高灵敏度的光子偏振激光雷达系统

在空间目标探测中,由于远距离、小目标的特点,回波信号十分微弱,传统的激光雷达不能很好地探测如此微弱的信号。而且现在空间目标探测不仅需要距离信息,还希望获得目标的强度、偏振等更加多维的信息。提出了基于Gm-APD单光子灵敏度探测器的四路光子偏振探测系统,以Gm-APD探测器的泊松概率响应模型为基础,推导了回波微弱信号的强度解算公式,通过四路的强度解算出回波信号的偏振信息,在实验室搭建了四路Gm-APD光子偏振探测系统的原理样机,并介绍了四路Gm-APD光子斯托克斯参量的探测实验。在平均每个脉冲回波能量为7.7810-19 J的情况下,获得3.95%的线偏振误差和5.84%的椭圆偏振误差的探测结果。     

基于光子数可分辨探测器的单脉冲光子数检测

为了对未知脉冲所含的光子数进行标定,针对不同光子数的光脉冲在超导环境下,微波动态电感探测器(MKID)作用时,测量系统输出的信号差异性,采用平均区间取值法和迭代法分别进行标定,并进行了理论分析和实验验证。结果表明,MKID能够在低温测量系统中对未知1550nm单脉冲光的光子数进行识别; 经过数据处理后得到平均光子数分别为1.98和1.81;其中平均区间取值法标定光子数过程较为简单,迭代法有待继续探索。这一结果对单脉冲光子数检测是有帮助的。     

光子接收器及其应用

在生产和科研过程中，有时要对离子、电子或光子等微弱信号进行测量，低噪声放大器是必不可少的。例如，在激光雷达方面，通过收集大气对发射激光的后向散射光即可得到大气的信息，由于大气分子对激光的后向散射是非常微弱的，因而需要低噪声高增益放大器并进行多次累加平均才能分析出有用信号。设计时可以使用已有的光探测器后面与低噪声高增益微电流放大器，也可以选择光子对应波段的光子接收器，     

光子计数激光测深系统

设计了一套基于光子计数探测体制的激光雷达水深探测系统,该系统工作波长为532 nm,单脉冲激光能量为0.5 J,脉冲宽度为400 ps,激光重频为10 kHz,单光子探测器死时间为22 ns,时间间隔分辨率为50 ps。首先介绍了光子计数探测体制激光雷达用于水深探测的基本原理及其相对于传统机载激光测深雷达的优越性;然后分析了水底回波信号产生的平均光电子数与系统单脉冲激光能量的关系,从而理论求取出该系统的极限测深能力为3.7 m左右。最后进行了外场实地试验,对所获激光雷达点云数据进行滤波和解算,成功测得了透明盘深度为1.2 m的浑浊水体深度为2 m以内的水下信息。     

微型化自由运行InGaAs/InP单光子探测器(特邀)

单光子探测器具有最高的光探测灵敏度,在激光雷达系统中使用单光子探测器可以极大提升系统的综合性能。近红外二区(1.0～1.7μm)激光具有大气透过率高、散射弱、太阳背景辐射弱等优势,是大气遥感、三维成像等激光雷达系统的理想工作波段。研制了一种基于InGaAs/InP负反馈雪崩光电二极管的微型化自由运行单光子探测器。该探测器长宽高为116 mm×107.5 mm×80 mm,在1.5μm最大探测效率超过35%,时间抖动(半高宽)低至80 ps。为满足激光雷达系统对光子飞行时间测量的需求,探测器内部集成时间数字转换(TDC)功能,时间精度100 ps。同时,探测器集成一套后脉冲修正及计数率修正算法,可以有效降低探测器所引起的雷达信号畸变。     

超导纳米线单光子探测现状与展望

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是一种量子极限灵敏度的光探测器。它的基本原理是利用光子能量实现超导纳米线库珀对的拆对,从而在超导纳米线局域发生超导-非超导相变。和传统半导体单光子探测器相比,具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、死时间短、宽谱响应以及自由运行等优势。高性能SNSPD已经在量子信息、激光通信、激光雷达等领域得到了广泛应用。文中概述了过去几年间国内外在SNSPD研发、应用成果及产业化等方面的进展,并对SNSPD未来的技术发展和应用进行了展望。     

高速近红外InGaAs/InP单光子探测器设计

量子信息技术的研究中大量采用单光子作为量子 信息的载体,因此单光子探测技术成为近来研究的 热点。目前基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器(SPD)工作频率较低 且无法连续可 调。高速门控模式下,APD的容性效应会带来较强的尖峰噪声将光生雪崩信号湮没,导致探 测器的探测效 率也相对较低。为了提高单光子探测器的工作频率,降低后脉冲概率,设计了基于高速正弦 门控技术的 InGaAs/InP雪崩光电二极管淬灭-重置电路。为了抑制强大的背景噪声提高探测效率,设 计了双APD平衡 方案来提取有效雪崩信号。实验结果表明:设计的探测器工作频率连续可调;在－ 50℃、1～1.3GHz门控频率 条件下,最光子大探测效率为35%,暗计数率为4.2×10 －5/gate。探测效率为18%时 ,暗计数率仅为5.6×10－6/gate,后脉冲概率均低于5×10－6/ns。     

基于InGaAs单光子探测器的线阵扫描激光雷达及其光子信号处理技术研究

随着探测体系的发展,基于单光子探测技术的光子计数激光雷达受到了广泛关注,有效降低了系统对激光功率的需求,广泛应用在远距离测距及成像领域。针对激光雷达在人眼安全波段的工作需求,基于自由运转模式InGaAs/InP SPAD单光子探测器设计了一套多元收发的远程线阵光子计数激光雷达扫描成像原型系统,对探测器在日光背景下的探测概率影响因素展开了分析,配合主动淬灭电路设计及工作温度、偏压调整获得了系统的最佳工作点,并针对扫描视场中孤立目标特征采用了点云滤波及后脉冲预处理算法,将单个接收通道的原始数据率由200 kbps量级降低至小于1 kbps。与记录单次回波相比,单个测距周期记录四次回波可将有效数据量提升约5%。同时也对探测器的噪声及后脉冲等特性进行了分析。该系统工作波段为1 550 nm,探测器线阵规模可达到128元,激光重频为20 kHz,可在2 s内实现水平200°范围内的激光三维成像,作用距离>3 km。经过成像算法处理,该系统在日光条件下成功实现多距离目标三维成像,成像目标清晰。     

基于双重复频率的光时域反射仪

提出并实现一种基于InGaAs/InP雪崩光电二极管单光子探测器的双重复频率光时域反射仪系统.通过发送两列重复频率有差异的脉冲激光信号对同一光纤的断点进行检测.接收系统采用高速单光子探测器,保证了回返光探测灵敏度,同时也提高了数据采样的速度.通过调节两列激光脉冲重复频率,不仅可以实现系统测量距离量程的改变,而且能够改变测量精度.     

可门控单光子探测器在天文观测中的应用

天文观测中常常遇到极微弱光信号的探测问题,望远镜接收到的光信号仅有很少的光子数甚至单光子,需要在噪声远远大于有用信息的不利情况下识别出有用的信号。受益于当代高科技的迅速发展,人们得以采用多种手段不断提高信号分离和探测能力。本文介绍了可门控型单光子探测器及其在云南天文台１．２ｍ望远镜激光测距系统中的应用。     

Signal demodulation method for underwater optical wireless communication by measuring the time interval between adjacent photons

We proposed a signal demodulation method by measuring the time interval between adjacent photons and realized the recovery of the original signal from the discrete random pulse sequence output by the single-photon detector. On this basis, a new communication system model is established by comprehensively considering the photon statistical characteristics of the emitted light field, the statistical distribution of adjacent photon time interval and the performance of the detector. Finally, an underwater optical wireless communication (UOWC) system was built. The effects of the average time interval between adjacent photons, baud rate and demodulation threshold in the time-slot on the system bit error rate (BER) were verified by experiments. The experimental results show that when the baud rate is 100 Kbps and the average time interval between adjacent photons is 111 ns, the BER of the system is 2.52?×?10^?5.

     

光子计数激光雷达游走误差与时间抖动的研究

光子计数激光雷达具有灵敏度高、体积小等特点,是未来远距离探测激光雷达的发展方向。光子计数激光雷达在探测时会产生游走误差,从而影响系统的测距精度。文章就游走误差与探测器时间抖动之间的关系进行了理论分析与实验验证。首先,基于激光雷达方程、单光子探测器时间抖动与光子计数探测的概率统计特性,建立了激光回波信号与探测器时间抖动的数学模型;然后使用该模型进一步推导了探测器时间抖动与游走误差之间的关系,计算分析与仿真实验都表明:系统的游走误差与探测器时间抖动呈正相关关系。最后,使用拥有不同时间抖动的单光子探测器进行了实验,实验结果表明:当探测器时间抖动标准差分别为15,350和1152ps时,游走误差分别为0.88,2.55和12.56cm。     

扩展目标光子测距回波特性及误差研究

光子测距具有灵敏度高,探测距离远的特点,目标形状和姿态对光子测距的影响不可忽略。针对扩展平面、球面和非球面三种典型目标,建立了扩展目标光子探测回波概率分布模型,推导出不同倾斜角下混有时空分布的光子回波概率分布一般方程。实验表明,扩展平面的光子回波概率分布与数值计算结果一致。理论仿真分析了扩展目标的光子回波概率分布特性,讨论了光子测距误差与扩展目标类型和倾斜角间的变化规律。结果表明:平均回波光子数为3.9,目标处激光光斑半径为0.2m,倾斜角小于20°时不同扩展目标间的光子测距误差小于1.23mm;光子测距误差随着目标倾斜角的增大逐渐增大,且扩展平面目标测距误差受倾斜角影响最大。     

量子增强星载光子计数激光雷达阈值检测性能

星载光子计数激光雷达在遥感探测、导航测距等领域发挥着重要作用。依据光子数可分辨激光雷达的工作原理,建立了基于光量子统计理论的星载光子数可分辨激光雷达接收端的量子阈值检测模型。方案利用先进的光子数可分辨探测器件滤除未能达到最小检测信噪比的光子,并根据光量子统计规律重构信噪比检测公式,接收端的最小可检测信噪比相对经典光强检测方案进一步降低。同时分析了新型量子阈值检测方案的检测概率与虚警概率,数值仿真的结果表明,基于光子数可分辨探测的量子阈值检测方案的信噪比在少光子到达的条件下优于经典光强检测方案,且利用量子压缩态发射源可进一步增强量子阈值的检测性能。最后,进行了星载光子数可分辨激光雷达测高的仿真实验,结果表明在少量返回光子信号情形下的量子阈值检测方案的性能获得了显著增益。     

脉冲激光器种子注入状态检测装置与实验研究

为了解决非注入状态激光脉冲对非相干多普勒激光雷达测风结果可靠性的影响,利用注入与非注入状态激光脉冲建立时间不同的原理,设计和实现了一种脉冲激光种子注入状态检测器,其时间测量精度为45ps,测量时间范围为3.5ns~2500ns,最高脉冲重复频率为1kHz。利用该检测器对某型号Nd:YAG脉冲激光器进行了种子注入状态检测实验,结果显示注入(非注入)状态脉冲建立平均时间为123.27ns(134.44ns),1.35h内非注入状态激光脉冲占总激光脉冲比例为8.54%。结果表明,该脉冲激光种子注入状态检测器能够有效地检测出非注入状态的激光脉冲,对于提高激光雷达测风可靠性具有潜在的价值。     

单光子测距系统仿真及精度分析

单光子探测器和时间相关单光子计数技术（TCSPC）被广泛运用于脉冲式激光测距及三维成像系统中。分析影响探测精度的因素有助于提高测距系统的性能。为此,建立了基于TCSPC单光子测距系统的理论模型,讨论分析了影响测距系统测量精度的因素,主要包括激光脉冲强度和回波信号统计波形的脉宽,其中后者由激光脉宽和探测器的时间抖动决定。并且利用蒙特卡洛法对测距系统的探测过程进行仿真,得到了上述因素对测量精度的具体影响情况。最后搭建了单光子测距的实验室实验系统,经过实验在10 m处的测量精度达到4 mm,对相同参数下的仿真结果进行了验证。     

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。     

基于高速单光子探测的光时域反射测量

针对传统光时域反射仪(OTDR)激光出射功率高、累计时间长、测量分辨率低的问题,提出了将高速InGaAs/InP雪崩光电二极管单光子探测器应用于光时域反射测量的方法.单光子探测器的工作重复频率为1 GHz,可实现"准连续"探测,无需扫频即可快速捕获单光子水平的回返光信号并输出.该方法实现了出射光脉冲宽度为50 ps、峰值功率为10 mW,测量距离为50 km,距离精度小于10 cm,且事件盲区小于1 m的光时域反射测量.