光子计数探测的非线性失真及其改进的研究和探讨──一种多路光子探测法的方案论证（二）

对光子计数探测中堵塞漏计引起的非线性失真现象作了一些新的探讨和分析，提出了一套新的减少漏计的方法，多路光子探测法将会大大扩展光子计数探测的线性范围，进一步提高探测的灵敏度、信噪比和精度，使探测的水平跃上一个新的台阶。     

光子计数探测的非线性失真及其改进的研究和探讨—一种多路光子探测法的方

对光子计数探测中堵塞漏计引起的非线性失真现象作了一些新的探讨和分析，提出了一套新的减少漏计的方法，多路光子探测法将会大大扩展光子计数探测的线性范围，进一步提高探测的灵敏度，信噪比和精度，使探测的水平跃上一个新的台阶。     

光子计数探测的非线性失真及其改进的研究和探讨—一种多路光子探测法的方

对光子计数探测中堵塞漏计引起的非线性失真现象作了一些新的探讨和分析，提出了一套新的减少漏计的方法，多路光子探测法将会大大扩展光子计数探测的线性范围，进一步提高探测的灵敏度，信噪比和精度，使探测的水平跃上一个新的台阶。     

光子计数技术在激光脉冲探测中的应用

无扫描激光大光场照明时目标处的光强甚弱,通常需要加大激光器的功率和提高探测器的灵敏度.从探测技术角度探讨提高系统探测灵敏度的技术途径,即将光子计数技术应用于激光脉冲探测系统.光子计数探测的动态范围为10-16:10-11 W,回波以离散光子流的形式照射在探测器的光敏面上.当接收系统检测模超过20时,光电子统计近似服从泊松分布规律.对于典型的激光脉冲探测系统,采用最大似然方法估算出探测阈值,并估算出平均探测时间.例如,对10-11W回波,估算的积累时间为0.2 ms.针对脉冲探测情况,采用时间门选通多点采样的数据采集方法和多脉冲预积累相关处理算法.采样周期与激光脉冲宽度相等,时间门宽稍小于激光重复周期.根据探测误差概率的需要,采用Monte Carlo算法估算出探测积累的脉冲数和相关计算的参数.初步估算探测时间至少在10ms量级.     

星载微脉冲光子计数激光雷达的探测性能仿真分析

星载微脉冲光子计数激光雷达能够实现对地面目标的高重频、多波束探测,有效提高了激光雷达在轨测量的采样密度和覆盖宽度,满足全球高效高精度测绘的需求。依据微脉冲光子计数激光雷达的工作原理,建立了基于多像元光电倍增管（PMT）的星载微脉冲光子计数激光雷达的探测仿真分析模型,并对典型探测过程进行了仿真分析。结果表明,多像元PMT像元数的增加能够明显降低激光雷达的首光子效应,提高测距精度;激光雷达的测距标准差随地形坡度增大而明显增大;对于复杂地形,增加像元数和回波光子数,光子计数点云能够更准确描述地形轮廓的分布特征。同时,机载飞行试验验证了在复杂地形条件下,多像元PMT能够显著增加有效回波光子计数点,准确有效地反映了被测地形的轮廓特征,实现复杂地形下的高精度光子计数测距,验证了仿真分析结果的正确性。     

高重频光子计数激光雷达样机设计及测距试验

为了验证星载激光三维成像雷达技术,设计研制了一种基于高重频光子计数体制的分视场、无扫描的多通道激光雷达地面原理样机。系统采用两路高重频、微脉冲激光器输出,结合大光斑多元细分阵列光子探测方式实现多通道探测,并采取基于FPGA的时间相关符合计数信号处理技术,对单光子响应时刻进行时间间隔测量和时间相关统计,根据目标响应发生时机一致性和噪声响应的随机性提取目标距离信息。在外场试验中对水平距离大于10 km的楼宇目标进行了有效地测量,单通道的距离测量精度优于0.3 m,探测概率超过99%,并对比不同大气能见度下对测距的影响。该系统验证了星载激光雷达大光斑多元细分、光纤拼接焦面接收方案的可能性,并验证光子计数体制激光雷达测距精度及适应性。     

考虑脉冲高度分布（PHD）的光电倍增管光子探测模型

光电倍增管（Photomultiplier Tubes,PMT）具有光子级别的灵敏度,而且没有物理意义上的死区时间,在光子计数雷达应用中有独有的优势,但PMT响应单光子输出脉冲高度呈高斯随机分布,且不同脉冲之间还有可能产生堆叠,传统的单光子模型不能准确描述PMT的光子探测过程。针对PMT输出脉冲高度随机分布,脉冲堆叠现象和光子事件鉴别阈值的设置对光子事件探测概率的影响提出了一个新的PMT光子探测模型,并根据实际应用场景进行了简化,通过蒙特卡洛仿真验证了简化模型的适用性。搭建了光子计数雷达系统,通过和盖革模式APD进行实验对比,发现PMT光子探测模型虽然有略微的探测概率损失,但在测距应用中具有更小行走误差和更高测距精确度。实验也证明了新模型相比于传统单光子探测模型更符合PMT的光子事件探测概率分布,新模型对基于PMT光子计数雷达的系统设计和理论分析具有重要的指导意义。     

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...     

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。     

基于盖革模式APD的啁啾调幅激光雷达分析

针对基于Gm-APD的光子计数啁啾调幅雷达,介绍了FM-CW测距原理和光子计数啁啾调幅原理。以分析单个Gm-APD像元产生的初级光电子和暗计数噪声为基础,对回波光信号的探测还原进行了研究和仿真,并对影响系统性能的关键参数进行了仿真评估。仿真结果表明,对于本文设计的系统,探测2 km远目标的最小发射功率为6.4 W;中频信号的幅度随Gm-APD整形脉冲的脉宽增加而增加,中频信号的信噪比则随Gm-APD整形脉冲的脉宽增加而减小。另外,系统还具有良好的调制失真抑制能力和多目标分辨能力。     

全光纤转动拉曼激光雷达光电探测系统设计

针对全光纤转动拉曼激光雷达系统的极微弱光探 测问题,以光电倍增管(PMT)为核心,设计了 一款光子计数的光电探测系统。通过阻抗匹配技术对单光子脉冲进行整形以提高单光子脉冲 稳 定性和甄别计数可靠性,微分法测试脉冲高度分布以优化选择PMT工作高压、甄 别阈 值电平等工作参数,改善光电探测系统信噪比(SNR);以泊 松点过程的脉冲堆积非线性分析模型为 基础,搭建可精确改变相对光强的实验测试系统,测试脉冲堆积效应的作用类型和有效死时 间并进行合理非线性校正以提高其线性度。实验结果表明,设计的光电探测系统可有效探 测光子计 数率低于140MHz的微弱光信号且线性度优于1.0%,提出的优化和实验方案对此类光电探测系统具有重要的借鉴意义。     

全天时单光子激光雷达技术进展与系统评价

单光子激光雷达(又称光子计数激光雷达)具有单光子量级的探测灵敏度,相比于传统的线性探测激光雷达,能够获得更远的探测距离,已经成为激光雷达探测技术的前沿和发展趋势。然而,极高的探测灵敏度也使单光子激光雷达在探测中极易受到背景噪声光子的干扰,这在很大程度上降低了其在白天工作的性能,也极大地限制了其适用范围。文中从单光子激光雷达的探测原理出发,简要回顾了其技术发展,分析了全天时工作对单光子激光雷达探测系统的需求,在此基础上,采用一种新型的光谱滤波技术,极大地提升了单光子激光雷达在白天的探测性能。同时,还提出了一种普适性的评价模型,能够极为直观地对各种激光雷达系统的探测性能进行评价。     

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。     

四Gm-APD探测器提高激光雷达探测性能的研究

提出了一种四Gm-APD单次探测的激光雷达系统,该系统采用22的光纤阵列同时接收回波脉冲,利用四通道实时比对得到目标的距离信息。计算了该系统探测概率、虚警概率和测距精度,并与传统单Gm-APD四次累积探测激光雷达系统进行相互比较。结果表明,四Gm-APD激光雷达系统不仅能够使探测速度提高到4倍,其探测性能也都明显优于单Gm-APD四次累积探测的激光雷达。探测概率从60.6%提高到了91.6%,虚警概率从1.9%下降到了0.2%,测距精度从1.771 m提高到了0.440 m。最后,分别对两个系统进行了6464像素的距离像仿真,仿真结果验证了该方法的正确性。     

光子计数三维成像激光雷达的分析与实验

对于直接探测三维成像激光雷达,采用光子计数探测器可以响应单光子水平的目标回波,从而大大提高探测效率。研究的光子计数三维成像激光雷达采用盖革模式雪崩光电二极管（APD）作为探测器。首先分析了回波光子探测模型,并根据此模型讨论了激光雷达探测概率和测距模式。在理论分析的基础上,设计了一套光子计数三维成像激光雷达系统,对一些选定目标进行了测距和三维成像实验,并对实验结果进行了分析。     

探测低空大气CO2浓度分布的近红外微脉冲激光雷达

提出了用来探测大气CO2分布、基于光纤1.6um波长的微脉冲激光雷达,对其性能进行了数值模拟.微脉冲激光雷达的发射机以半导体激光器加光纤放大器为核心,饱和输出功率37dBm;接收机采用了近红外光电倍增管和光子计数器,量子效率1%;一种偏正无关性纤维光学环形器作为发射/接收转换器,分波/合波器、隔离器、滤波器、耦合器都采用光纤器件,使系统更牢固.该系统的特点是发射脉冲能量低20uJ、重复频率高20KHz、小型化.(18×106个脉冲累加)它对近地面4.7Km高度内的探测信噪比在10∶1以上.光电倍增管的暗计数2×105/s限制了系统探测距离的增加.吸收倍增分离的InGaAs/Si雪崩光电二极管将会改善雷达的性能.     

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。     

基于单光子计数激光雷达的Bayesian检测研究

在单光子计数激光雷达检测领域,目前的检测方法在低信噪比情况下虚警概率会增加,同时也无法适应噪声变化的问题。针对这些问题,提出了一种基于Bayesian的检测方法,该方法首先通过雷达方程估计回波信号光子数的范围,将其作为先验信息,而后结合二项分布建立了累计概率模型,基于Bayesian判决准则计算得到检测阈值,此阈值能够在检测概率与虚警概率中间择其平衡。这种方法不仅克服了低信噪比检测困难的情况,还减少了先验信息的获取难度。实验结果表明,对比固定阈值其虚警概率降低了10倍。对比“恒虚警”其检测概率提高了约20%。验证了方法具有良好的检测效果,具备一定的可操作性。     

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.     

时域展宽特性对相关检测性能的影响分析

时域展宽是激光回波脉冲的重要特性,也是影响激光雷达相关检测性能的重要因素。建立了考虑时域展宽特性的激光回波脉冲数学模型,以此模型和相关检测原理为基础分析了时域展宽特性对相关检测测距误差、信噪比的影响,从激光发射脉冲的近高斯能量时间分布模型出发,推导了时域展宽系数的计算公式,并对理论分析和计算结果进行了仿真论证。仿真结果表明:回波脉冲时域展宽系数与其衰减系数成反比,与发射脉冲上升时间成正比,随着时域展宽系数的增大,激光雷达相关检测系统测距误差增大,信噪比降低。