基于压缩传感的光子计数成像系统

提出了一种基于压缩传感理论的光子计数成像系统。该系统以单光子计数器作为探测元件,以期在面元探测技术不甚成熟的现状下用点探测器进行极弱光探测。通过计算机模拟计算,验证了压缩传感理论结合单光子计数器应用于极弱光成像的可行性,讨论了单光子计数器的暗计数率、量子效率和测量噪声对成像质量的影响。介绍了压缩传感理论,为了获得更好的图像质量和更快的计算速度,提出了SpaRSA-DWT稀疏重建算法,并与传统的IWT算法进行对比。给出了两种算法下,迭代次数、测量数、噪声功率分别与获得图像信噪比的关系曲线,证明了SpaRSA-DWT算法的优越性。     

光子计数成像原理及其应用

20世纪80年代发展起来的光子计数成像系统有极高的灵敏度,原理上可探测单个光子及其空间位置,因此可以探测到极弱的光子图像。随着微光像增强技术和弱光成像器件的发展,光子计数成像技术近年来发展很快并日趋成熟,光子计数成像在军事、天文学、物理学、化学、生物学、量子电子学等领域得到了广泛应用。介绍了光子计数成像的原理、技术特点及其应用。     

光子计数成像技术及其应用

随着微光像增强技术和弱光成像器件的发展 ,光子计数成像技术近年来发展很快并日趋成熟 ,光子计数成像在军事、天文学、物理学、化学、生物学、量子电子学等领域得到了广泛应用。介绍了光子计数成像的原理、技术特点及其应用。     

光子计数成像技术及其应用

随着微光像增强技术和弱光成像器件的发展，光子计数成像技术近年来发展很快并日趋成熟，光子计数成像在军事、天文学、物理学、化学、生物学、量子电子学等领域得到了广泛应用。介绍了光子计数成像的原理、技术特点及其应用。     

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。     

光子计数计算鬼成像

为实现远距离、高灵敏的三维成像,开展了光子计数计算鬼成像研究.通过振幅型空间光调制器,实现了基于离散余弦变换矩阵和Walsh变换矩阵作为测量基的结构光照明,采用单光子探测技术实现了700 m距离、高灵敏的三维成像.对比研究了快速傅里叶变换算法和迭代优化算法的重建结果.研究表明,相同采样率时,离散余弦测量基作为观测矩阵时...     

基于日盲紫外成像探测器的光子计数算法研究

为了完成对日盲紫外电晕信号的定量分析,本文设计了基于时间域的弥散圆斑光子计数算法来对成像系统所采集的图像进行量化分析.首先阐述了单光子探测的原理以及光子计数原理;然后设计了基于日盲紫外ICMOS的成像探测系统,为了满足荧光屏的余晖响应,优化了CMOS驱动,使得帧频可达390 fps;然后通过分析传统的连通域光子计数算法...     

基于全光纤光子计数激光雷达的高分辨率三维成像

为了实现全天时、高分辨率三维成像探测,文中提出了一种工作波长为1064 nm的光子计数激光雷达系统。其中,光学系统采用全光纤结构,增强了系统稳定性。雷达通过整机扫描方式对远距离目标进行成像探测,扩大扫描视场,水平方向达到360°,俯仰方向达到±30°,同时避免了由摆镜扫描引起的几何畸变;结合亚像素扫描方法,提高空间分辨率。最后通过自适应噪声阈值的多距离重建算法实现了目标的三维重建。实验结果表明,此系统在白天成功实现了3.1 km以外目标的三维重建,重建图像目标特征清晰,距离精度为0.11 m,空间分辨率为0.11 m,超过光学系统衍射极限。     

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。     

光子计数成像激光雷达时间间隔测量系统研究

光子计数成像激光雷达需要测量一个激光主波和与之对应的多个回波之间的时间间隔,并具有高精度.采用延迟线插入法时间间隔测量技术,研制了具有27ps分辨率的多脉冲时间间隔测量系统,介绍了系统的软硬件结构及工作流程,测试了精度和线性度等指标,实验结果表明系统精度达到80ps,线性度良好.     

星载光子计数激光测高植被冠层高度误差分析

通过建立植被的单光子探测模型,分析和计算了星载光子计数激光测高植被探测中,因单光子探测原理引起的植被冠层高度误差.实验表明,北方针叶林的星载光子计数测高中单次激光脉冲首次探测到的信号光子的平均高程低于LIDAR数据提供的DSM约2.435 m.仿真结果表明,提高发射脉冲能量,减小激光脉冲发散角有助于减小误差,而拥有更高...     

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。     

不同通量条件下光子计数激光雷达信号畸变的规律研究

光子计数激光雷达在高通量条件下的输出信号会出现严重的畸变现象,从而影响目标信息的提取,因此,研究信号畸变的变化规律是一个重要的理论与实践问题。为此本文建立了多触发条件下光子计数激光雷达信号计算的稳态正向递推模型,该模型具有精度高、速度快,且可准确反映物理过程等显著优势。结合正确性验证,通过改变模型的信号幅度N、脉冲宽度P_W、背景噪声N_b和死区时间T_d等参数对激光雷达信号畸变的影响规律进行探究,结果表明：当死脉比R_dp≤2时,信号的畸变与N、P_W、T_d有关,当R_dp>2时,信号畸变仅与N有关;同时在仿真实验结果中发现,当探测损失率α≤5%时,可忽略信号畸变的影响,该发现可作为区分高通量信号畸变(α>5%)与低通量信号保真(α≤5%)的判别界限,根据计算,在某些特定条件下,改变死区时间的大小会将高通量转化为低通量。上述结论相比于传统的基于光子计数率的“5%”准则更加精确地划分了高低通量与信号畸变的界限。     

一种基于光子计数的协作自由光通信技术

提出了一种基于光子计数的协作自由光通信技术。在自由光通信中,利用网络编码中继协作机制和光子计数技术,在保证系统性能良好的前提下,提高了系统抗衰落的能力。采用了交织多址接入方案,降低了多用户检测的复杂度。仿真结果表明,该系统能提供良好的传输性能,并且在衰落信道中,中继协作机制能够带来明显的空间分集增益。     

Modeling the photon counting and photoelectron counting characteristics of quanta image sensors

A signal chain model of single-bit and multi-bit quanta image sensors(QISs)is established.Based on the proposed model,the photoresponse characteristics and signal error rates of QISs are investigated,and the effects of bit depth,quantum efficiency,dark current,and read noise on them are analyzed.When the signal error rates towards photons and photoelec-trons counting are lower than 0.01,the high accuracy photon and photoelectron counting exposure ranges are determined.Fur-thermore,an optimization method of integration time to ensure that the QIS works in these high accuracy exposure ranges is presented.The trade-offs between pixel area,the mean value of incident photons,and integration time under different illumin-ance level are analyzed.For the 3-bit QIS with 0.16 e-/s dark current and 0.21 e-r.m.s.read noise,when the illuminance level and pixel area are 1 lux and 1.21 μm2,or 10 000 lux and 0.21 μm2,the recommended integration time is 8.8 to 30 ms,or 10 to 21.3 μs,respectively.The proposed method can guide the design and operation of single-bit and multi-bit QISs.     

星载单光子激光雷达海洋噪声模型

星载单光子激光雷达以超高灵敏度和超高重频的优势,在海洋探测领域展现了广泛的应用前景。雷达系统中的单光子探测器件具有极高的灵敏度,可以探测光子量级的回波信号,同时也极易受太阳背景光噪声影响。由于背景噪声直接影响激光雷达的工作性能,还会对星上原始的数据量产生影响,在卫星系统设计阶段,对噪声强度的准确估计至关重要。本文综合考虑大气后向散射、水面反射及水体后向散射的贡献,建立了一个星载单光子激光雷达海洋噪声的估计模型。以全球首个对地观测星载激光雷达ATLAS为例,在输入系统参数和环境参数后,模型估计的噪声与ATLAS实测噪声误差在15%以内,证实了该噪声模型的正确性。     

空间碎片天基光子计数激光探测研究

为了满足空间碎片探测与精确定轨的需求,采用光子计数的高灵敏激光探测方法,讨论了盖革模式下雪崩二极管探测器的光子计数探测基本原理,并建立了引入探测器与空间碎片的相对径向速度的天基光子计数探测模型,进行了空间碎片光子计数激光探测的理论分析和仿真验证。结果表明,在可探测速度范围内,光子计数激光探测技术能有效探测到尺寸为10cm的空间碎片目标,测距平均误差为34.72cm。与传统地基雷达和光电探测手段相比,此技术测距精度能提高3个数量级,可有效降低航天器与空间目标碰撞的概率。     

Recent progress of SiC UV single photon counting avalanche photodiodes

4H-SiC single photon counting avalanche photodiodes (SPADs) are prior devices for weak ultraviolet (UV) signal detection with the advantages of small size, low leakage current, high avalanche multiplication gain, and high quantum efficiency, which benefit from the large bandgap energy, high carrier drift velocity and excellent physical stability of 4H-SiC semiconductor material. UV detectors are widely used in many key applications, such as missile plume detection, corona discharge, UV astronomy, and biological and chemical agent detection. In this paper, we will describe basic concepts and review recent results on device design, process development, and basic characterizations of 4H-SiC avalanche photodiodes. Several promising device structures and uniformity of avalanche multiplication are discussed, which are important for achieving high performance of 4H-SiC UV SPADs.