超快光科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室張同意研究員團隊在單光子激光雷達領(lǐng)域取得系列突破性進展，相關(guān)多篇研究成果近期連續(xù)發(fā)表于知名期刊Optics Letters。
研究團隊圍繞單光子探測機理、單光子雷達系統(tǒng)集成與信號處理等關(guān)鍵技術(shù)展開攻關(guān)，為解決光子堆積誤差、面陣單光子雷達能量利用效率低、高重頻單光子雷達距離模糊等關(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，對此，研究團隊設(shè)計并構(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的點陣照明模式，并使得DOE點陣光束的總發(fā)散角與SPAD陣列的總FOV嚴格匹配，同時DOE調(diào)制的子光束分別與SPAD陣列探測器的每個光敏面精確匹配，實現(xiàn)了對系統(tǒng)照明激光的高效利用。與泛光照明相比，研究團隊所構(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)亮點文章。
圖1
望遠鏡可重配置共軸SPAD陣列激光雷達系統(tǒng)及三維成像實驗結(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所薛瑞凱博士，通訊作者均為西安光機所康巖助理研究員和張同意研究員。
基于SPAD的單光子雷達系統(tǒng)通常需要重復(fù)多次激光脈沖探測才能形成可靠的光子計數(shù)直方圖。為減少測量時間，單光子雷達一般采用高重復(fù)率脈沖激光進行照明，從而在較短時間內(nèi)實現(xiàn)多次重復(fù)檢測。但激光重復(fù)率的提高會降低單光子雷達的無模糊距離范圍。
為此，研究團隊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測距方法。通過采用激光脈沖串(Burst)代替連續(xù)脈沖(Continuous)照明目標及通過不同脈沖串互相關(guān)函數(shù)的累加直接提取目標距離，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器無法響應(yīng)在其死時間(Dead time)內(nèi)到達的光子，較高的入射光通量會導(dǎo)致單光子激光雷達光子計數(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間引起的直方圖畸變和準確估計目標距離一直是單光子激光雷達研究的難點。
針對這一難題，研究團隊提出了基于系統(tǒng)前向模型的參數(shù)估計堆積效應(yīng)校正公式，仿真模擬與實驗研究均證實了該方法的有效性(圖2)，該方法在回波信號峰位于探測周期內(nèi)不同位置時均能有效恢復(fù)光子計數(shù)直方圖信號，可顯著提升目標深度和反射率的估計精度。相關(guān)成果發(fā)表于Optics Letters。
圖2 回波光子直方圖信號峰值位于探測周期不同位置時，現(xiàn)有多觸發(fā)修正方法與所提出方法的修正結(jié)果對比
此前，團隊還提出一種基于經(jīng)驗誤差的堆積效應(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。
在目標的識別上，除目標距離和反射率等重要參數(shù)外，探測目標的速度和轉(zhuǎn)動速度更有助于提升目標識別率。張同意研究員團隊與王國璽研究員帶領(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撲渦旋光束的緊湊型轉(zhuǎn)速測量方法。
該方法通過嵌套兩個具有相反拓撲荷的超表面，構(gòu)成了一個單層組合超表面，可直接將入射光束轉(zhuǎn)換為兩個具有共軛拓撲荷的同軸渦旋光束。研究通過分析回波光信號中相鄰頻率峰值的間隙，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)目標轉(zhuǎn)速的精確測量。
圖3 組合超表面示意圖以及基于組合超表面的轉(zhuǎn)速檢測過程示意圖
相關(guān)成果發(fā)表于Optics Letters，西安光機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、王國璽研究員和張同意研究員。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、陜西省科技廳重點研發(fā)計劃等多個項目的支持。
