基于ICCD光子计数的滤光片透过率测试

针对光经深截止滤光片衰减后,达到光子计数水平,其透过率难以用一般测量仪器测出的情况,设计了基于ICCD的光子计数成像系统,介绍了系统的工作原理,硬件组成和图像处理所涉及到的软件算法,给出了利用单位时间内透过的光子数计算透过率的计算方法,并对一给定的日盲滤光片进行了透过率测试。在特定波长范围内,测试结果的数值相对实际情况偏小,测试结果的数量级与实际一致,表明该系统的测试稳定性较高。经过分析,系统最小可探测到每秒钟几百个光子,可用于经滤光片衰减后达光子计数水平的滤光片透过率测试。     

一种灵巧的高灵敏固态APD的光子计数成像装置

为了实现极微弱光环境下的目标探测成像,采用在盖革模式下工作的固态雪崩光电二极管作为探测单元,搭建了光子计数成像实验装置;然后通过装置得到的灰度等级测试图的光子计数频率值,建立了反映光子计数频率与图像灰度之间关系的光子计数成像灰度模型。基于此模型得到了较好的目标光子计数图像。     

基于SiC APD的日盲紫外单光子计数读出电路设计与应用

针对宽禁带半导体SiC APD紫外单光子探测器,本文提出了一种1×8线阵型单光子计数读出电路.根据光强条件并通过合适的时序控制,可选取固定门控或互补门控探测方式,实现宽动态范围紫外光子信号的探测计数.读出电路采用TSMC 0.18μm CMOS工艺制备,测试结果表明,读出电路具备单光子探测功能,性能与仿真分析预期结果吻合.最终,借助微动系统二维转台完成对日盲紫外单波长光子的探测与成像,实现对多个独立紫外光源的准确区分与目标定位.     

日盲紫外波段电晕成像特性的仿真研究

由于国内对紫外的视景仿真研究较少,本文提出了一种基于日盲紫外波段的电晕成像仿真方法。该方法研究了试验电压和探测距离对绝缘子缺陷电晕放电的紫外光子计数的影响,提出了改进的经验公式。提出了利用像素点对应紫外光子仿真电晕放电的算法,得到了电晕放电的紫外仿真图像。通过在vieWTerra视景仿真平台中建立绝缘子模型,获得了可见光图像。将可见光图像和紫外图像通过加权平均图像融合方法进行融合,得到日盲紫外波段的电晕成像仿真图,为研究日盲紫外视景仿真提供了参考。     

基于光子计数的关联成像实验研究

利用光纤分束器和N个单光子探测器,提出了一种微弱光探测下的单脉冲光子计数方案。将该光子计数方案与关联成像原理结合,搭建了一套光子计数探测模式下的关联成像实验平台。实验研究了微弱光探测条件下光子计数的动态范围对关联成像质量的影响,分析并探讨了基于光子计数的关联成像需进一步深入研究的问题。     

Vernier阳极探测器及其电子读出电路的设计

介绍基于一维游标阳极的紫外单光子计数成像探测系统及其信号预处理电路的原理,重点设计和制作了一维游标阳极探测器的前端电子读出电路,用以探测脉宽100~200 ms,电荷量为1~20 pc的脉冲。通过使用自己实验室搭建的单光子计数成像系统对电子读出电路进行了测试。测试结果表明,电子读出电路能够满足探测系统的成像要求,并在实验中利用电路对掩膜板成像,成功获得了灰度图像。     

基于机载双基地SAR的两种成像算法的比较

首先建立了机载双基地SAR的信号模型,然后简要描述了RD算法以及波数域算法的基本成像原理和算法流程,最后基于双基地SAR的信号模型运用RD算法及波数域算法对点目标及面目标进行成像,并分析比较了在正侧式飞行模式下用两种成像算法的优缺点。     

单光子量子雷达的恒虚警检测条件

量子雷达是将量子效应引入经典雷达探测领域,解决经典雷达在探测、测量和成像等方面的技术瓶颈,提升雷达综合性能的技术。文中简述了量子雷达的基本原理及光子计数体制雷达在这一领域所处的地位,基于普朗克公式和奈奎斯特公式分析了光子计数体制雷达的量子物理基础,基于纽曼·皮尔逊准则推导了光子计数体制中最优的信号检测准则,提出了光子计数体制量子雷达的恒虚警检测条件,基于真实环境进行了光子计数雷达的信号检测仿真,并对比了文中提出的方法相对于经典雷达信号检测方法在光子计数体制下的优势。     

日盲型紫外告警系统探测距离及方位角测量的研究

太阳光辐射中的0.24～0.28μm波段被大气中臭氧层强烈吸收,使该波段的紫外辐射难以到达近地表面,形成了日盲区.日盲型紫外告警系统因此具有简单的工作背景.分析了日盲型紫外告警系统的原理,以此为基础搭建了一套实验系统;从能量传递的角度出发,对系统最远探测距离的计算进行了推导,求得实验系统对典型目标探测距离可达5 km;以光学成像理论为基础,对目标方位角的测量算法进行了探讨,经实验验证,系统测量精度可达0.2°.     

基于数字TDI技术的紫外成像系统的设计

为了实现高灵敏度紫外探测,基于600×500元紫外电荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD) 图像传感器,创新性地运用软件开窗技术设计了一种基于数字时间延迟积分(Time Delay Integration, TDI)的 紫外成像系统。具体分析了成像系统的噪声来源以及TDI阶数M对成像系统信噪比的影响,并从理论上分析了 采用M阶数字TDI技术对成像系统信噪比的影响。然后详细介绍了在FPGA内部实现数字TDI算法的情况,并给 出了数据采集系统中的上位机交互流程。实验结果表明,基于数字TDI技术的紫外成像系统可以获得较 高的图像对比度和信噪比以及优良的成像质量。     

运动条件下光子计数激光测距系统点云数据的处理

研究了运动条件下光子计数激光测距系统的探测机制,分析了该系统在数据处理中涉及到的回波光子信号的统计特性、探测概率等理论问题。针对运动条件下的测距背景,根据该系统的回波信号特点,基于Matlab产生了符合统计分布规律的包含目标回波和噪声回波的仿真信号。在对泊松滤波算法等传统数据处理算法进行研究的基础上,提出了一种改进的基于栅格滤波的算法,并利用该算法对仿真回波数据进行了处理,最终有效滤除了随机分布于整个探测空间的噪声信号,获得了目标的运动轨迹。与传统的数据处理算法相比,该算法对运动条件下的光子计数激光测距数据具有良好的处理效果。     

基于单光子线性APD的信息提取算法研究

针对新型单光子线性APD器件获得信息维度多、灵敏度高的特点,提出了一种基于单光子线性APD的微弱回波信号距离信息提取算法。首先利用微弱信号的泊松分布特性对回波信号进行建模,随后对每纳秒内的回波光子数进行统计,利用与脉宽等宽的距离窗进行滑窗求和,将最大值位置作为信号脉冲接收时刻,进而反算距离信息。设计了跟踪前的目标搜索策略和稳定跟踪后的距离门匹配算法,有效降低了背景光干扰和计算资源消耗,在回波光子数分别为200、10、5个时分别获得了100、9993、9658的计算正确率。对单光子量级信号设计了脉冲积累算法,单个光子信号回波的计算正确率为995。同时对静止目标通过算法迭代实现了信噪比为0dB甚至负dB的信息提取,对003个光子信号回波探测的计算正确率为961。仿真结果表明该算法可以综合应用单光子线性APD的强度信息以及单光子灵敏度,实现了在极限灵敏域下的距离信息提取。     

一种对高速运动目标的单光子测距方法

作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。     

基于单像素单光子探测的目标识别与跟踪方法

为了实现弱回波信号下非合作目标识别跟踪,文章基于单像素光子计数激光雷达系统设计了目标识别跟踪策略,并且提出了一种目标识别跟踪方法。该方法首先将单像素光子计数激光雷达系统采集得到的三维点云经过插值处理得到直观的距离像,然后采用最大稳定极值区域算法分割目标和背景,根据目标轮廓特征识别并选择需要跟踪的目标。最后提取识别目标的质心,与激光雷达扫描中心的偏差作为误差信号,控制伺服系统在扫描的基础之上执行目标跟踪。实验结果表明,当激光发射能量为625 pJ、回波光子数为25时,该系统能对距离为5 m、角速度约为2 mrad/s的目标进行稳定的识别跟踪;验证了基于单像素光子计数激光雷达的策略及方法能够稳定的分割目标和背景,以及正确提取需要识别跟踪测距的目标质心,为弱回波信号下目标识别跟踪测距提供一种有效直观的探测方法,同时,弱信号探测作为远距离探测的必要条件,为远距离下的目标探测及识别跟踪提供了一个新的技术方向。     

用于光子计数单像素成像的去块状采样网络

将光子计数技术和单像素成像结合,能实现高灵敏、低成本的光子计数成像,但存在采样时间和重建时间长的问题。基于深度学习的压缩采样和重建网络,将去除偏置和激活函数的全连接层作为测量矩阵,通过从数据中学得高效的测量矩阵和避免传统迭代算法带来的巨大计算量,实现了更快、更高质量的图像重建。但利用全连接层进行高分辨图像的分块压缩感知时,重建图像会产生块状效应。针对该问题提出了重叠分块采样网络（Os_net）、嵌套采样网络(Ns_net)、卷积采样网络（Cs_net）等三种方法以取代全连接层采样。在重建网络的设计中,使用线性映射网络对图像进行重建,设计实验结果表明Cs_net的去块状化效果最好。将Cs_net二值化后应用于光子计数单像素成像系统,实验结果表明Cs_net除块状化明显优于传统算法TVAL3,且Cs_net在重建质量上也同样取得了较好的效果。     

极紫外光子计数成像仪图像快显系统设计与实现

为实现极紫外光子计数成像仪数字图像的实时获取,设计图像快显系统,完成数据的实时传输和图像的快速显示。设计了基于USB2.0的数据传输单元完成成像仪与PC工作机之间的数据交互,介绍了数据传输单元的工作原理与组成,采用FPGA+USB控制芯片的结构实现安全、高效的数据传输。对极紫外光子计数成像仪成像原理进行分析,在PC机中进行数据处理,完成图像的快速显示,实现极紫外光子计数成像仪的实时图像测试。经实验验证,本系统可以完成科学数据的实时接收与图像的快速显示功能,满足设备的调试与测试需求。     

基于EMCCD 的光子计数成像方法与实验

讨论了在复杂背景条件下采用EMCCD 实现光子计数成像的处理策略,提出了一种双重阈值滤波方法并通过实验验证了其有效性。根据EMCCD 的成像模型,将EMCCD 的输出图像表示为光子事件、偏置噪声和伪光子噪声事件的集合。通过采集多幅EMCCD 的输出图像,将光子事件检测问题转化为标准的二元假设检测问题。利用贝叶斯判决,可以得到光子事件检测的最佳检测法则,使光子事件的误判代价达到最小,从而检测出光子事件及其空间分布特征。通过实验对比可以发现:提出的方法明显优于普通的累加积分方法,适合生物微光检测等超低照度条件下的成像领域。