的计数器累计光子计数大于第一设定阈值。

8.如权利要求6所述的振动测试量子光学系统信号处理方法，其特征在于，还包含以下步骤：改变脉冲重复频率，使对比度噪声比大于第二设定阈值。

9.如权利要求6所述的振动测试量子光学系统信号处理方法，其特征在于，在对所述光子计数时间序列进行傅里叶变换生成目标物体振动信息之前，还包含以下步骤：

10.如权利要求8所述的振动测试量子光学系统信号处理方法，其特征在于，所述对比度噪声比定义为：

技术总结
本申请公开了一种振动测试量子光学系统和信号处理方法，解决遥感探测信号微弱条件下测量失真的问题。锁模脉冲激光器输出激光经外界反射后进入单光子探测器，产生光电信号，在门控时长内进入所述单光子探测器的光子计数小于1。计数器，用于确定每一个门控时长内的光子计数，生成连续的多个门控时长范围内的光子计数时间序列。处理器，用于对所述光子计数时间序列进行傅里叶变换生成目标物体振动信息。本申请可以实现基于非常微弱的返回信号的光子计数的单光子灵敏光学测振法，能允许高达超声频率的单光子灵敏振动测量，对光学弹性成像、声光传感和单光子成像有显著提升。

技术研发人员：张萌,赖俊森,王敬,姚飞
受保护的技术使用者：中国信息通信研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15