单光子计数系统的设计与实现

单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点,采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。现代单光子计数技术具有信噪比高、抗漂移性好、时间稳定性好、便于计算机进行分析处理等优点,在高技术领域占有重要地位,它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。为了深入地讨论和分析单光子计数系统,本文首先介绍了单光子计数系统的工作原理,给出了具体硬件电路的设计方案,并对由于脉冲堆积效应造成的系统误差进行了分析。设计表明,该系统各项参数基本达到设计要求,可以用于一般用途的光子计数式微弱信号测量。     

多通道PPLN波导温度控制方法

转换效率是周期性极化铌酸锂（PPLN）波导的主要性能指标，其与温度具有很强的关联性。受限于工艺问题，波导各个通道之间的一致性很难保证。提出一种多通道波导的温度自动控制方法，该方法通过FPGA芯片获取与多通道波导对应的多个单光子探测器探测到的光子数，并通过相应均衡算法来处理各个通道的光子数，从而确定多通道波导的最佳温度工作点，达到自动调节波导温度的目的。通过FPGA实现半导体制冷片（TEC）驱动控制、具有主动淬灭和快速恢复功能的单光子探测器，并通过均衡算法实现多通道波导温度的自动控制，实现探测效率更均匀的多通道上转换单光子阵列探测器，极大地减少前期人力投入，避免人为因素导致的误差。     

量子雷达检测方程及其应用

量子雷达是一种利用量子资源提升探测性能的新体制雷达，它是经典雷达的升级改进，在信号的调制、传输、接收和检测的原理上都与传统雷达有较大区别。文中从量子物理理论出发，提出了量子雷达的信号回波和背景噪声的一般公式，研究了量子雷达信号检测的一般方法与极限性能，在此基础上提出了量子雷达的一般性方程，并结合在单光子检测雷达这一具体问题上的应用，对量子雷达方程进行了阐释，定量分析了量子雷达相比于经典雷达在探测威力上得到的提升。文章最后对量子雷达方程与探测机理进行了总结。     

复杂场景下单光子激光雷达深度估计方法

单光子激光雷达广泛应用于三维场景的深度和强度信息获取。在复杂场景中存在多个具有不同深度不同反射率的目标，在少返回光子和高背景噪声的情况下，传统方法对这些目标无法做出针对性处理。因此，提出一种复杂场景下单光子激光雷达深度估计方法。该方法充分利用回波信号的时域相关性，对激光雷达三维点云数据进行时域上的全局多深度开窗，并利用空间相关性进行空像素的加权填补。在优化框架下，基于预处理后的激光雷达三维点云数据建立泊松分布模型。最终采用交替方向乘子法求解成本函数的最小值，以得到准确的深度估计。实验结果表明，相较于常规方法，在远距离复杂场景下，所提方法估计深度图像的重建信噪比提高了至少15%，有效改善了深度图像的质量，提升了对低光子水平的鲁棒性。     

基于单光子计数三维成像的目标姿态获取方法

单光子计数成像技术在暗弱目标探测、激光遥感、自动驾驶等领域均展现出了极大的应用潜力。为了探究如何利用该技术得到更多维度的目标信息，提出并验证了一种获取目标姿态的方法。将目标处于不同姿态时的单光子计数三维成像图（深度图）建成数据库，作为先验信息，通过求取库中图像与目标实际的单光子计数成像深度图（姿态未知）的相关系数，选取相关性最强的库中姿态作为目标实际姿态。采用单光子阵列探测器搭建实验系统，激光发散照明目标，以20°为单位构建数据库中的-60°至40°的目标深度图。结合库中数据与姿态分别处于-45°和25°时的目标深度图，利用所提方法估计目标姿态并验证其准确性。在该两种姿态下，分别做出光子计数为10,50,100时的深度图，以探究目标实际姿态与库中对应姿态的相似度和光子计数间的关系。以15°和20°为单位对目标进行多轴旋转，以探究目标进行多轴姿态变化时所提方法的可行性。改变背景噪声，在信号光子与背景光子数比值（SBR）分别为8.13,4.83,3.21,0.72的条件下对目标进行三维成像，探究背景噪声对估计成功率的影响。以木头人玩具为目标，以30°为单位建立数据库，对处于-20°和20°...     

基于分集接收的单光子探测技术

单光子三维探测技术因为在微弱信号目标的光学探测方面的独特优势，在空间目标探测、空中目标侦查、远距离预警探测等方面有重要应用，近年来获得了广泛关注。对主动扫描成像的单光子探测系统，为扩展作用距离和提高扫描速度，接收口径和接收视场角不断增大。但对高集成的盖革APD型的单光子探测器，大接收口径和大接收视场带来背景噪声光子数量的增大，这会导致探测器频繁进入死区，给扫描图像带来大量盲点。针对此问题，提出和通过仿真证明了，利用多镜头分集接收和联合单光子信息处理，可实现对单光子探测器死区时间抑制，进而有效提高系统探测概率，降低扫描图像的盲点数量，并通过试验系统进行了验证。     

一种宽光谱响应的双结单光子雪崩二极管

基于180 nm BCD工艺提出了一种新型双结雪崩区的单光子雪崩二极管（SPAD）探测器，采用N阱/高压P阱/N+埋层结构形成了两个垂直堆叠的PN结，高压P阱和N+埋层交界面形成较深的主雪崩区，增强对近红外短波光子的探测概率；同时，N阱/高压P阱之间形成浅的次雪崩区，实现对蓝绿光的高效探测，两结同时工作能够有效扩展器件的光谱响应范围。TCAD仿真结果表明，与传统的P阱/深N阱结构相比，双结SPAD器件在300～940 nm的宽光谱范围内有更高的光子探测概率，在800 nm近红外短波段探测概率达到了20.6%。在3 V过偏压下，暗计数率为0.8 kHz，后脉冲概率为3.2%。     

基于单光子阵列相机的激光测速

提出一种基于单光子阵列相机的激光测速方法，该方法可以在单光子量级的回波强度下，同时实现对目标横向速度和径向速度的测量。搭建了一套室内阵列测速激光雷达系统，验证了阵列时间相关单光子计数技术对运动目标进行横向和径向测速的可行性。通过信号预处理方法从空间和时间两个维度滤除背景噪声，利用质心检测和峰值检测确定目标的时变三维空间坐标，利用最小二乘法进行数据的线性拟合获得目标的横向和径向速度值。结果表明，帧积累数与最佳的测速性能有关。该方法可以在微弱的光照环境下实现对远距离运动目标的速度测量，未来还有望实现目标速度图像的获取，为远距离复杂运动目标的识别提供技术支撑。     

基于单光子计数激光雷达的恒虚警检测研究

本文围绕光子计数激光雷达在噪声背景下的目标检测问题，利用其回波雷达信号的特点，设计了一种降噪预处理方法，继而提出了一种改进的恒虚警检测方法。该方法能在目标回波较弱时自适应地对不同宽度的回波进行检测，同时能够保持较高的检测概率。仿真结果显示：相比传统的信号检测方法，本文所提方法的检测性能更优。实验结果表明，在噪声较强或回波信号较弱的情况下，所提检测方法依然可以以较高的检测概率检测到目标。相比当前的检测方法，在相同信噪比环境下，所提检测方法可使目标的平均检测概率提高40%。     

1030nm单光子探测激光雷达技术

1μm波段单光子探测激光雷达因大气透过率高、背景噪声低、红外隐蔽性好、激光脉冲能量高,在远距离激光测距和成像方向极具发展前景。然而,传统的1064nm激光器缺少对应的高性能的单光子探测器,成为1μm波段单光子探测激光雷达的发展瓶颈。盖革Si APD单光子探测器(Si SPAD)具有优异的探测性能,但是其在1064nm波长的探测效率极低。针对这个激光器与探测器的矛盾,本文研究1030nm波长单光子探测激光雷达技术,Si SPAD在1030nm的探测效率是1064nm的29倍,相同条件的单光子探测激光雷达探测距离提升678。另外,本文搭建双棱镜光束扫描装置,演示了1030nm波长的单光子三维成像。