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仪表网 研发快讯】超快光科学与技术全国重点实验室张同意研究员团队在单光子
激光雷达领域取得系列突破性进展，相关多篇研究成果近期连续发表于知名期刊Optics Letters。
研究团队围绕单光子探测机理、单光子雷达系统集成与信号处理等关键技术展开攻关，为解决光子堆积误差、面阵单光子雷达能量利用效率低、高重频单光子雷达距离模糊等关键问题提供了系统性方案。
单光子雪崩二极管(SPAD)阵列像素填充率低、阵列规模小等问题导致其难以满足高空间分辨三维成像要求，对此，研究团队设计并构建了一套基于SPAD阵列和衍射光学元件(DOE)的可重构同轴单光子激光雷达三维成像系统。
该系统采用DOE将出射光束整形为32×32的点阵照明模式，并使得DOE点阵光束的总发散角与SPAD阵列的总FOV严格匹配，同时DOE调制的子光束分别与SPAD阵列探测器的每个光敏面精确匹配，实现了对系统照明激光的高效利用。与泛光照明相比，研究团队所构建系统的能量利用率提高了约100倍。
相关研究成果发表于Applied Optics，并被遴选为Editor's Pick(编辑精选)亮点文章。
图1
望远镜可重配置共轴SPAD阵列激光雷达系统及三维成像实验结果
该系统还兼容亚像素扫描，能够获取更高分辨率的图像，实现了3倍横向空间分辨率提升，相关成果发表在IEEE Photonics Journal。两篇论文的第一作者为西安光机所薛瑞凯博士，通讯作者均为西安光机所康岩助理研究员和张同意研究员。
基于SPAD的单光子雷达系统通常需要重复多次激光脉冲探测才能形成可靠的光子计数直方图。为减少测量时间，单光子雷达一般采用高重复率脉冲激光进行照明，从而在较短时间内实现多次重复检测。但激光重复率的提高会降低单光子雷达的无模糊距离范围。
为此，研究团队提出了一种基于多重频激光照明结合脉冲串相关累积的新型单光子雷达测距方法。通过采用激光脉冲串(Burst)代替连续脉冲(Continuous)照明目标及通过不同脉冲串互相关函数的累加直接提取目标距离，可将原本由最小单重频决定的18.75m无模糊距离提升至7.4km。
相关成果发表于Optics Letters，论文第一作者为康岩助理研究员，通讯作者为张同意研究员。
单光子雪崩二极管探测器无法响应在其死时间(Dead time)内到达的光子，较高的入射光通量会导致单光子激光雷达光子计数直方图畸变，引起光子堆积距离误差。因此在高光子通量下如何修正由死时间引起的直方图畸变和准确估计目标距离一直是单光子激光雷达研究的难点。
针对这一难题，研究团队提出了基于系统前向模型的参数估计堆积效应校正公式，仿真模拟与实验研究均证实了该方法的有效性(图2)，该方法在回波信号峰位于探测周期内不同位置时均能有效恢复光子计数直方图信号，可显著提升目标深度和反射率的估计精度。相关成果发表于Optics Letters。
图2 回波光子直方图信号峰值位于探测周期不同位置时，现有多触发修正方法与所提出方法的修正结果对比
此前，团队还提出一种基于经验误差的堆积效应修正方法，两篇论文的第一作者为西安光机所王晓芳博士，通讯作者均为康岩助理研究员和张同意研究员。
在目标的识别上，除目标距离和反射率等重要参数外，探测目标的速度和转动速度更有助于提升目标识别率。张同意研究员团队与王国玺研究员带领的超表面研究小组合作提出一种通过单层超表面生成共轭拓扑涡旋光束的紧凑型转速测量方法。
该方法通过嵌套两个具有相反拓扑荷的超表面，构成了一个单层组合超表面，可直接将入射光束转换为两个具有共轭拓扑荷的同轴涡旋光束。研究通过分析回波光信号中相邻频率峰值的间隙，实现了旋转目标转速的精确测量。
图3 组合超表面示意图以及基于组合超表面的转速检测过程示意图
相关成果发表于Optics Letters，西安光机所梁锦涛硕士研究生和李思奇副研究员为论文的共同第一作者，通讯作者为李力飞助理研究员、王国玺研究员和张同意研究员。
上述研究工作得到了国家自然科学基金项目、陕西省科技厅重点研发计划等多个项目的支持。
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