專利名稱：利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光信號檢測技術(shù)，具體是一種利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的裝置 及方法。
背景技術(shù)：
脈沖激光器被廣泛運用于精密測量、通訊與信息處理和軍事等領(lǐng)域。在脈沖激光 器的應(yīng)用領(lǐng)域中，普遍要求脈沖激光器所輸出的脈沖激光信號具有較高的信號背景比。然 而在實際應(yīng)用中，微弱脈沖激光信號的信號背景比往往較低，即當使用光電探測器對微弱 脈沖激光信號進行檢測時，由于背景光(主要來源于周圍環(huán)境的自然光、光學元件污染造成 雜散光等)的存在，脈沖激光信號會受到背景光的干擾而不能被有效的探測，因此抑制背景 光的干擾對提高脈沖激光信號的信號背景比尤為重要。目前，抑制背景光的干擾主要通過 設(shè)置同步光學開關(guān)以及光學濾波器來進行，同步光學開關(guān)可以消除與脈沖激光信號不同步 的背景光，光學濾波器可以消除脈沖激光信號頻率以外的背景光噪聲，但同步光學開關(guān)和 光學濾波器均無法消除與脈沖激光信號同步并且頻率相同的背景光。基于此，有必要發(fā)明 一種能夠消除與脈沖激光信號同步以及頻率相同的背景光的裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有抑制背景光技術(shù)無法消除與脈沖激光信號同步以及頻率相 同的背景光的問題，提供了一種利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的裝置及方法。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的裝置，包 括脈沖激光器、目標靶、雙光學開關(guān)、單光子探測器、以及計算機；雙光學開關(guān)包括第一聲光 調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器；脈沖激光器的外部觸發(fā)輸入端連接有脈沖信號發(fā)生器，脈沖信 號發(fā)生器的外部觸發(fā)輸入端連接有函數(shù)信號發(fā)生器，脈沖信號發(fā)生器的輸出端連接有時間 幅度轉(zhuǎn)換儀；第一聲光調(diào)制器的驅(qū)動模塊與函數(shù)信號發(fā)生器的輸出端相連，第二聲光調(diào)制 器的驅(qū)動模塊與脈沖信號發(fā)生器的輸出端相連；時間幅度轉(zhuǎn)換儀的開始信號輸入端與脈沖 信號發(fā)生器的輸出端相連，時間幅度轉(zhuǎn)換儀的停止信號輸入端與單光子探測器的輸出端相 連；單光子探測器的輸出端連接有多功能數(shù)據(jù)采集卡，時間幅度轉(zhuǎn)換儀的輸出端連接有多 通道分析器，多功能數(shù)據(jù)采集卡和多通道分析器均與計算機相連；脈沖激光器和目標靶之 間設(shè)有半透半反棱鏡，半透半反棱鏡和第一聲光調(diào)制器之間設(shè)有全息光學濾波片，第一聲 光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器之間設(shè)有第一光闌，第二聲光調(diào)制器和單光子探測器之間設(shè)有 第二光闌。利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的方法(所述方法在本發(fā)明所述的利用雙光學開 關(guān)消除背景光信號的裝置中完成)，該方法是采用如下步驟實現(xiàn)的
a.函數(shù)信號發(fā)生器輸出邏輯電脈沖信號加載于第一聲光調(diào)制器的驅(qū)動模塊，同時函 數(shù)信號發(fā)生器輸出同步信號觸發(fā)脈沖信號發(fā)生器；脈沖信號發(fā)生器輸出與邏輯電脈沖信 號同步且延遲時間可以控制的第一脈沖信號和第二脈沖信號，第一脈沖信號觸發(fā)脈沖激光器，第二脈沖信號觸發(fā)時間幅度轉(zhuǎn)換儀，同時脈沖信號發(fā)生器輸出與邏輯電脈沖信號頻率 相同且延遲時間可以控制的第三脈沖信號，第三脈沖信號加載于第二聲光調(diào)制器的驅(qū)動模 塊；
b.脈沖激光器輸出脈沖激光并照射到目標靶上，經(jīng)目標靶反射回的脈沖激光通過半透 半反棱鏡反射后，再經(jīng)全息光學濾波片濾波后入射到第一聲光調(diào)制器，在邏輯電脈沖信號 的控制下，第一聲光調(diào)制器將脈沖激光與背景光在時域上進行分離；在第三脈沖信號的控 制下，第二聲光調(diào)制器將分離出的背景光消除，同時將分離出的脈沖激光入射到單光子探 測器；
c.單光子探測器將探測到的脈沖激光轉(zhuǎn)化為邏輯信號輸入多功能數(shù)據(jù)采集卡進行計 數(shù)，同時將邏輯信號輸入時間幅度轉(zhuǎn)換儀；時間幅度轉(zhuǎn)換儀將邏輯信號與第二脈沖信號之 間的延時轉(zhuǎn)化為脈沖電壓幅度信號輸入多通道分析器進行統(tǒng)計；多通道分析器將統(tǒng)計數(shù)據(jù) 輸入計算機進行分析處理。與現(xiàn)有抑制背景光技術(shù)相比，本發(fā)明所述的利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的裝 置及方法采用由兩個聲光調(diào)制器構(gòu)成的雙光學開關(guān)來抑制脈沖激光中的背景光，通過控制 加載在兩個聲光調(diào)制器驅(qū)動模塊上的邏輯控制信號之間的延遲時間，能夠獲得被完全抑制 掉背景光之后的脈沖激光，其可以有效抑制背景光學噪聲，實現(xiàn)微弱光脈沖信號的有效恢 復(fù)，提高被探測的脈沖信號的信號背景比，可應(yīng)用于激光測距、光纖通訊、單光子檢測、激光 光譜等測量。本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有抑制背景光技術(shù)無法消除與脈沖激光信號同步以及頻率 相同的背景光的問題，適用于精密測量、通訊與信息處理和軍事等領(lǐng)域的微弱脈沖激光信 號檢測。


圖1是本發(fā)明所述的利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明所述的利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的方法的信號時序控制圖。圖3是本發(fā)明所述的利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的方法中脈沖激光通過第 一聲光調(diào)制器后相對于背景光的延時圖。圖4是不同強度的脈沖激光相對于相同強度背景光的延時圖。圖5是第二聲光調(diào)制器對背景光的消除效果圖。圖6是第三脈沖信號的延遲時間與脈沖激光的信號背景比之間的關(guān)系曲線圖。圖中1_脈沖激光器，2-目標靶，3-第一聲光調(diào)制器，4-第二聲光調(diào)制器，5-單光 子探測器，6-多功能數(shù)據(jù)采集卡，7-函數(shù)信號發(fā)生器，8-脈沖信號發(fā)生器，9-時間幅度轉(zhuǎn)換 儀，10-多通道分析器，11-計算機，12-半透半反棱鏡，13-全息光學濾波片，14-第一光闌， 15-第二光闌；
A為函數(shù)信號發(fā)生器輸出的邏輯電脈沖信號，B為脈沖信號發(fā)生器輸出的第一脈沖信 號，C為脈沖信號發(fā)生器輸出的第二脈沖信號，D為脈沖信號發(fā)生器輸出的第三脈沖信號； τ C1為邏輯電脈沖信號的延遲時間，τ工為第一脈沖信號的延遲時間，τ2為第二脈沖信 號的延遲時間，τ 3為第三脈沖信號的延遲時間。
具體實施例方式
利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的裝置，包括脈沖激光器1、目標靶2、雙光學開 關(guān)、單光子探測器5、以及計算機11 ；雙光學開關(guān)包括第一聲光調(diào)制器3和第二聲光調(diào)制器 4 ；脈沖激光器1的外部觸發(fā)輸入端連接有脈沖信號發(fā)生器8，脈沖信號發(fā)生器8的外部觸 發(fā)輸入端連接有函數(shù)信號發(fā)生器7，脈沖信號發(fā)生器8的輸出端連接有時間幅度轉(zhuǎn)換儀9 ； 第一聲光調(diào)制器3的驅(qū)動模塊與函數(shù)信號發(fā)生器7的輸出端相連，第二聲光調(diào)制器4的驅(qū) 動模塊與脈沖信號發(fā)生器8的輸出端相連；時間幅度轉(zhuǎn)換儀9的開始信號輸入端與脈沖信 號發(fā)生器8的輸出端相連，時間幅度轉(zhuǎn)換儀9的停止信號輸入端與單光子探測器5的輸出 端相連；單光子探測器5的輸出端連接有多功能數(shù)據(jù)采集卡6，時間幅度轉(zhuǎn)換儀9的輸出端 連接有多通道分析器10，多功能數(shù)據(jù)采集卡6和多通道分析器10均與計算機11相連；脈 沖激光器1和目標靶2之間設(shè)有半透半反棱鏡12，半透半反棱鏡12和第一聲光調(diào)制器3之 間設(shè)有全息光學濾波片13，第一聲光調(diào)制器3和第二聲光調(diào)制器4之間設(shè)有第一光闌14， 第二聲光調(diào)制器4和單光子探測器5之間設(shè)有第二光闌15 ；
利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的方法，所述方法在如權(quán)利要求1中所述的利用雙光 學開關(guān)消除背景光信號的裝置中完成，該方法是采用如下步驟實現(xiàn)的
a.函數(shù)信號發(fā)生器7輸出邏輯電脈沖信號A加載于第一聲光調(diào)制器3的驅(qū)動模塊，同 時函數(shù)信號發(fā)生器7輸出同步信號觸發(fā)脈沖信號發(fā)生器8 ；脈沖信號發(fā)生器8輸出與邏輯 電脈沖信號A同步且延遲時間可以控制的第一脈沖信號B和第二脈沖信號C，第一脈沖信 號B觸發(fā)脈沖激光器1，第二脈沖信號C觸發(fā)時間幅度轉(zhuǎn)換儀9，同時脈沖信號發(fā)生器8輸 出與邏輯電脈沖信號A頻率相同且延遲時間可以控制的第三脈沖信號D，第三脈沖信號D加 載于第二聲光調(diào)制器4的驅(qū)動模塊；
b.脈沖激光器1輸出脈沖激光并照射到目標靶2上，經(jīng)目標靶2反射回的脈沖激光通 過半透半反棱鏡12反射后，再經(jīng)全息光學濾波片13濾波后入射到第一聲光調(diào)制器3，在邏 輯電脈沖信號A的控制下，第一聲光調(diào)制器3將脈沖激光與背景光在時域上進行分離；在第 三脈沖信號D的控制下，第二聲光調(diào)制器4將分離出的背景光消除，同時將分離出的脈沖激 光入射到單光子探測器5 ；
c.單光子探測器5將探測到的脈沖激光轉(zhuǎn)化為邏輯信號輸入多功能數(shù)據(jù)采集卡6進 行計數(shù)，同時將邏輯信號輸入時間幅度轉(zhuǎn)換儀9 ；時間幅度轉(zhuǎn)換儀9將邏輯信號與第二脈沖 信號C之間的延時轉(zhuǎn)化為脈沖電壓幅度信號輸入多通道分析器10進行統(tǒng)計；多通道分析器 10將統(tǒng)計數(shù)據(jù)輸入計算機11進行分析處理；
具體工作時，第一光闌14的作用是濾除由第一聲光調(diào)制器3出射的零級衍射光，第二 光闌15的作用是濾除由第二聲光調(diào)制器4出射的零級衍射光；邏輯電脈沖信號A、第一脈 沖信號B、第二脈沖信號C、第三脈沖信號D之間的信號控制時序如圖2所示；通過控制邏輯 電脈沖信號A的延遲時間，使得第一聲光調(diào)制器3將脈沖激光與背景光在時域上進行分離， 分離效果如圖3所示；脈沖激光強度不同，其相對于背景光的延遲時間也不同，如圖4所示； 通過控制第三脈沖信號D的延遲時間，使得第二聲光調(diào)制器4對背景光的消除效果也不同， 如圖5所示；第三脈沖信號D的延遲時間不同，脈沖激光的信號背景比也不同，如圖6所示；
具體實施時，脈沖激光器1采用PicoQuant生產(chǎn)的PDL808型皮秒脈沖激光器，第一聲 光調(diào)制器3和第二聲光調(diào)制器4均采用Crystal Technology生產(chǎn)的3080-122型聲光調(diào)制器，單光子探測器5采用Perkin-Elmer生產(chǎn)的SPCM-AQR-15型單光子探測器，多功能數(shù)據(jù) 采集卡6采用National Instruments生產(chǎn)的NI6251型數(shù)據(jù)采集卡，時間幅度轉(zhuǎn)換儀9采 用ORTEC生產(chǎn)的567-TAC型時間幅度轉(zhuǎn)換儀，其量程為500ns對應(yīng)于IOV的脈沖電壓幅度， 多通道分析器10采用ORTEC生產(chǎn)的MAESTR0-32型多通道分析器，其通道數(shù)為2048道。
權(quán)利要求
一種利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的裝置，其特征在于包括脈沖激光器(1)、目標靶(2)、雙光學開關(guān)、單光子探測器(5)、以及計算機(11)；雙光學開關(guān)包括第一聲光調(diào)制器(3)和第二聲光調(diào)制器(4)；脈沖激光器(1)的外部觸發(fā)輸入端連接有脈沖信號發(fā)生器(8)，脈沖信號發(fā)生器(8)的外部觸發(fā)輸入端連接有函數(shù)信號發(fā)生器(7)，脈沖信號發(fā)生器(8)的輸出端連接有時間幅度轉(zhuǎn)換儀(9)；第一聲光調(diào)制器(3)的驅(qū)動模塊與函數(shù)信號發(fā)生器(7)的輸出端相連，第二聲光調(diào)制器(4)的驅(qū)動模塊與脈沖信號發(fā)生器(8)的輸出端相連；時間幅度轉(zhuǎn)換儀(9)的開始信號輸入端與脈沖信號發(fā)生器(8)的輸出端相連，時間幅度轉(zhuǎn)換儀(9)的停止信號輸入端與單光子探測器(5)的輸出端相連；單光子探測器(5)的輸出端連接有多功能數(shù)據(jù)采集卡(6)，時間幅度轉(zhuǎn)換儀(9)的輸出端連接有多通道分析器(10)，多功能數(shù)據(jù)采集卡(6)和多通道分析器(10)均與計算機(11)相連；脈沖激光器(1)和目標靶(2)之間設(shè)有半透半反棱鏡(12)，半透半反棱鏡(12)和第一聲光調(diào)制器(3)之間設(shè)有全息光學濾波片(13)，第一聲光調(diào)制器(3)和第二聲光調(diào)制器(4)之間設(shè)有第一光闌(14)，第二聲光調(diào)制器(4)和單光子探測器(5)之間設(shè)有第二光闌(15)。
2.一種利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的方法，所述方法在如權(quán)利要求1中所述的 利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的裝置中完成，其特征在于該方法是采用如下步驟實現(xiàn) 的a.函數(shù)信號發(fā)生器(7)輸出邏輯電脈沖信號(A)加載于第一聲光調(diào)制器(3)的驅(qū)動模 塊，同時函數(shù)信號發(fā)生器(7)輸出同步信號觸發(fā)脈沖信號發(fā)生器(8)；脈沖信號發(fā)生器(8) 輸出與邏輯電脈沖信號(A)同步且延遲時間可以控制的第一脈沖信號(B)和第二脈沖信號 (C)，第一脈沖信號(B)觸發(fā)脈沖激光器(1)，第二脈沖信號(C)觸發(fā)時間幅度轉(zhuǎn)換儀(9)，同 時脈沖信號發(fā)生器(8)輸出與邏輯電脈沖信號(A)頻率相同且延遲時間可以控制的第三脈 沖信號(D)，第三脈沖信號(D)加載于第二聲光調(diào)制器(4)的驅(qū)動模塊；b.脈沖激光器(1)輸出脈沖激光并照射到目標靶(2)上，經(jīng)目標靶(2)反射回的脈沖激 光通過半透半反棱鏡(12)反射后，再經(jīng)全息光學濾波片(13)濾波后入射到第一聲光調(diào)制 器(3)，在邏輯電脈沖信號(A)的控制下，第一聲光調(diào)制器(3)將脈沖激光與背景光在時域 上進行分離，在第三脈沖信號(D)的控制下，第二聲光調(diào)制器(4)將分離出的背景光消除， 同時將分離出的脈沖激光入射到單光子探測器(5)；c.單光子探測器(5)將探測到的脈沖激光轉(zhuǎn)化為邏輯信號輸入多功能數(shù)據(jù)采集卡 (6)進行計數(shù)，同時將邏輯信號輸入時間幅度轉(zhuǎn)換儀(9);時間幅度轉(zhuǎn)換儀(9)將邏輯信號與 第二脈沖信號(C)之間的延時轉(zhuǎn)化為脈沖電壓幅度信號輸入多通道分析器(10)進行統(tǒng)計； 多通道分析器(10)將統(tǒng)計數(shù)據(jù)輸入計算機(11)進行分析處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及光信號檢測技術(shù)，具體是一種利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的裝置及方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有抑制背景光技術(shù)無法消除與脈沖激光信號同步以及頻率相同的背景光的問題。利用雙光學開關(guān)消除背景光信號的裝置包括脈沖激光器、目標靶、雙光學開關(guān)、單光子探測器、以及計算機；雙光學開關(guān)包括第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器；脈沖激光器的外部觸發(fā)輸入端連接有脈沖信號發(fā)生器，脈沖信號發(fā)生器的外部觸發(fā)輸入端連接有函數(shù)信號發(fā)生器，脈沖信號發(fā)生器的輸出端連接有時間幅度轉(zhuǎn)換儀。本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有抑制背景光技術(shù)無法消除與脈沖激光信號同步以及頻率相同的背景光的問題，適用于精密測量、通訊與信息處理和軍事等領(lǐng)域的微弱脈沖激光信號檢測。
文檔編號H01S3/00GK101969177SQ20101029970
公開日2011年2月9日 申請日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月8日
發(fā)明者張國鋒, 肖連團, 賈鎖堂, 馬杰, 高巖 申請人:山西大學