一种光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统及测距方法

摘要

本发明公开了一种光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统及测距方法，通过脉冲激光器向目标发射脉冲激光，同时自身产生同步信号，经同轴电缆输入到时间相关单光子计数器当中作为开始信号，脉冲激光经过目标表面的散射，部分光子沿原光路返回后被接收光路接收，并通过多模光纤耦合到光子数分辨单光子探测器的光敏面上，产生响应信号通过同轴电缆传输到时间相关单光子计数器，控制端通过数据线控制激光雷达系统运行，并处理数据。本发明能够提高单光子激光雷达的信噪比和复杂环境的探测能力，大幅度提高激光雷达的探测距离，实现对软硬目标的鉴别能力，并有可能全天时甚至全天候工作。

说明书

技术领域

本发明涉及超导单光子探测技术领域、激光雷达和量子测量领域，特别是涉及一种光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统及测距方法。

背景技术

激光雷达技术引发了近代测量学的深刻变革，从1963年激光雷达技术的诞生，到如今该技术已经广泛应用在气象观测、地面遥感和空间目标探测等领域。因为光子是光的最小能量单位，具备单光子灵敏度的单光子探测器可以实现最小光强检测。近年来，科学家们将单光子探测器与脉冲激光雷达相结合而形成的单光子激光雷达，其具有单光子量级的探测灵敏度和皮秒量级的时间精度，有望在保证厘米量级的探测分辨率的前提下，大大提高雷达的作用距离。由于单光子探测的精确度及高灵敏度，其在航海、大气探测、无人驾驶、空间科学、国防、空间激光通信等领域均有重大应用前景。并且，不仅在应用方面，还有望在相对论、引力波等能运用到单光子探测的基础理论研究上也发挥重要作用。

然而，由于光子是玻色子，背景光子和信号光子不可区分，限制了基于光子探测的激光雷达的信噪比和探测距离。特别是在白天等强背景光条件下，单光子激光雷达的性能大大降低，甚至导致探测器饱和而无法工作。正因为如此，大多数单光子激光雷达系统，都会选择在晚上运行，或是采取一定办法来降低噪声。

同时，也可以采取量子信息的处理方式来提高单光子激光雷达的性能。量子雷达的优势在于，其使用的信息载体为单个量子，信号的产生、调制和接收、检测对象均为单个量子，因此整个系统具有极高的灵敏度。量子雷达可以在接收端使用量子操作，如压缩真空注入(SVI)和相位敏感放大(PSA)等方式，降低接收端的噪声水平。同时，在量子水平，信号在微观层面具有许多高维特性，因此可以利用信号和噪声在高维度上特征的差异，通过量子检测和估计理论，进一步提高信号检测的性能，甚至突破经典检测和估计的理论极限。

量子雷达有多种实现方式，主要包括干涉式量子雷达、接收端量子增强激光雷达和量子照射雷达。而接收端量子增强激光雷达的实现方式主要包括：接收端采用具有光子数分辨能力的探测器、基于零差检测的奇偶检测和采用压缩真空注入(SVI)和相位敏感放大(PSA)的零差检测。本发明采用的就是接收端采用具有光子数分辨能力的探测器的接收端量子增强激光雷达方案。

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是由Gol’tsman等人在前人的理论基础上于2001年首次制备获得的。与单光子雪崩二极管(SPAD)等单光子探测器相比，SNSPD具有高探测效率、极低暗计数率、响应波段宽、信号噪声极低、时间精度高、灵敏度高等优越性能。近年来，使用SNSPD，科学家们在空间碎片探测、月球测距、空间通信等方面，均取得了显著的成果。使用阵列化的超导纳米线单光子探测器，还可以实现灵敏度极高的光子数分辨。这些特点使其非常适合应用在量子通信、量子雷达等领域。

随着隐身目标的出现和电子干扰技术的快速发展导致的战场电磁空间的恶劣化，传统无线电雷达依靠发射电磁波和接收电磁波来实现探测的探测手段就面临挑战。这种背景下，如何使用激光雷达来提高雷达的战场探测能力以及延长激光雷达的探测时间窗口就显得尤为重要。

发明内容

发明目的：本发明的一个目的是提供一种光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统。

本发明的另一个目的是提供一种基于光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统的测距方法，该方法解决了单光子激光雷达由于白天背景噪声较强而无法全天时工作的问题，为实现可全天时、远距离精准探测的量子雷达提供实验上的模拟论证。同时将贝叶斯估计算法应用到回波光子数估计当中，为光子数阈值的设定和更多信息的提取提供参考。

技术方案：本发明的一种光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统，包括控制端、脉冲激光器、发射光路、接收光路、时间相关单光子计数器、光子数分辨单光子探测器和外部读出电路，其中，脉冲激光器、接收光路和发射光路集成在一起，外部读出电路包括功率合成器，工作时，脉冲激光器经由发射光路向目标发射脉冲激光，同时自身产生同步信号，经同轴电缆输入到时间相关单光子计数器当中作为开始信号，脉冲激光经过目标表面的散射，部分光子沿原光路返回后被接收光路接收，并入射到光子数分辨单光子探测器的光敏面上，产生响应信号，响应信号被外部读出电路读出，然后通过同轴电缆传输到时间相关单光子计数器，控制端通过数据线控制激光雷达系统运行，并处理数据。

优选的，接收系统进行光子数分辨增强测量提高系统探测能力，即不仅能够探测到单个光子，而且能够分辨光子数的多少，分辨单个激光脉冲光子数为2-1000光子。

优选的，光子数分辨单光子探测器的像元数为2-1000，优选的可以采用16像元阵列超导纳米线单光子探测器。

本发明的一种基于上述光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统的测距方法，包括以下步骤：

S1、脉冲激光发射：脉冲激光由脉冲激光器产生后，经由发射光路传输，发射到外部空间作为探测信号，并自由传输至目标处；在产生脉冲激光的同时，脉冲激光器还会产生一路同步信号，经由同轴电缆传输至时间相关单光子计数器作为开始信号；

S2、目标散射脉冲激光：脉冲激光达到目标表面时，被目标表面所散射，散射后的部分光子沿原光路返回作为回波信号；

S3、光子数分辨单光子探测器探测回波信号：接收光路接收被散射后的光子，并通过多模光纤传输至光子数分辨单光子探测器；之后光子数分辨单光子探测器吸收光子，并产生响应；

S4、信号读出和数据处理：光子数分辨单光子探测器的响应信号经功率合成器后通过同轴电缆传输到时间相关单光子计数器作为停止信号；计数数据通过数据线传输到控制端，经过一段时间积分后，产生时间相关的统计直方图，其峰值代表目标的存在。

进一步的，步骤S2中回波信号平均光子数μ

其中，E

进一步的，步骤S3中，设光子数分辨单光子探测器的总探测效率为η，则计算出入射到光子数分辨单光子探测器并被探测到的信号光子数为k

其中，μ

光子数分辨单光子探测器接收到的光子除了回波信号，还有来自于太阳背景辐射的噪声光子，太阳背景辐射的光子密度应符合黑体辐射规律，是多模辐射；为了简化模型，假设太阳背景辐射为单模辐射，则平均噪声光子数为μ

其中，x＝ημ

在无法区分响应究竟是来自背景辐射还是信号光子，而仅能从脉冲幅度上判断光子数分辨单光子探测器同时响应了几个光子时，脉冲幅度的贡献可能全部来自于信号光子，也可能全部来自背景辐射，或者是来自于背景辐射和信号光子的混合；假设在一次探测中响应了k个光子，那么这个事件发生的概率为：

设定一个光子数阈值N，只有当光子数超过这个光子数阈值的时候，才会被识别为信号，否则会被标记为噪声而过滤掉；这种情况下，被标记为“信号”的响应有三种组成形式，一是所有贡献均来自于太阳背景辐射，二是来自于太阳背景辐射和信号光子，三是全部来自于信号光子；对于后面两种情况，由于存在信号光子的贡献，已经能够被标记为信号，而第一种就是被误标记为“信号”的噪声；

于是得到，被标记为“信号”的噪声的存在概率为：

根据“信号”概率及噪声概率，建立基于量子数的信噪比QSNR的表达式为：

进一步的，步骤S3中，使用贝叶斯估计算法估计接收到的回波平均光子数，当探测到光子数为n时，接收到的信号回波光子数μ

其中，在对同一目标的探测中，μ

对于p(n|μ

其中，m是当信号回波强度为μ

在实际测量时，当取得一定数量的数据之后，即根据上述公式进行计算，求解出使max(p(μ

有益效果：与现有技术相比，本发明可以使用1064nm的激光，在超过30万每秒的噪声计数条件下实现对超过11km远目标的精准测距，灵敏度可达单光子量级。结合光子数阈值检测的方法，信噪比相比其他单光子激光雷达有数量级上的提升。

利用16像元阵列超导纳米线单光子探测器高速、高效率以及多通道输出的特性，并结合其针对光子数的分辨手段，有效剔除整个系统的背景噪声计数和探测器本身暗噪声的计数，使本系统能够在阳光强烈的白天仍然能够高效而精确地工作。

附图说明

图1为本发明激光雷达系统示意图；

图2为16像元阵列超导纳米线单光子探测器像元和电极版图；

图3为16像元阵列超导纳米线单光子探测器感光面的电镜图；

图4为信号功率合成读出方式示意图；

图5为使用示波器观测的16像元阵列超导纳米线单光子探测器实现光子数分辨的波形图；

图6为对11km外山体目标探测回波光子计数直方统计图；

图7为山体目标距离与方位的地图标识；

图8为雷达系统在三种光子数阈值下回波信号直方统计图；

图9为信噪比随目标距离变化的理论仿真曲线；

图10为信噪比随目标距离变化的实验测量曲线；

图中，1为16个像元组成的感光面，2为像元与信号电极的连接线，3为信号电极，4为接地电极，5为像元与接地电极的连接线，1-1到4-4分别表示16个像元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种光子数分辨测量增强单光子激光雷达系统，包括控制端(计算机)、脉冲激光器、发射光路、接收光路、时间相关单光子计数器、光子数分辨单光子探测器(以16像元阵列超导纳米线单光子探测器为例)和外部读出电路，发射光路和接收光路为同轴系统，脉冲激光器、发射光路和接收光路集成在一个模块内，外部读出电路则主要由功率合成器组成。工作时，脉冲激光器经由发射光路向目标发射脉冲激光，同时自身产生同步信号，经同轴电缆输入到时间相关单光子计数器当中作为开始信号，脉冲激光经过目标表面的散射，部分光子沿原光路返回后被接收光路接收，并通过多模光纤耦合到光子数分辨单光子探测器(16像元阵列超导纳米线单光子探测器)的光敏面上，产生响应信号，响应信号被外部读出电路读出，然后通过同轴电缆传输到时间相关单光子计数器，控制端(计算机)通过数据线控制激光雷达系统运行，并处理测距数据。

本实施例中光子数分辨单光子探测器采用的是16像元阵列超导纳米线单光子探测器，高效率、高速16像元阵列超导纳米线单光子探测器像元和电极版图如图2所示，单个像元与信号电极3通过像元与信号电极之间的连接线2电连接，单个像元与接地电极4通过像元与接地电极的连接线5电连接，16个像元组成的感光面用于接收光子。

16像元阵列超导纳米线单光子探测器感光面的电镜图如图3所示，16个像元1-1到4-4阵列排布，其工作时各个像元相互独立并被偏置在稍低于超导临界电流的位置，当组成像元的纳米线吸收光子后，吸收区域的超导态被破坏，产生热岛，热岛区域在电流焦耳热的作用下扩散，同时导致热岛附近的电流密度增大，使附近的超导态被进一步破坏，纳米线进入电阻态。随后，经过纳米线自身和衬底的冷却，纳米线重新进入超导态。这个对光子的响应过程在电路上表现为快速上升、随后指数衰减的电脉冲，通过放大器将此电脉冲信号放大，就可以鉴别光子的到达。本发明利用16像元阵列超导纳米线单光子探测器的光子数分辨能力，结合光子数阈值检测的方法，能够在保证厘米量级精度的情况下大幅提高单光子激光雷达的信噪比，并可以克服背景噪声而在白天强光条件下运行。

重频10kHz、脉宽1.5ns、工作波长为1064nm的脉冲激光器向目标发射脉冲激光，同时自身产生同步信号，经同轴电缆输入到时间相关单光子计数器当中作为开始信号。脉冲激光经过发射光路发射后，经空间自由传输照射到目标的表面。脉冲激光经过目标表面的散射，部分光子沿原光路返回后被接收光路接收，并通过多模光纤耦合到16像元阵列超导纳米线单光子探测器的光敏面上，产生响应信号。其中接收光路为中心波长为1064±2nm，半高宽为10±2nm，峰值透过率大于70％的带通滤波片。16像元阵列超导纳米线单光子探测器的各像元输出电脉冲信号被外部读出电路放大读出后再经功率合成器进行叠加简并成一路输出，如图4为输出信号波形叠加简并运算示意图，叠加后信号最终与时间相关单光子计数器(选用HydraHarp400)相连。当探测器响应信号经过读出电路后生成的回波电脉冲信号幅值高于设定的鉴别电压，回波信号的时间信息被记录，再与脉冲激光的开始同步信号时间信息相减作为光子飞行时间，多次重复探测。在所得的飞行时间对应的区间内叠加并计数，时间相关单光子计数器最短时间区间可设置为1ps。结果累积成光子计数统计直方图，最终换算获得目标的距离值。

一种光子数分辨单光子激光雷达系统的测距方法，包括以下步骤：

S1、脉冲激光发射：脉冲激光由脉冲激光器产生后，经由发射光路传输，发射到外部空间作为探测信号，并自由传输至目标处。在产生脉冲激光的同时，脉冲激光器还会产生一路同步信号，经由同轴电缆传输至时间相关单光子计数器作为开始信号。

S2、目标散射脉冲激光：脉冲激光达到目标表面时，被目标表面所散射，散射后的部分光子沿原光路返回作为回波信号。

S3、光子数分辨单光子探测器探测回波信号：接收光路接收被散射后的光子，并通过多模光纤传输至16像元阵列超导纳米线单光子探测器。之后光子数分辨单光子探测器的光敏面吸收光子，并产生响应。

S4、信号读出和数据处理：光子数分辨单光子探测器的响应信号经功率合成器后通过同轴电缆传输到时间相关单光子计数器作为结束信号。响应信号被外部电路读出后，其通过示波器观测的波形图如图5所示。计数数据通过数据线传输到控制端(计算机)，经过一段时间积分后，产生时间相关的统计直方图，其峰值代表目标的存在。

对于上述的回波信号，考虑到光子的传输特性、接收光路的接收特性以及目标表面的散射特性，可以建立如下关于本全天时单光子激光雷达接收的回波信号平均光子数μ

其中，E

综合数据，本实施例仿真得到了单光子激光雷达测距系统接收的信号回波光子数和目标距离的变化关系。对于11km处的目标，16像元阵列超导纳米线单光子探测器接收到的平均回波光子数为0.0037个，为单光子探测水平。

脉冲激光由发射光路出射后，经目标及大气散射介质造成的后向散射，回到阵列超导纳米线单光子探测器的光子数应符合泊松分布。设阵列超导纳米线单光子探测器的总探测效率为η，则可以计算出发射的每个激光脉冲经目标散射后入射到阵列超导纳米线单光子探测器并被探测到的信号光子数为k

其中，μ

16像元阵列超导纳米线单光子探测器可能接收到的光子除了回波信号，还有主要来自于太阳背景辐射的噪声光子。太阳背景辐射的光子密度应符合黑体辐射规律，是多模辐射。为了简化模型，假设太阳背景辐射为单模辐射，则平均噪声光子数为μ

其中，x＝ημ

在无法区分响应究竟是来自背景辐射还是信号光子，而仅能从脉冲幅度上判断16像元阵列超导纳米线单光子探测器同时响应了几个光子时，脉冲幅度的贡献可能全部来自于信号光子，也可能全部来自背景辐射，或者是来自于背景辐射和信号光子的混合。假设在一次探测中响应了k个光子，那么这个事件发生的概率为：

其中m为触发探测器响应的信号光子的数目，p

本发明可以设定一个光子数阈值N，只有当光子数超过这个它的时候，才会被识别为信号，否则会被标记为噪声而过滤掉。这种情况下，被标记为“信号”的响应有三种组成形式，一是所有贡献均来自于太阳辐射，二是来自于太阳辐射和信号光子，三是全部来自于信号光子。对于后面两种情况，由于存在信号光子的贡献，已经可以被标记为信号，而第一种就是被误标记为“信号”的噪声。

于是可以得到，被标记为“信号”的噪声的存在概率为：

根据“信号”概率及噪声概率，就可以建立基于量子数的信噪比QSNR的表达式为：

为了研究光子数阈值设定对于信噪比的影响，考虑采用作差的方式，求取光子数阈值为N+1时的QSNR相对于光子数阈值为N时的变化。

其中p

本发明使用贝叶斯估计算法估计接收到的回波平均光子数。当探测到光子数为n时，接收到的信号回波光子数μ

在对同一目标的探测中，可认为μ

对于p(n|μ

其中，m是当信号回波强度为μ

在实际测量时，当取得一定数量的数据之后，即可以进行计算，求解出使max(p(μ

使用本发明，还对位于本发明系统安装位置11km外的山体目标进行了测距实验。如图5给出了回波信号通过光子数分辨测量获得的不同高度的脉冲信号，测距结果和地图标识图请分别见图6和图7。测距结果低谷的存在是因为16像元阵列超导纳米线单光子探测器的每一个探测像元具有25ns的死时间。

另外，本发明的实测信噪比标定方式如下。

设通过调整时间相关光子计数器采样间各隔t

使用脉冲激光器水平照射在115m处的大楼表面固定点位，在接收光路中放置一个1064nm波段光衰减器，该光衰减器可按1-60dB可调倍率对多模光纤内光信号进行衰减，减少到达阵列SNSPD表面的光子数。实验中回波信号受16像元阵列超导纳米线单光子探测器暗计数，环境背景噪声的影响，选择在白天固定时间段内进行实验，背景辐射计数3×10