光子计数成像原理及其应用

20世纪80年代发展起来的光子计数成像系统有极高的灵敏度,原理上可探测单个光子及其空间位置,因此可以探测到极弱的光子图像。随着微光像增强技术和弱光成像器件的发展,光子计数成像技术近年来发展很快并日趋成熟,光子计数成像在军事、天文学、物理学、化学、生物学、量子电子学等领域得到了广泛应用。介绍了光子计数成像的原理、技术特点及其应用。     

光子计数成像技术及其应用

随着微光像增强技术和弱光成像器件的发展，光子计数成像技术近年来发展很快并日趋成熟，光子计数成像在军事、天文学、物理学、化学、生物学、量子电子学等领域得到了广泛应用。介绍了光子计数成像的原理、技术特点及其应用。     

基于光子计数的关联成像实验研究

利用光纤分束器和N个单光子探测器,提出了一种微弱光探测下的单脉冲光子计数方案。将该光子计数方案与关联成像原理结合,搭建了一套光子计数探测模式下的关联成像实验平台。实验研究了微弱光探测条件下光子计数的动态范围对关联成像质量的影响,分析并探讨了基于光子计数的关联成像需进一步深入研究的问题。     

一种灵巧的高灵敏固态APD的光子计数成像装置

为了实现极微弱光环境下的目标探测成像,采用在盖革模式下工作的固态雪崩光电二极管作为探测单元,搭建了光子计数成像实验装置;然后通过装置得到的灰度等级测试图的光子计数频率值,建立了反映光子计数频率与图像灰度之间关系的光子计数成像灰度模型。基于此模型得到了较好的目标光子计数图像。     

超快速超高灵敏度光子成像技术

工作在盖革模式下的雪崩型光电二极管(APD)和二极管阵列(APD array)具备单光子探测能力,在激光三维成像和极微弱光成像等领域具有广泛的应用前景。从雪崩型光电二极管的单光子响应特性入手,对光子探测成像机理及其固有缺陷进行了理论和实验研究。针对极微弱光更多地呈现粒子特征所产生的光子通量涨落和“群聚效应“对光子成像质量的影响,建立了光强恒定的相干光和混沌光经粗糙表面反射后的光子计数分布概率的反演模型,建立了基于泊松点过程的光子事件模型和入射光场的反演模型,为光子计数反演在光子成像中的应用奠定了理论基础。深入研究了瞬态门控和主动淬灭技术,抑制载流子的漂移和碰撞电离,缩短光电流的持续时间,提高了器件的时间响应特性和频率响应特性,以满足超快速光子成像系统的需要。最后,对光子成像技术最有竞争力的两个应用领域——微光像增强技术和三维激光成像雷达的关键应用技术进行了研究。     

单光子量子雷达的恒虚警检测条件

量子雷达是将量子效应引入经典雷达探测领域,解决经典雷达在探测、测量和成像等方面的技术瓶颈,提升雷达综合性能的技术。文中简述了量子雷达的基本原理及光子计数体制雷达在这一领域所处的地位,基于普朗克公式和奈奎斯特公式分析了光子计数体制雷达的量子物理基础,基于纽曼·皮尔逊准则推导了光子计数体制中最优的信号检测准则,提出了光子计数体制量子雷达的恒虚警检测条件,基于真实环境进行了光子计数雷达的信号检测仿真,并对比了文中提出的方法相对于经典雷达信号检测方法在光子计数体制下的优势。     

光子计数三维成像激光雷达的分析与实验

对于直接探测三维成像激光雷达,采用光子计数探测器可以响应单光子水平的目标回波,从而大大提高探测效率。研究的光子计数三维成像激光雷达采用盖革模式雪崩光电二极管（APD）作为探测器。首先分析了回波光子探测模型,并根据此模型讨论了激光雷达探测概率和测距模式。在理论分析的基础上,设计了一套光子计数三维成像激光雷达系统,对一些选定目标进行了测距和三维成像实验,并对实验结果进行了分析。     

光子成像计数技术及其新进展

介绍了光子成像计数技术的几种主要类型,并详细阐述了其中几种发展迅速且在该领域应用最为广泛的技术,对这些技术目前的发展现状和最新进展也作了详尽的介绍.     

温度对碲锌镉光子计数探测器计数性能的影响及机理研究

基于线阵光子计数探测器模块，实现了碲锌镉探测器的光子计数应用。研究了大剂量X射线下碲锌镉探测器的计数性能，发现碲锌镉光子计数探测器根据其典型计数性能可分为两类:C1，C2。分析了这两类典型的光子计数探测器的计数性能与X射线能谱响应特性、前放脉冲信号上升时间以及碲锌镉探测器缺陷水平的内在联系，在此基础上研究了温度对C2类碲锌镉光子计数探测器计数性能的影响规律，升高温度可以抑制探测器的极化失效，提高计数率，且当温度升高至33℃时，探测器计数性能可得到显著改善。最后利用线阵光子计数探测器模块，获得了不同温度下C2类碲锌镉光子计数探测器的多能区成像结果，升高温度可以显著增加其图像衬度，提高成像质量。该研究为通过控制外部条件提高碲锌镉光子计数探测器性能提供了有效手段。     

碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器(特邀)

单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来,国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术,充分放大光子信号,以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Devices, EMCCDs)具有更高的量子效率,可替代传统的可见光光子计数系统,但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件(HgCdTe APD)的过剩噪声因子接近1,几乎无过剩噪声;相对于盖革模式的雪崩器件,没有死时间和后脉冲,不需要淬灭电路,具有超高动态范围,光谱响应范围宽且可调,探测效率和误计数率可独立优化,开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域,在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神(Raytheon)公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状,分析了吸收倍增...     

极紫外光子计数成像仪图像快显系统设计与实现

为实现极紫外光子计数成像仪数字图像的实时获取,设计图像快显系统,完成数据的实时传输和图像的快速显示。设计了基于USB2.0的数据传输单元完成成像仪与PC工作机之间的数据交互,介绍了数据传输单元的工作原理与组成,采用FPGA+USB控制芯片的结构实现安全、高效的数据传输。对极紫外光子计数成像仪成像原理进行分析,在PC机中进行数据处理,完成图像的快速显示,实现极紫外光子计数成像仪的实时图像测试。经实验验证,本系统可以完成科学数据的实时接收与图像的快速显示功能,满足设备的调试与测试需求。     

Use of the Dempster-Shafer algorithm for the detection of SAR shipwakes

An automatic detection algorithm (ADA) for synthetic aperture radar (SAR) ship wakes, based upon the Dempster-Shafer algorithm, is described and applied to a large set of SEASAT wake imagery. The SEASAT images were chosen specifically to test the limitations of the ADA. Images exhibiting multiple SAR ship wakes, short or faint wake features, striated ocean backgrounds, or the presence of other naturally occurring linear ocean features, constituted the majority of images. The ADA correctly classified the majority of the images, with misclassifications linked largely to very short or faint linear features. The ADA performed very well in striated ocean regions and in areas where the wake features were competing with naturally occurring linear ocean structure     

Practical decoy-state quantum key distribution method considering dark count rate fluctuation

Considering fluctuant dark count rate in practical quantum key distribution(QKD) system,a new decoy-state method with one vacuum state and one weak decoy state is presented based on a heralded single photon source(HSPS).The method assumes that the dark count rate of each pulse is random and independent.The lower bound of the count rate and the upper bound of the error rate of a single photon state are estimated.The method is applied to the decoy-state QKD system with and without the fluctuation of dark count rate.Because the estimation of the upper bound of a single photon state’s error rate is stricter,the method can obtain better performance than the existing methods under the same condition of implementation.     

Modeling and Probing Hot-Carrier Luminescence From MOSFETs

We present an extended modeling for MOSFETs that time-dependently predicts the spontaneous photon emission due to hot carriers. Such very faint luminescence waveforms (less than one photon for every 10⁶ switching events) can be measured by means of high-sensitivity single-photon detectors, where time jitter is lower than 30 ps. Thanks to the model, which runs in most computer-aided-design circuital simulators, it is possible to cross-check measurements with simulations in order to quickly identify either design and fabrication errors or mismatches due to parasitism, interconnections, etc. Moreover, we demonstrate that the proposed modeling is a powerful investigation tool not only for digital circuits but also for analog ICs.     

Thermal radiation effect in near infrared single photon detector

<正>Aminiaturized near infrared single photon detector is demonstrated by integrating a thermoelectric cooler(TEC), a thermistor, and a planar type In Ga As/In P separate absorption, charge and multiplication structure single photon avalanche diode into a butterfly case. The performance of the device at different temperatures is tested. It can achieve 20.3% single photon detection efficiency and 1.38 k Hz dark count rate when the chip is cooled to 223 K. The test results show that even when...     

低暗计数率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管

通过对InGaAsP/InP单光子雪崩二极管（SPAD）的探测效率、暗计数率等基本特性与该器件的禁带宽度、电场分布、雪崩长度、工作温度等参数之间关系的分析,采用比通常的InxGaAs （x=0.53）材料具有更宽带隙的InxGa1-xAsyP1-y（x=0.78,y=0.47）材料作为光吸收层,并且精确控制InP倍增层的雪崩长度,有效地降低了SPAD的暗计数率。其中InGaAsP材料与InP材料晶格匹配良好,可在InP衬底上外延生长高质量的InGaAsP/InP异质结,InGaAsP材料的带隙为Eg=1.03 eV,截止波长为1.2 m,可满足1.06 m单光子探测需要。同时,通过设计并研制出1.06 m InGaAsP/InP SPAD,对其特性参数进行测试,结果表明,当工作温度为270 K时,探测效率20%下的暗计数率约20 kHz。因此基于时间相关单光子计数技术的该器件可在主动淬灭模式下用于随机到达的光子探测。     

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。     

Three-dimensional blind deconvolution of SPECT images

Thanks to its ability to yield functionally rather than anatomically-based information, the three-dimensional (3-D) SPECT imagery technique has become a great help in the diagnostic of cerebrovascular diseases. Nevertheless, due to the imaging process, the 3-D single photon emission computed tomography (SPECT) images are very blurred and, consequently, their interpretation by the clinician is often difficult and subjective. In order to improve the resolution of these 3-D images and then to facilitate their interpretation, we propose herein to extend a recent image blind deconvolution technique (called the nonnegativity support constraint-recursive inverse filtering deconvolution method) in order to improve both the spatial and the interslice resolution of SPECT volumes. This technique requires a preliminary step in order to find the support of the object to be restored. In this paper, we propose to solve this problem with an unsupervised 3-D Markovian segmentation technique. This method has been successfully tested on numerous real and simulated brain SPECT volumes, yielding very promising restoration results.     

高光谱图像压缩技术研究进展

高光谱遥感已经成为遥感领域的前沿科技,在军事侦察以及国民经济中发挥着重要作用。高光谱遥感的光谱通道数达到上百个,光谱分辨率的不断提高使得高光谱图像的数据量急剧膨胀。对于星载成像光谱仪获取的高光谱图像,庞大的数据量已经给数据的存储与传输带来巨大压力,严重制约着高光谱图像的后续应用,因此,必须利用有效的压缩技术对高光谱图像进行压缩。高光谱图像压缩技术可分为无损压缩与有损压缩,在实际应用中,需要根据具体的应用需求选取不同的压缩方式。本文首先对高光谱遥感的基本概念进行了简介,然后从无损压缩与有损压缩两个方面对高光谱图像压缩技术的研究进展进行了综述,最后,指出了高光谱图像压缩技术的发展方向。      

一种对高速运动目标的单光子测距方法

作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。