使用單光子探測技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)字混沌激光雷達(dá)系統(tǒng)

混沌激光雷達(dá)具有分辨率高、抗干擾和隱蔽性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，然而受限于混沌光源的功率、線性探測器的靈敏度以及硬件帶寬，其在遠(yuǎn)距離探測方面存在瓶頸。另外，單光子探測技術(shù)的蓬勃發(fā)展極大地推動了激光雷達(dá)在遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像、水下目標(biāo)成像、偽裝目標(biāo)成像等微弱信號探測方面的應(yīng)用。得益于單光子探測器的超高靈敏度、數(shù)字化輸出及大規(guī)模陣列化，單光子激光雷達(dá)已成為科研與行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，中國科學(xué)院微電子研究所和中國科學(xué)院大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)提出了數(shù)字混沌激光雷達(dá)（LiDAR）的概念，并進(jìn)行了理論分析與仿真驗(yàn)證，通過蒙特卡洛（Monte Carlo）仿真，研究了連續(xù)混沌激光雷達(dá)（LiDAR）、脈沖混沌激光雷達(dá)（LiDAR）與數(shù)字混沌激光雷達(dá)的探測概率、虛警概率與探測距離。相關(guān)研究內(nèi)容以“數(shù)字混沌激光雷達(dá)”為題發(fā)表在《集成技術(shù)》期刊上。

數(shù)字混沌激光雷達(dá)系統(tǒng)

這項(xiàng)研究首次將混沌激光雷達(dá)技術(shù)與單光子探測技術(shù)結(jié)合，利用單光子探測器響應(yīng)混沌光子信號，產(chǎn)生適應(yīng)于死區(qū)時間的物理隨機(jī)序列，提出了一種全新的激光雷達(dá)概念——數(shù)字混沌激光雷達(dá)。數(shù)字混沌激光雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。混沌激光通過準(zhǔn)直透鏡后被分束器一分為二：一路作為參考光，一路作為探測光。

圖1 數(shù)字混沌激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)

理論模型與分析

物理隨機(jī)序列的產(chǎn)生及特性

圖2展示了混沌激光通過SPAD 1產(chǎn)生物理隨機(jī)數(shù)的過程。由于混沌激光的振幅是隨機(jī)變化的，因此，在振幅較大的時間門內(nèi)產(chǎn)生“1”碼元的概率較大，在振幅較小的時間門內(nèi)產(chǎn)生“0”碼元的概率較大。這項(xiàng)研究對SPAD響應(yīng)混沌激光的結(jié)果進(jìn)行蒙特卡洛（Monte Carlo）仿真。如圖3(a)所示，對蒙特卡洛仿真產(chǎn)生的隨機(jī)序列作自相關(guān)運(yùn)算，可以明顯看出，SPAD 1響應(yīng)混沌激光產(chǎn)生的隨機(jī)序列具有良好的相關(guān)特性，這說明用混沌激光產(chǎn)生的物理隨機(jī)序列作為探測信號是可行的。同時，從圖3(b)中也可以發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)序列的相關(guān)特性與入射至SPAD 1中的混沌激光的平均光子數(shù)息息相關(guān)。

圖2 物理隨機(jī)序列產(chǎn)生示意圖

圖3 物理隨機(jī)序列的自相關(guān)特性

數(shù)字混沌激光雷達(dá)系統(tǒng)仿真

隨后利用蒙特卡洛仿真對數(shù)字混沌激光雷達(dá)系統(tǒng)的測距過程展開了數(shù)值模擬，其仿真流程如圖4所示。

圖4 Monte Carlo仿真流程

數(shù)字混沌激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

探測概率與虛警概率是評價單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)的兩個重要指標(biāo)。通過蒙特卡洛仿真研究了連續(xù)混沌激光雷達(dá)、脈沖混沌激光雷達(dá)與數(shù)字混沌激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測概率與虛警概率隨信噪比的變化曲線。探測概率與虛警概率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。再通過蒙特卡洛仿真，對比了連續(xù)混沌激光雷達(dá)、脈沖混沌激光雷達(dá)及數(shù)字混沌激光雷達(dá)的探測距離。

圖5 探測概率與虛警概率

結(jié)論

這項(xiàng)研究首次提出了數(shù)字混沌激光雷達(dá)的概念，并通過理論分析與蒙特卡洛仿真證明了數(shù)字混沌激光雷達(dá)的可行性，且仿真對比了連續(xù)混沌激光雷達(dá)、脈沖混沌激光雷達(dá)與數(shù)字混沌激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測概率與虛警概率。在探測概率大于95%、虛警概率小于5%的置信區(qū)間內(nèi)，數(shù)字混沌激光雷達(dá)的探測距離較連續(xù)混沌激光雷達(dá)與脈沖混沌激光雷達(dá)分別提高了約35倍、8倍。與Cheng等中的脈沖混沌激光雷達(dá)相比，數(shù)字混沌激光雷達(dá)將探測距離從百米量級提升至千米量級。此外，與傳統(tǒng)基于線性探測器的混沌激光雷達(dá)（連續(xù)混沌激光雷達(dá)、脈沖混沌激光雷達(dá)）相比，數(shù)字混沌激光雷達(dá)突破了硬件帶寬與采樣率的限制，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的處理，易于片上混沌集成。與物理隨機(jī)編碼的單光子探測系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可以產(chǎn)生等效頻率更高，且適應(yīng)SPAD死區(qū)時間的物理隨機(jī)序列，調(diào)控更加簡易便捷。得益于單光子探測器的超高靈敏度與數(shù)字化輸出，數(shù)字混沌激光雷達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡單、高動態(tài)范圍的特點(diǎn)，在遠(yuǎn)距離探測與成像方面應(yīng)用潛力巨大。