【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張同意研究員團(tuán)隊(duì)在單光子激光雷達(dá)領(lǐng)域取得系列突破性進(jìn)展，相關(guān)多篇研究成果近期連續(xù)發(fā)表于知名期刊Optics Letters。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)圍繞單光子探測(cè)機(jī)理、單光子雷達(dá)系統(tǒng)集成與信號(hào)處理等關(guān)鍵技術(shù)展開攻關(guān)，為解決光子堆積誤差、面陣單光子雷達(dá)能量利用效率低、高重頻單光子雷達(dá)距離模糊等關(guān)鍵問題提供了系統(tǒng)性方案。
 

　　單光子雪崩二極管(SPAD)陣列像素填充率低、陣列規(guī)模小等問題導(dǎo)致其難以滿足高空間分辨三維成像要求，對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套基于SPAD陣列和衍射光學(xué)元件(DOE)的可重構(gòu)同軸單光子激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)。
 

　　該系統(tǒng)采用DOE將出射光束整形為32×32的點(diǎn)陣照明模式，并使得DOE點(diǎn)陣光束的總發(fā)散角與SPAD陣列的總FOV嚴(yán)格匹配，同時(shí)DOE調(diào)制的子光束分別與SPAD陣列探測(cè)器的每個(gè)光敏面精確匹配，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)照明激光的高效利用。與泛光照明相比，研究團(tuán)隊(duì)所構(gòu)建系統(tǒng)的能量利用率提高了約100倍。
 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表于Applied Optics，并被遴選為Editor's Pick(編輯精選)亮點(diǎn)文章。
 

圖1 望遠(yuǎn)鏡可重配置共軸SPAD陣列激光雷達(dá)系統(tǒng)及三維成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 

　　該系統(tǒng)還兼容亞像素掃描，能夠獲取更高分辨率的圖像，實(shí)現(xiàn)了3倍橫向空間分辨率提升，相關(guān)成果發(fā)表在IEEE Photonics Journal。兩篇論文的第一作者為西安光機(jī)所薛瑞凱博士，通訊作者均為西安光機(jī)所康巖助理研究員和張同意研究員。
 

　　基于SPAD的單光子雷達(dá)系統(tǒng)通常需要重復(fù)多次激光脈沖探測(cè)才能形成可靠的光子計(jì)數(shù)直方圖。為減少測(cè)量時(shí)間，單光子雷達(dá)一般采用高重復(fù)率脈沖激光進(jìn)行照明，從而在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)檢測(cè)。但激光重復(fù)率的提高會(huì)降低單光子雷達(dá)的無模糊距離范圍。
 

　　為此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于多重頻激光照明結(jié)合脈沖串相關(guān)累積的新型單光子雷達(dá)測(cè)距方法。通過采用激光脈沖串(Burst)代替連續(xù)脈沖(Continuous)照明目標(biāo)及通過不同脈沖串互相關(guān)函數(shù)的累加直接提取目標(biāo)距離，可將原本由最小單重頻決定的18.75m無模糊距離提升至7.4km。
 

　　相關(guān)成果發(fā)表于Optics Letters，論文第一作者為康巖助理研究員，通訊作者為張同意研究員。
 

　　單光子雪崩二極管探測(cè)器無法響應(yīng)在其死時(shí)間(Dead time)內(nèi)到達(dá)的光子，較高的入射光通量會(huì)導(dǎo)致單光子激光雷達(dá)光子計(jì)數(shù)直方圖畸變，引起光子堆積距離誤差。因此在高光子通量下如何修正由死時(shí)間引起的直方圖畸變和準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)距離一直是單光子激光雷達(dá)研究的難點(diǎn)。
 

　　針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于系統(tǒng)前向模型的參數(shù)估計(jì)堆積效應(yīng)校正公式，仿真模擬與實(shí)驗(yàn)研究均證實(shí)了該方法的有效性(圖2)，該方法在回波信號(hào)峰位于探測(cè)周期內(nèi)不同位置時(shí)均能有效恢復(fù)光子計(jì)數(shù)直方圖信號(hào)，可顯著提升目標(biāo)深度和反射率的估計(jì)精度。相關(guān)成果發(fā)表于Optics Letters。
 

　　圖2 回波光子直方圖信號(hào)峰值位于探測(cè)周期不同位置時(shí)，現(xiàn)有多觸發(fā)修正方法與所提出方法的修正結(jié)果對(duì)比

 

　　此前，團(tuán)隊(duì)還提出一種基于經(jīng)驗(yàn)誤差的堆積效應(yīng)修正方法，兩篇論文的第一作者為西安光機(jī)所王曉芳博士，通訊作者均為康巖助理研究員和張同意研究員。
 

　　在目標(biāo)的識(shí)別上，除目標(biāo)距離和反射率等重要參數(shù)外，探測(cè)目標(biāo)的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度更有助于提升目標(biāo)識(shí)別率。張同意研究員團(tuán)隊(duì)與王國(guó)璽研究員帶領(lǐng)的超表面研究小組合作提出一種通過單層超表面生成共軛拓?fù)錅u旋光束的緊湊型轉(zhuǎn)速測(cè)量方法。
 

　　該方法通過嵌套兩個(gè)具有相反拓?fù)浜傻某砻�，�?gòu)成了一個(gè)單層組合超表面，可直接將入射光束轉(zhuǎn)換為兩個(gè)具有共軛拓?fù)浜傻耐S渦旋光束。研究通過分析回波光信號(hào)中相鄰頻率峰值的間隙，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)目標(biāo)轉(zhuǎn)速的精確測(cè)量。
 

圖3 組合超表面示意圖以及基于組合超表面的轉(zhuǎn)速檢測(cè)過程示意圖
 

　　相關(guān)成果發(fā)表于Optics Letters，西安光機(jī)所梁錦濤碩士研究生和李思奇副研究員為論文的共同第一作者，通訊作者為李力飛助理研究員、王國(guó)璽研究員和張同意研究員。
 

　　上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、陜西省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多個(gè)項(xiàng)目的支持。