高灵敏度的光子偏振激光雷达系统

赵远; 张子静; 马昆; 徐璐; 吕华; 苏建忠

doi:10.3788/IRLA201645.0902001

高灵敏度的光子偏振激光雷达系统

doi: 10.3788/IRLA201645.0902001

赵远¹,
张子静^1, ,,
马昆¹,
徐璐¹,
吕华²,
苏建忠²

1.
哈尔滨工业大学物理系,黑龙江哈尔滨 150001;
2.
天津津航技术物理研究所,天津 300308

基金项目:

国家高技术研究发展计划（JZ20150174）

详细信息

作者简介:
赵远(1963-),男,教授,博士生导师,博士,主要从事微弱信号光电实时检测、激光雷达方面的研究。Email:zhaoyuan@hit.edu.cn

通讯作者: 张子静(1986-),男,讲师,博士,主要从事弱光电信号检测与激光雷达成像方面的研究。Email:zzj.hit@163.com

中图分类号: TN247

High sensitivity photon polarization laser radar system

1.
Department of Physics,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;
2.
Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics,Tianjin 300308,China

摘要: 在空间目标探测中，由于远距离、小目标的特点，回波信号十分微弱，传统的激光雷达不能很好地探测如此微弱的信号。而且现在空间目标探测不仅需要距离信息，还希望获得目标的强度、偏振等更加多维的信息。提出了基于Gm-APD单光子灵敏度探测器的四路光子偏振探测系统，以Gm-APD探测器的泊松概率响应模型为基础，推导了回波微弱信号的强度解算公式，通过四路的强度解算出回波信号的偏振信息，在实验室搭建了四路Gm-APD光子偏振探测系统的原理样机，并介绍了四路Gm-APD光子斯托克斯参量的探测实验。在平均每个脉冲回波能量为7.7810-19 J的情况下，获得3.95%的线偏振误差和5.84%的椭圆偏振误差的探测结果。
- Gm-APD /
- 光子计数 /
- 偏振 /
- 激光雷达 /
- 微弱信号
Abstract: In the application of space target detection, due to the characteristics of small target and great distance, the returned signal is very weak, even a few of photons or less than a photon per pulse. Such weak signal can't be detected by traditional laser radar. Moreover, the space target detection now not only needs the range information, but hopes to get the intensity, polarization and more multi-dimensional information. Therefore, high sensitivity photon polarization laser radar system was proposed based on the four-way Gm-APD single photon detector. The intensity formula of weak signal was deduced from the Poisson probability model of Gm-APD detector. Then, the polarization information of the returned signal was obtained through four-way intensity results. Finally, the principle prototype of four-way Gm-APD photon polarization laser radar system was established in the laboratory, and the relevant experiment was conducted. When the average energy of returned signal per pulse is 7.7810-19 J, the experimental results show the linear polarization error of 3.95% and the elliptical polarization error of 5.84%.
- Gm-APD /
- photon counting /
- polarization /
- laser radar /
- weak signal

[1]	Schildknecht T, Musci R, Ploner M, et al. Optical observation of space debris in the geostationary ring[C]//Space Debris, 2001, 473:89-93.
[2]	Schildknecht T, Musci R, Ploner M, et al. Optical observations of space debris in GEO and in highly-eccentric orbits[J]. Advances in Space Research, 2004, 34(5):901-911.
[3]	Kirchner G, Koidl F, Friederich F, et al. Laser measurements to space debris from Graz SLR station[J]. Advances in Space Research, 2013, 51(1):21-24.
[4]	Wang Weibing, Wang Tingfeng, Guo Jin. Research on orbit determination technology for space target based on method of tracking with double satellites and double cameras[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 35(1):112006. (in Chinese)
[5]	Jiang Tiezhen, Xiao Wenshu, Li Dasheng, et al. Feasibility study on passive-radar detection of space targets using spaceborne illuminators of opportunity[J]. Journal of Radars, 2014, 3(6):711-719. (in Chinese)
[6]	Zhu Jiang, Liao Guisheng, Zhu Shengqi. Space group debris imaging based on block-sparse method[J]. Journal of Electronics Information Technology, 2015, 37(3):587-593. (in Chinese)
[7]	Li Yuqiang, Li Rongwang, Li Zhulian, et al. Application research on space debris laser ranging[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(11):3324-3329. (in Chinese)
[8]	Prochazka I, Kodet J, Blazej J, et al. Photon counting detector for space debris laser tracking and lunar laser ranging[J]. Advances in Space Research, 2014, 54(4):755-758.
[9]	DaneshPanah M, Javidi B, Watson E A. Three dimensional object recognition with photon countingimagery in the presence of noise[J]. Opt Express, 2010, 18(25):26450-26460.
[10]	Aull B F, Loomis A H, Young D J, et al. Geigermode avalanche photodiodes for three-dimensional imaging[J]. Lincoln Lab J, 2002, 13(2):335-350.
[11]	Krichel N J, McCarthy A, Buller G S. Resolving range ambiguity in a photon counting depth imageroperating at kilometer distances[J]. Opt Express, 2010, 18(9):9192-9206.
[12]	Massa J S, Wallace A M, Buller G S, et al. Laser depth measurement based ontime-correlated single-photon counting[J]. Opt Lett, 1997, 22(8):543-545.
[13]	Yuan P, Sudharsanan R, Bai X G, et al. 3232 Geiger-mode LADAR cameras[C]//SPIE, 2010, 7684:76840C.
[14]	Fouche D G. Detection and false-alarm probabilities for laser radars that use Geiger-mode detectors[J]. Applied Optics, 2003, 42(27):5388-5398.
[15]	Hayman M, Thayer J P. General description of polarization in lidar using Stokes vectors and polar decomposition of Mueller matrices[J]. JOSA A, 2012, 29(4):400-409.

[1]	徐文静, 冼锦洪, 孙东松. 用于烟尘监测的偏振激光雷达系统及实验研究 . 红外与激光工程, 2023, 52(3): 20220508-1-20220508-10. doi: 10.3788/IRLA20220508
[2]	张瀚夫, 刘杰, 安其昌, 王建立. 基于旋转扫描的高分辨率光子计数测距方法 . 红外与激光工程, 2023, 52(11): 20230112-1-20230112-9. doi: 10.3788/IRLA20230112
[3]	惠俊, 柴洪洲, 向民志, 杜祯强, 靳凯迪. 量子增强星载光子计数激光雷达阈值检测性能 . 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220469-1-20220469-11. doi: 10.3788/IRLA20220469
[4]	谢达, 王春阳, 袁凯, 卫旭阳, 刘雪莲. 基于FPGA的远距离单光子精细化时间数字转换电路 . 红外与激光工程, 2023, 52(10): 20230094-1-20230094-11. doi: 10.3788/IRLA20230094
[5]	张笑宇, 王凤香, 郭颖, 王文娟, 罗永锋, 武文, 侯佳, 姜紫庆, 彭梓强, 黄庚华, 舒嵘. 基于InGaAs单光子探测器的线阵扫描激光雷达及其光子信号处理技术研究 . 红外与激光工程, 2023, 52(3): 20220474-1-20220474-9. doi: 10.3788/IRLA20220474
[6]	郭静菁, 费晓燕, 葛鹏, 周安然, 王磊, 李正琦, 盛磊. 基于全光纤光子计数激光雷达的高分辨率三维成像 . 红外与激光工程, 2021, 50(7): 20210162-1-20210162-10. doi: 10.3788/IRLA20210162
[7]	张晨阳, 王春辉, 战蓝, 齐明, 蒋硕. 星载微脉冲光子计数激光雷达的探测性能仿真分析 . 红外与激光工程, 2021, 50(11): 20200502-1-20200502-9. doi: 10.3788/IRLA20200502
[8]	徐璐, 刘霞霞, 杨旭, 张一嘉, 吴龙. 宽脉冲光子计数偏振激光雷达探测浅水层研究（特邀） . 红外与激光工程, 2021, 50(3): 20200452-1-20200452-10. doi: 10.3788/IRLA20200452
[9]	朱笑笑, 王成, 习晓环, 聂胜, 杨学博, 黎东. ICESat-2星载光子计数激光雷达数据处理与应用研究进展 . 红外与激光工程, 2020, 49(11): 20200259-1-20200259-10. doi: 10.3788/IRLA20200259
[10]	马乐, 陆威, 姜鹏, 孙剑峰, 周鑫, 刘迪. 基于双高斯方差优化的Gm-APD三维距离像预处理方法研究 . 红外与激光工程, 2020, 49(S2): 20200388-20200388. doi: 10.3788/IRLA20200388
[11]	杨程, 鄢秋荣, 祝志太, 王逸凡, 王明, 戴伟辉. 基于深度学习的压缩光子计数激光雷达 . 红外与激光工程, 2020, 49(S2): 20200380-20200380. doi: 10.3788/IRLA20200380
[12]	马乐, 陆威, 姜鹏, 刘迪, 王鹏辉, 孙剑峰. 基于匹配滤波的Gm-APD激光雷达三维重构算法研究 . 红外与激光工程, 2020, 49(2): 0205006-0205006. doi: 10.3788/IRLA202049.0205006
[13]	许艺腾, 李国元, 邱春霞, 薛玉彩. 基于地形相关和最小二乘曲线拟合的单光子激光数据处理技术 . 红外与激光工程, 2019, 48(12): 1205004-1205004(10). doi: 10.3788/IRLA201948.1205004
[14]	滕曼, 庄鹏, 张站业, 李路, 姚雅伟. 大气气溶胶污染监测中应用的新型全天时户外型拉曼-米散射激光雷达系统 . 红外与激光工程, 2019, 48(7): 706001-0706001(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0706001
[15]	王海伟, 丁宇星, 黄庚华, 侯佳, 舒嵘. 轻小型全天时远程光子计数激光雷达系统技术 . 红外与激光工程, 2019, 48(1): 106005-0106005(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0106005
[16]	张河辉, 丁宇星, 黄庚华. 光子计数激光测深系统 . 红外与激光工程, 2019, 48(1): 106002-0106002(5). doi: 10.3788/IRLA201948.0106002
[17]	刘迪, 孙剑峰, 姜鹏, 高尚, 周鑫, 王鹏辉, 王骐. GM-APD激光雷达距离像邻域KDE重构 . 红外与激光工程, 2019, 48(6): 630001-0630001(6). doi: 10.3788/IRLA201948.0630001
[18]	李铭, 候佳, 周成林, 舒嵘. 多波束激光雷达的高精度收发配准方法的实验验证 . 红外与激光工程, 2017, 46(7): 730001-0730001(9). doi: 10.3788/IRLA201746.0730001
[19]	徐璐, 张勇, 张宇, 杨旭, 杨成华, 王强, 赵远. 四Gm-APD探测器提高激光雷达探测性能的研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(9): 2583-2587.
[20]	杨芳, 张鑫, 贺岩, 陈卫标. 采用高速伪随机码调制和光子计数技术的光纤激光测距系统 . 红外与激光工程, 2013, 42(12): 3234-3238.

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高灵敏度的光子偏振激光雷达系统

doi: 10.3788/IRLA201645.0902001

作者简介:
赵远(1963-),男,教授,博士生导师,博士,主要从事微弱信号光电实时检测、激光雷达方面的研究。Email:zhaoyuan@hit.edu.cn

通讯作者: 张子静(1986-),男,讲师,博士,主要从事弱光电信号检测与激光雷达成像方面的研究。Email:zzj.hit@163.com

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高灵敏度的光子偏振激光雷达系统

doi: 10.3788/IRLA201645.0902001

1. 哈尔滨工业大学物理系,黑龙江哈尔滨 150001;

2. 天津津航技术物理研究所,天津 300308

作者简介:
赵远(1963-),男,教授,博士生导师,博士,主要从事微弱信号光电实时检测、激光雷达方面的研究。Email:zhaoyuan@hit.edu.cn

通讯作者: 张子静(1986-),男,讲师,博士,主要从事弱光电信号检测与激光雷达成像方面的研究。Email:zzj.hit@163.com

English Abstract

High sensitivity photon polarization laser radar system

1. Department of Physics,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;

2. Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics,Tianjin 300308,China

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doi: 10.3788/IRLA201645.0902001

作者简介: 赵远(1963-),男,教授,博士生导师,博士,主要从事微弱信号光电实时检测、激光雷达方面的研究。Email:zhaoyuan@hit.edu.cn

通讯作者: 张子静(1986-),男,讲师,博士,主要从事弱光电信号检测与激光雷达成像方面的研究。Email:zzj.hit@163.com

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出版历程

高灵敏度的光子偏振激光雷达系统

doi: 10.3788/IRLA201645.0902001

1. 哈尔滨工业大学 物理系,黑龙江 哈尔滨 150001; 2. 天津津航技术物理研究所,天津 300308

作者简介: 赵远(1963-),男,教授,博士生导师,博士,主要从事微弱信号光电实时检测、激光雷达方面的研究。Email:zhaoyuan@hit.edu.cn

通讯作者: 张子静(1986-),男,讲师,博士,主要从事弱光电信号检测与激光雷达成像方面的研究。Email:zzj.hit@163.com

English Abstract

High sensitivity photon polarization laser radar system

1. Department of Physics,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China; 2. Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics,Tianjin 300308,China

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作者简介:
赵远(1963-),男,教授,博士生导师,博士,主要从事微弱信号光电实时检测、激光雷达方面的研究。Email:zhaoyuan@hit.edu.cn

1. 哈尔滨工业大学物理系,黑龙江哈尔滨 150001;

2. 天津津航技术物理研究所,天津 300308

作者简介:
赵远(1963-),男,教授,博士生导师,博士,主要从事微弱信号光电实时检测、激光雷达方面的研究。Email:zhaoyuan@hit.edu.cn

1. Department of Physics,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;

2. Tianjin Jinhang Institute of Technical Physics,Tianjin 300308,China