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。     

单光子测距系统仿真及精度分析

单光子探测器和时间相关单光子计数技术（TCSPC）被广泛运用于脉冲式激光测距及三维成像系统中。分析影响探测精度的因素有助于提高测距系统的性能。为此,建立了基于TCSPC单光子测距系统的理论模型,讨论分析了影响测距系统测量精度的因素,主要包括激光脉冲强度和回波信号统计波形的脉宽,其中后者由激光脉宽和探测器的时间抖动决定。并且利用蒙特卡洛法对测距系统的探测过程进行仿真,得到了上述因素对测量精度的具体影响情况。最后搭建了单光子测距的实验室实验系统,经过实验在10 m处的测量精度达到4 mm,对相同参数下的仿真结果进行了验证。     

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。     

光子计数激光雷达游走误差与时间抖动的研究

光子计数激光雷达具有灵敏度高、体积小等特点,是未来远距离探测激光雷达的发展方向。光子计数激光雷达在探测时会产生游走误差,从而影响系统的测距精度。文章就游走误差与探测器时间抖动之间的关系进行了理论分析与实验验证。首先,基于激光雷达方程、单光子探测器时间抖动与光子计数探测的概率统计特性,建立了激光回波信号与探测器时间抖动的数学模型;然后使用该模型进一步推导了探测器时间抖动与游走误差之间的关系,计算分析与仿真实验都表明:系统的游走误差与探测器时间抖动呈正相关关系。最后,使用拥有不同时间抖动的单光子探测器进行了实验,实验结果表明:当探测器时间抖动标准差分别为15,350和1152ps时,游走误差分别为0.88,2.55和12.56cm。     

基于单探头实现两种技术同步复测的新测速仪

在冲击波、爆轰、兵器、激光等众多研究领域中,均提出了使用单个探头对一个测点进行多种技术同步复测的迫切需求。为实现上述目标,分析了常规和外差式光子多普勒测速技术的工作机理、光学结构和复测难题,设计了一种基于单探头实现常规和外差式光子多普勒测速技术同步复测的方案,并根据该方案搭建了一套新型测速装置。设计了爆轰波加载铝飞片和铅粒子群的考核实验,实验结果显示,使用单个测速探头对单个或多个目标均实现了优异的测速效果,获得了2种技术在单次实验中各自独立测量到的待测目标速度曲线。该研究内容及实验结果对充分研究激光测速技术在单探头多技术复测方面的应用极具意义。     

星载光子计数激光测高植被冠层高度误差分析

通过建立植被的单光子探测模型,分析和计算了星载光子计数激光测高植被探测中,因单光子探测原理引起的植被冠层高度误差.实验表明,北方针叶林的星载光子计数测高中单次激光脉冲首次探测到的信号光子的平均高程低于LIDAR数据提供的DSM约2.435 m.仿真结果表明,提高发射脉冲能量,减小激光脉冲发散角有助于减小误差,而拥有更高...     

时间拉伸光子多普勒测速技术研究

在瞬态高速测速场景中,目标物体在几十ns时间内能加速到几~几十km/s,因此光子多普勒测速系统中电学数模转换器件带宽要求达到GHz甚至上百GHz。时间拉伸光子多普勒测速系统利用飞秒激光时间拉伸特性,在光域中完成信号降频处理,降低了光电信号探测器件和电学数模转换器件带宽压力。提出了改进的时间拉伸光子多普勒测速系统,飞秒脉冲经过第一级色散器件充分展宽铺满整个时域,避免了速度信号的采样间断;信号解调上采用误差补偿算法对频移信号进行补偿,减小了因为位移引入的系统误差,从而增加了有效记录时间。实验使用纳秒激光驱动铝膜产生高速飞片,测试了文中测速系统在记录时间1.2 μs内的实验效果。实验使用重频50 MHz飞秒光源,第一级和第二级色散器件分别使用200 km和100 km单模光纤,构成比例因子2/3。最终实验表明系统将3.6 GHz的多普勒频移信号降低为2.4 GHz,通过与光子多普勒测速系统进行结果比对,实验动态误差小于5%。该系统将能够应用于多种动高压技术加载飞片场景下的速度进行测量,为瞬态高速测量领域提供了新的测量手段。     

扩展目标光子测距回波特性及误差研究

光子测距具有灵敏度高,探测距离远的特点,目标形状和姿态对光子测距的影响不可忽略。针对扩展平面、球面和非球面三种典型目标,建立了扩展目标光子探测回波概率分布模型,推导出不同倾斜角下混有时空分布的光子回波概率分布一般方程。实验表明,扩展平面的光子回波概率分布与数值计算结果一致。理论仿真分析了扩展目标的光子回波概率分布特性,讨论了光子测距误差与扩展目标类型和倾斜角间的变化规律。结果表明:平均回波光子数为3.9,目标处激光光斑半径为0.2m,倾斜角小于20°时不同扩展目标间的光子测距误差小于1.23mm;光子测距误差随着目标倾斜角的增大逐渐增大,且扩展平面目标测距误差受倾斜角影响最大。     

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。     

考虑脉冲高度分布（PHD）的光电倍增管光子探测模型

光电倍增管（Photomultiplier Tubes,PMT）具有光子级别的灵敏度,而且没有物理意义上的死区时间,在光子计数雷达应用中有独有的优势,但PMT响应单光子输出脉冲高度呈高斯随机分布,且不同脉冲之间还有可能产生堆叠,传统的单光子模型不能准确描述PMT的光子探测过程。针对PMT输出脉冲高度随机分布,脉冲堆叠现象和光子事件鉴别阈值的设置对光子事件探测概率的影响提出了一个新的PMT光子探测模型,并根据实际应用场景进行了简化,通过蒙特卡洛仿真验证了简化模型的适用性。搭建了光子计数雷达系统,通过和盖革模式APD进行实验对比,发现PMT光子探测模型虽然有略微的探测概率损失,但在测距应用中具有更小行走误差和更高测距精确度。实验也证明了新模型相比于传统单光子探测模型更符合PMT的光子事件探测概率分布,新模型对基于PMT光子计数雷达的系统设计和理论分析具有重要的指导意义。     

对运动目标的单站无源定位技术研究

实现对运动目标辐射源的单站无源定位是对新体制雷达对抗侦察系统的基本要求.固定单站通过测量角度、角速度和多普勒频率变化率可实现对运动目标的无源定位,该方法对角速度特别敏感,测量精度要求很高.为此,提出了一种利用波达方向、相位差变化率、载波频率及多普勒频率变化率的单站无源定位方法,结合某地面雷达对抗侦察系统,分析了其定位原理、测距误差和可观测性,给出了单次测距的计算机仿真结果和结论.仿真研究表明,通过增加相位差变化率信息降低了对角速度的高精度测量要求.     

一种利用相位差变化率的机载单站无源定位方法

利用空频域信息的无源定位对角速度测量要求较高,分析相位差变化率模型可知相 位差变化率对角速度具有明显的放大作用,将其应用于机载单站无源定位,建立新的无源测 距模型并进行误差分析。仿真实验表明：该方法减小了参数测量难度,定位误差主要受相位 差变化率和频率变化率影响,并随载机和目标相对速度的增大而减小,与原方法相比具有更 好的定位精度。     

基于多普勒耦合估计的弹道目标测距方法

反导预警与空间监视雷达通常采用高频段、大脉宽探测远距离目标,此时距离多普勒耦合对于雷达精确测距有较大影响。同时,距离多普勒耦合的准确修正是稳定跟踪目标的必要条件,然而传统的处理方法不能适用于弹道目标等高机动目标的准确处理。本文提出了基于多普勒耦合估计的弹道目标高精度测距方法：首先采用旁路速度-加速度估计方法求解目标的径向速度,对目标测量距离进行距离多普勒耦合修正,再进行IMM-UKF滤波完成目标距离估计。该方法具有以下优势：利用当前帧的测量数据,同时考虑了目标径向加速度对于耦合的影响,提高了距离和速度的估计精度;相比跟踪时增加测速波形的方法,节约了雷达的资源,同时避免了速度测量与航迹误关联的问题;距离和速度的精确估计能够提升航迹关联成功率。仿真实验中与传统的距离多普勒耦合处理方法进行了比较,实验结果显示该方法大幅提高了雷达测距的精度。     

Dynamic time-correlated single-photon counting laser ranging

We demonstrate a photon counting laser ranging experiment with a four-channel single-photon detector (SPD). The multi-channel SPD improve the counting rate more than 4×10⁷ cps, which makes possible for the distance measurement performed even in daylight. However, the time-correlated single-photon counting (TCSPC) technique cannot distill the signal easily while the fast moving targets are submersed in the strong background. We propose a dynamic TCSPC method for fast moving targets measurement by varying coincidence window in real time. In the experiment, we prove that targets with velocity of 5 km/s can be detected according to the method, while the echo rate is 20% with the background counts of more than 1.2×10⁷ cps.     

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.     

基于单像素单光子探测的目标识别与跟踪方法

为了实现弱回波信号下非合作目标识别跟踪,文章基于单像素光子计数激光雷达系统设计了目标识别跟踪策略,并且提出了一种目标识别跟踪方法。该方法首先将单像素光子计数激光雷达系统采集得到的三维点云经过插值处理得到直观的距离像,然后采用最大稳定极值区域算法分割目标和背景,根据目标轮廓特征识别并选择需要跟踪的目标。最后提取识别目标的质心,与激光雷达扫描中心的偏差作为误差信号,控制伺服系统在扫描的基础之上执行目标跟踪。实验结果表明,当激光发射能量为625 pJ、回波光子数为25时,该系统能对距离为5 m、角速度约为2 mrad/s的目标进行稳定的识别跟踪;验证了基于单像素光子计数激光雷达的策略及方法能够稳定的分割目标和背景,以及正确提取需要识别跟踪测距的目标质心,为弱回波信号下目标识别跟踪测距提供一种有效直观的探测方法,同时,弱信号探测作为远距离探测的必要条件,为远距离下的目标探测及识别跟踪提供了一个新的技术方向。     

一种仅基于时差测量的运动单站无源定位方法

在相移与频移之间函数关系的基础上,利用相差与时差定位方程对路程差测量的相等性导出了基于时差测量的多普勒频移表示式,由此即可将从多普勒方程中所导出的基于多普勒频移测量的运动单站无源测距公式转化为仅基于时差测量的运动单站无源测距公式。误差分析表明,和基于频移的测距方法相比,基于时差测量的运动单站无源测距方法呈现出较好的测量精度,只要平台的移动距离大于数千米,即可实现相对测距误差小于5%R的技术要求。