Analytic solutions of Bloch equations with phase term for two-pulse photon echo by the phase modulation pulses

In this paper, a method is proposed to obtain the analytical solutions of Bloch equations with phase term by using the elementary matrix transform. The effect of the initial phase on the components of Bloch vector is discussed. The result shows that by considering the initial phase of the input pulse, the amplitudes of the in-phase component and the in-quadrature component can be dynamically controlled, meanwhile the population inversion is almost immune to the initial phase. Additionally, the signal electric field expressions of the phase effect of two-pulse photon echo(2 PE) is derived, which is also modulated by the initial phase.     

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。     

涡旋微波量子雷达

电磁波轨道角动量(OAM)量子态指构成电磁波的每个电磁波量子均具有OAM,是涡旋电磁波的重要形态之一。在微波波段,这种电磁波量子称为“涡旋微波量子”。涡旋微波量子与传统平面波微波量子具有不同的物理特性,针对传统吸波材料具有强反射系数,造成雷达散射截面积(RCS)增加,并提升目标回波的接收信号功率和检测概率,是对抗基于吸波材料的隐身目标之利器。该文提出了基于OAM量子态的涡旋微波量子雷达,给出了基本物理架构和数学模型,借助量子电动力学(QED)从理论上分析了涡旋微波量子的高回波功率特性,并通过实验验证了理论分析的正确性。在收发端均采用相同极化方式下,与传统平面波雷达相比实验中回波功率提高约9 dB。同时,配合典型雷达工作参数进行了仿真,明确了涡旋微波量子雷达在接收功率和检测概率等性能指标上的提升,进一步展现了涡旋微波量子针对吸波材料的反隐身能力。      

浑浊水体激光后向散射特性仿真与实验研究

由于水体的吸收和散射作用,光束能量在传播的过程中会产生衰减,激光脉冲会被展宽,制约着水下激光雷达的探测范围和探测精度。文中以浑浊水体环境下水下弱小目标探测为应用背景,建立了水下光子传播的蒙特卡洛仿真模型,模拟了不同衰减系数和散射率的水体后向散射回波信号,并对相应的水体后向散射回波信号变化趋势进行了分析。仿真结果表明：随水体衰减系数的增加,近场水体激光回波信号接收光子数逐渐增多;随水体散射率的增加,回波信号光子消亡速度逐渐降低。开展了不同浊度下的激光雷达回波信号的测试实验,实验结果表明：随水体衰减系数的增加,水体激光后向散射回波幅度逐渐增高,脉冲宽度逐渐展宽。在进行浑浊水体水下弱小目标探测时,随水体衰减系数的增加,应通过逐渐减小激光器能量或接收系统增益来增强水体回波与目标回波之间的差异,以此提高浑浊水体水下弱小目标探测的信噪比。实验验证了理论与仿真结果,为浑浊水体环境下水下弱小目标激光探测系统在不同水质下的激光能量选取、接收系统增益设计等提供理论支撑。     

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。     

ICESat-2 ATL03数据预处理及校正方法

2018年9月15日,美国航空航天局成功发射了ICESat-2卫星,ICESat-2搭载了地形激光测高仪系统（ATLAS）,已经广泛应用于极地冰盖高程测量、海冰厚度估算、陆地高程测量、地表植被测量等多个研究领域。不同于GLAS/ICESat,ATLAS在信号探测系统中采用更为灵敏的单光子探测器,每秒发射10 000个脉冲（GLAS/ICESat系统每秒发射40个脉冲）,可以获取到重复频率更高、光斑更小的高密度光子计数回波数据,进而实现高精度全球观测。由于ATLAS采用的探测器光电倍增管（PMT）after-pulse的影响,在回波信号脉冲输出后常会出现小幅度脉冲干扰,不能准确反映原始信号波形,所以在实际应用过程中,必须对测量信号进行校正。首先基于ATL03产品,对光子计数回波数据进行预处理,获得了海冰、海洋、陆地和沙漠的廓线信息,结果显示在主信号回波之后均存在两个小的脉冲回波（约2.3 m和4.2 m处）,此外陆地和沙漠在10~45 m间存在一个更长时间延迟的脉冲回波,证实了不同反射表面均会受到PMT after-pulse影响。然后利用ICESat-2卫星过境撒哈拉沙漠地区的夜间观测数据,计算了不同波束下的脉冲响应函数,6个波束得到的脉冲响应函数整体形态相似,在主信号回波后出现三个不同幅度的脉冲回波（约2.3 m、4.2 m和6.5 m处）。最后利用6个波束的脉冲响应函数对同一海洋剖面进行校正,结果显示除ATLAS Beam2外,其余波束均可有效滤除主脉冲之后的小幅度脉冲,校正得到真实的水下回波信号。     

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。     

用光子回波技术测量物质的横向弛豫时间

本文采用密度矩阵法推导光子回波讯号强度与激光光脉冲相对延迟的一般关系,得出二脉冲、三脉冲光子回波强度随时延的变化公式。实验上,用可调谐染料激光器作为光源,分别采用二脉冲、三脉冲光子回波技术,测得室温常压下饱和碘蒸气的横向弛豫时间T2约为140ps。     

少光子灵敏度精密激光测距方法及验证

针对传统线性探测激光能量需求高、光子计数难以区分信号和噪声的特点,提出了一种基于少光子的高精度激光测距方法。利用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier,SiPM）作为回波探测器,并对脉冲测距系统的回波响应模型、噪声特性以及测距精度进行分析。搭建了实验验证系统,实现了在激光波长为532 nm、能量为10 nJ的条件下,对107.86 m处的面目标进行测距。实验结果表示,系统的噪声为随机分布,且噪声幅度不超过3个像元同时响应量级,鉴别阈值略大于该值时,即可清晰地分辨出信号和噪声;对于包含32个光子的回波信号,探测器中发生雪崩像元的个数约为4个,此时系统测距精度达到3=3 cm。     

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。     

宽测绘带MIMO-SAR 运动目标回波特性分析

通过对多输入多输出合成孔径雷达(MIMO-SAR)的虚拟空间采样进行等效观测通道重构,可实现宽测绘带内的多通道合成孔径成像与地面运动目标显示(SAR/GMTI)处理。在建立宽测绘带MIMO-SAR 运动目标观测模型的基础上,分析了该模式下MIMO-SAR 运动目标回波与传统SAR 系统运动目标回波的区别。并利用成对回波原理建立了目标回波的等效微动模型,提出了空间通道重构模式下MIMO-SAR 运动目标的等效微动效应,并讨论了运动目标回波的时频谱线数目。最后,数值仿真验证了文中结论的正确性。     

A photon echo in a system of ensemble qubits that are selectively radiated by short laser pulses

Equations of quantum computing in a system of two ensemble qubits are solved. The qubits are spherical nanoparticles activated by two-level atoms. It is proved that a photon echo may occur during quantum computations in an optical quantum computer when the ensemble qubits are selectively excited by short optical pulses. The photon echo phenomenon is caused by time reversal of oscillations of induced dipole moments of the qubits. It is shown that this effect can be observed in the case of interference of oscillating dipoles in the wave zone.     

Target spatial and frequency scattering diversity property for diversity MIMO radar

Statistical multiple-input multiple-output (MIMO) radar, e.g., frequency diversity MIMO radar (FDMR) and spatial diversity MIMO radar (SDMR), can exploit signal diversity to improve target detection performance. The statistical property of target echo signals received in diversity channels is an important concern in designing signal processing algorithms for an FDMR and an SDMR, which is studied in this paper by using a round shaped scatterers centre target model. A uniform formula is derived to estimate the correlation coefficients of target echo signals in diversity channels for both an FDMR and an SDMR. The theoretical correlation coefficients are testified by numerical experiments.     

A data-driven multitone echo canceller

A data-driven echo canceller for full-duplex data transmission with multitone modulation is presented. This multitone echo canceller (MTEC) is not impaired by eigenvalue-spread problems that are inherent in signal-driven echo cancellers-it has numerical performance and cancellation range that equals, and in most cases exceeds, that of data-driven echo cancellers used in data transmission with baseband or quadrature amplitude modulation. The method makes use of frequency-domain updating, but time-domain implementation of the canceller. It introduces no delay into the received signal path and presents no special difficulties for interframe interpolation between near-end echo, far-end echo, or far-end data signal. The authors also investigate the fast initialization and the special case of far-end frequency offset in the echo signal     

Strong signal analysis of optical nonlinearities insingle-quantum-well and double-heterostructure lasers

Based on the numerical strong signal solution of the density-matrix formalism, the nonlinearities of the gain and the refractive index are discussed for both bulk double-heterostructure (DH) and single-quantum-well (SQW) InGaAs lasers. The results show that for both structures the nonlinear gain is well approximated by the recently proposed analytical expression and the modified two-level system approximation up to a range of photon density discussed herein, and the refractive index could either increase or decrease with the photon density depending on the wavelength detuning from the gain peak. The results of a new analytical expression for nonlinear refractive index is in qualitative agreement with the numerical ones; however, significant quantitative difference occurs between these two model results for high photon density values. Due to the more important nonlinear gain in SQW structures, the linewidth enhancement factor increases more rapidly with increasing photon density in these structures than in DH structures     

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。     

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。     

基于单光子探测的目标光学散射特性研究

研究了目标物体的单光子散射回波特性,基于红外单光子探测器和皮秒激光器搭建了目标光学散射特性测量系统,以回波光子数作为单光子条件下目标光学散射特性的表征。实验研究了不同形状（球体、立方体、圆柱体、圆锥体）目标物体的单光子散射特性,并利用双向反射分布函数模型对实验结果进行拟合,理论拟合结果与实验测量结果能够很好地吻合。进一步对不同材质（瓷砖、木材、外墙砖）目标物体的单光子散射特性进行了研究,并将实验结果与传统波动散射特性进行了对比分析。该研究为单光子激光雷达远距离目标识别与探测的相关工作提供了参考。     

基于时间相关单光子计数技术的测速研究

传统的激光雷达通常采用多普勒效应获得目标的径向速度,但是当回波信号低到单光子水平时就难以实现这种功能。文中探索利用时间相关单光子计数（TCSPC）技术实现测速的方法。搭建了一套高重频、高精度的TCSPC测速系统并开展了实验研究。结果表明,在一定的测速时长下测速误差与单次测距光子计数直接相关,在文中实验条件下单次测距光子计数在1000~5000个时测速误差达到最优。该方法未来有望代替多普勒测速方法,实现对远距离高速运动目标的测速。     

ICESat-2激光雷达海面信号提取和海浪要素计算

美国NASA于2018年发射的ICESat-2 (The Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2)卫星上搭载的ATLAS (Advanced Topographic Laser Altimeter System)是目前为止全球唯一一个对地观测的星载光子计数激光雷达,具有较高的轨向空间采样率,为用遥感的方法探测海浪要素提供了可能。光子计数激光雷达用于海浪探测的前提是能够准确地提取来自海面的信号光子,并确定瞬时的海面廓线。迄今为止,用星载光子计数激光雷达探测海面形态和海浪要素的研究鲜见报道,也缺少专门针对海面信号光子的提取方法。基于海面信号光子的分布特点,文中提出了一种新的信号提取算法：首先通过直方图统计及自适应的阈值选取完成对海面回波光子的粗去噪;然后基于激光雷达光斑尺寸和海面波动特点,选取合适的搜索邻域计算信号点和噪声点密度,根据两者点密度差异对信号光子和噪声光子分类;最后用高斯函数拟合的方法进一步去除密度较大的后向散射噪声光子,最终得到来自海面反射的信号光子。利用上述算法提取了太平洋7个不同海况区域的海面信号光子和瞬时海面廓线并进一步计算...