基于波长、时间和量子态随机脉冲序列的光量子雷达技术研究
发布时间：2021-07-07 08:54
近年来激光雷达的性能有了极大提升,目前常见的多波束激光雷达成像系统除了提供距离、速度等基本信息外,还可以准确捕获目标物体的大小、形状等多种特征参数,从而建立更加精确的三维动态模型。基于单光子探测体制的激光雷达一个显著优势是具有高探测灵敏度,可以探测到单光子量级的回波信号;而用于量子密钥分发中的多量子态方法可以通过丰富光子调制的信息维度,识别干扰是否存在。两者相结合可在传统激光雷达的基础上,增加更多维度的调制信息实现多维数据的获取以及探索安全成像的可能性,给主动光电探测领域带来新的探测理念。本论文提出了基于波长、时间和量子态的随机交织光脉冲序列的目标检测方法,其基本原理是发射多波长激光与量子态在时间序列上随机交织检测光脉冲序列对目标进行检测、分析。通过变换多波长探测用于检测目标物是否存在,在规避干扰后确定合适的探测波长,发射不同量子态的光子,结合探测接收端高灵敏度探测器的单光子响应就可以识别不同目标物表面散射特性。本文首先从量子角度描述了光子与原子的反射模型,分析了到达目标物表面的光子散射特性以及典型光子的量子态在无损耗以及有损耗介质表面的传输特性,从而建立了区分不同材质表面的理论基础;...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
单光子量子雷达的探测概念图
基于波长、时间和量子态随机脉冲序列的光量子雷达技术研究4图1.3纠缠光量子雷达的探测概念图Figure1.3Detectionconceptofentangledlightquantumlidar第三类则是在回波光子接收端使用具备量子特性的高灵敏度光子探测器提升极限探测精度。此外，国内外相关学者也都热衷于鬼成像（GhostImaging）的研究，鬼成像又称双光子成像，是一种利用双光子进行复合探测从而恢复待测物体空间信息的成像技术[24-33]：自从1995年马里兰大学的研究者通过参量下转换得到的纠缠源观察到鬼干涉和衍射后[24]，拉开了量子鬼成像的研究序幕。之后的研究发现通过经典相关光也能重现物体的衍射图[25,26]。曾经认为鬼成像只能通过基于双光子纠缠光源来实现，但过去的几十年研究表明，经典热光源也能模拟出量子鬼成像的所有特性[27-29]，甚至有些学者使用大质量粒子（massiveparticles）代替光子也能实现鬼成像[30]。虽然近些年来，鬼成像的尺寸、成像积分时长和成像质量有了一定的提高[31-33]，但想要实际应用还需要进一步的研究。在2012年，美国罗切斯特大学光学研究所在DARPA单光量子信息项目的资助下成功设计出一种抗干扰的“量子雷达”，通过利用偏振光的量子特性来对目标进行探测及成像。该研究团队宣称由于物体在收到光子信号后会改变其本身的量子特性，故这种雷达可以轻易探测到隐形飞机并且几乎不可干扰[34]。
第1章引言5图1.4罗切斯特大学量子雷达工作原理[34]Figure1.4SchematicdiagramofquantumlidarattheUniversityofRochester[34]如图1.4所示的量子雷达工作原理：光源采用HeNe激光器产生激光脉冲，通过声光调制器（Acousto-OpticModulator，AOM）将单个脉冲能量衰减至平均出射概率为一个光子的量级，再经过半波片（Half-waveplate，HWP）对激光光源进行随机偏振方向调制，产生四种不同偏振方向的线偏光Horizontal、Vertical、Diagonal和Anti-diagonal（|H|、|V|、|D|、|A|）。而在接收端采用了干涉滤光片（Interferencefilter，IF）在对背景光滤除后，结合另一个半波片以及偏振分束器（Polarizingbeam-splitter，PBS）对经过目标物反射回来的光子进行解调，并将四个不同方向上的偏振光子分离出来。探测器部分采用的是电子倍增CCD器件（Electron-multiplyingCCD）进行探测，最终得到四幅不同偏振的图像如图1.5所示，图1.6为实验综合结果。图1.5(a)接收的未被干扰图像(b)被干扰的图像[34]Figure1.5(a)undisturbedimagesreceived;(b)disturbedimages[34]
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光雷达探测及三维成像研究进展[J]. 刘博,于洋,姜朔. 光电工程. 2019(07)
[2]基于激光二极管的光子计数激光测距技术[J]. 丁宇星,刘鸿彬,黄庚华. 科学技术与工程. 2018(25)
[3]32×32面阵InGaAs Gm-APD激光主动成像实验[J]. 孙剑峰,姜鹏,张秀川,周鑫,付宏明,高新江,王骐. 红外与激光工程. 2016(12)
[4]红外低发射率颜料制备及其可见光/红外特性研究[J]. 吴护林,朱敏. 表面技术. 2016(06)
[5]基于光子计数技术的远程测距激光雷达[J]. 罗远,贺岩,耿立明,王明建,雷琳君,吴姚芳,胡善江,侯霞,陈卫标. 中国激光. 2016(05)
[6]光子计数激光测距技术研究[J]. 侯利冰,黄庚华,况耀武,陈凯,舒嵘. 科学技术与工程. 2013(18)
[7]被动式太赫兹图像目标检测研究[J]. 张馨,赵源萌,邓朝,张存林. 光学学报. 2013(02)
[8]太赫兹波谱与成像技术[J]. 郭澜涛,牧凯军,邓朝,张振伟,张存林. 红外与激光工程. 2013(01)
[9]光子计数激光雷达时间-数字转换系统[J]. 侯利冰,郭颖,黄庚华,舒嵘. 红外与毫米波学报. 2012(03)
[10]非合作目标光子计数激光测距技术研究[J]. 田玉珍,赵帅,郭劲. 光学学报. 2011(05)
博士论文
[1]空间目标地基红外探测技术研究[D]. 黄智国.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]星载量子纠缠源关键技术与发展应用[D]. 李宇杯.中国科学技术大学 2017
[3]基于偏振调制的激光三维成像方法研究[D]. 陈臻.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2017
[4]基于光纤光学的光子计数激光雷达技术研究[D]. 李铭.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
[5]4H-SiC雪崩紫外单光子探测器的研究[D]. 周东.南京大学 2014
硕士论文
[1]电子倍增CCD成像性能测试系统研究[D]. 余敏.南京理工大学 2017
[2]基于电子倍增CCD的微光夜视成像系统设计[D]. 何斌斌.南京理工大学 2015
本文编号：3269337
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
单光子量子雷达的探测概念图
基于波长、时间和量子态随机脉冲序列的光量子雷达技术研究4图1.3纠缠光量子雷达的探测概念图Figure1.3Detectionconceptofentangledlightquantumlidar第三类则是在回波光子接收端使用具备量子特性的高灵敏度光子探测器提升极限探测精度。此外，国内外相关学者也都热衷于鬼成像（GhostImaging）的研究，鬼成像又称双光子成像，是一种利用双光子进行复合探测从而恢复待测物体空间信息的成像技术[24-33]：自从1995年马里兰大学的研究者通过参量下转换得到的纠缠源观察到鬼干涉和衍射后[24]，拉开了量子鬼成像的研究序幕。之后的研究发现通过经典相关光也能重现物体的衍射图[25,26]。曾经认为鬼成像只能通过基于双光子纠缠光源来实现，但过去的几十年研究表明，经典热光源也能模拟出量子鬼成像的所有特性[27-29]，甚至有些学者使用大质量粒子（massiveparticles）代替光子也能实现鬼成像[30]。虽然近些年来，鬼成像的尺寸、成像积分时长和成像质量有了一定的提高[31-33]，但想要实际应用还需要进一步的研究。在2012年，美国罗切斯特大学光学研究所在DARPA单光量子信息项目的资助下成功设计出一种抗干扰的“量子雷达”，通过利用偏振光的量子特性来对目标进行探测及成像。该研究团队宣称由于物体在收到光子信号后会改变其本身的量子特性，故这种雷达可以轻易探测到隐形飞机并且几乎不可干扰[34]。
第1章引言5图1.4罗切斯特大学量子雷达工作原理[34]Figure1.4SchematicdiagramofquantumlidarattheUniversityofRochester[34]如图1.4所示的量子雷达工作原理：光源采用HeNe激光器产生激光脉冲，通过声光调制器（Acousto-OpticModulator，AOM）将单个脉冲能量衰减至平均出射概率为一个光子的量级，再经过半波片（Half-waveplate，HWP）对激光光源进行随机偏振方向调制，产生四种不同偏振方向的线偏光Horizontal、Vertical、Diagonal和Anti-diagonal（|H|、|V|、|D|、|A|）。而在接收端采用了干涉滤光片（Interferencefilter，IF）在对背景光滤除后，结合另一个半波片以及偏振分束器（Polarizingbeam-splitter，PBS）对经过目标物反射回来的光子进行解调，并将四个不同方向上的偏振光子分离出来。探测器部分采用的是电子倍增CCD器件（Electron-multiplyingCCD）进行探测，最终得到四幅不同偏振的图像如图1.5所示，图1.6为实验综合结果。图1.5(a)接收的未被干扰图像(b)被干扰的图像[34]Figure1.5(a)undisturbedimagesreceived;(b)disturbedimages[34]
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光雷达探测及三维成像研究进展[J]. 刘博,于洋,姜朔. 光电工程. 2019(07)
[2]基于激光二极管的光子计数激光测距技术[J]. 丁宇星,刘鸿彬,黄庚华. 科学技术与工程. 2018(25)
[3]32×32面阵InGaAs Gm-APD激光主动成像实验[J]. 孙剑峰,姜鹏,张秀川,周鑫,付宏明,高新江,王骐. 红外与激光工程. 2016(12)
[4]红外低发射率颜料制备及其可见光/红外特性研究[J]. 吴护林,朱敏. 表面技术. 2016(06)
[5]基于光子计数技术的远程测距激光雷达[J]. 罗远,贺岩,耿立明,王明建,雷琳君,吴姚芳,胡善江,侯霞,陈卫标. 中国激光. 2016(05)
[6]光子计数激光测距技术研究[J]. 侯利冰,黄庚华,况耀武,陈凯,舒嵘. 科学技术与工程. 2013(18)
[7]被动式太赫兹图像目标检测研究[J]. 张馨,赵源萌,邓朝,张存林. 光学学报. 2013(02)
[8]太赫兹波谱与成像技术[J]. 郭澜涛,牧凯军,邓朝,张振伟,张存林. 红外与激光工程. 2013(01)
[9]光子计数激光雷达时间-数字转换系统[J]. 侯利冰,郭颖,黄庚华,舒嵘. 红外与毫米波学报. 2012(03)
[10]非合作目标光子计数激光测距技术研究[J]. 田玉珍,赵帅,郭劲. 光学学报. 2011(05)
博士论文
[1]空间目标地基红外探测技术研究[D]. 黄智国.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]星载量子纠缠源关键技术与发展应用[D]. 李宇杯.中国科学技术大学 2017
[3]基于偏振调制的激光三维成像方法研究[D]. 陈臻.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2017
[4]基于光纤光学的光子计数激光雷达技术研究[D]. 李铭.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
[5]4H-SiC雪崩紫外单光子探测器的研究[D]. 周东.南京大学 2014
硕士论文
[1]电子倍增CCD成像性能测试系统研究[D]. 余敏.南京理工大学 2017
[2]基于电子倍增CCD的微光夜视成像系统设计[D]. 何斌斌.南京理工大学 2015
本文编号：3269337
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