使用单光子探测技术设计的数字混沌激光雷达系统

混沌激光雷达具有分辨率高、抗干扰和隐蔽性强的优点，然而受限于混沌光源的功率、线性探测器的灵敏度以及硬件带宽，其在远距离探测方面存在瓶颈。另外，单光子探测技术的蓬勃发展极大地推动了激光雷达在远距离目标成像、水下目标成像、伪装目标成像等微弱信号探测方面的应用。得益于单光子探测器的超高灵敏度、数字化输出及大规模阵列化，单光子激光雷达已成为科研与行业的研究热点。

据麦姆斯咨询报道，中国科学院微电子研究所和中国科学院大学的科研团队提出了数字混沌激光雷达（LiDAR）的概念，并进行了理论分析与仿真验证，通过蒙特卡洛（Monte Carlo）仿真，研究了连续混沌激光雷达（LiDAR）、脉冲混沌激光雷达（LiDAR）与数字混沌激光雷达的探测概率、虚警概率与探测距离。相关研究内容以“数字混沌激光雷达”为题发表在《集成技术》期刊上。

数字混沌激光雷达系统

这项研究首次将混沌激光雷达技术与单光子探测技术结合，利用单光子探测器响应混沌光子信号，产生适应于死区时间的物理随机序列，提出了一种全新的激光雷达概念——数字混沌激光雷达。数字混沌激光雷达系统的结构如图1所示。混沌激光通过准直透镜后被分束器一分为二：一路作为参考光，一路作为探测光。

图1 数字混沌激光雷达结构

理论模型与分析

物理随机序列的产生及特性

图2展示了混沌激光通过SPAD 1产生物理随机数的过程。由于混沌激光的振幅是随机变化的，因此，在振幅较大的时间门内产生“1”码元的概率较大，在振幅较小的时间门内产生“0”码元的概率较大。这项研究对SPAD响应混沌激光的结果进行蒙特卡洛（Monte Carlo）仿真。如图3(a)所示，对蒙特卡洛仿真产生的随机序列作自相关运算，可以明显看出，SPAD 1响应混沌激光产生的随机序列具有良好的相关特性，这说明用混沌激光产生的物理随机序列作为探测信号是可行的。同时，从图3(b)中也可以发现，随机序列的相关特性与入射至SPAD 1中的混沌激光的平均光子数息息相关。

图2 物理随机序列产生示意图

图3 物理随机序列的自相关特性

数字混沌激光雷达系统仿真

随后利用蒙特卡洛仿真对数字混沌激光雷达系统的测距过程展开了数值模拟，其仿真流程如图4所示。

图4 Monte Carlo仿真流程

数字混沌激光雷达系统实验结果

探测概率与虚警概率是评价单光子激光雷达系统的两个重要指标。通过蒙特卡洛仿真研究了连续混沌激光雷达、脉冲混沌激光雷达与数字混沌激光雷达系统的探测概率与虚警概率随信噪比的变化曲线。探测概率与虚警概率的统计结果如图5所示。再通过蒙特卡洛仿真，对比了连续混沌激光雷达、脉冲混沌激光雷达及数字混沌激光雷达的探测距离。

图5 探测概率与虚警概率

结论

这项研究首次提出了数字混沌激光雷达的概念，并通过理论分析与蒙特卡洛仿真证明了数字混沌激光雷达的可行性，且仿真对比了连续混沌激光雷达、脉冲混沌激光雷达与数字混沌激光雷达系统的探测概率与虚警概率。在探测概率大于95%、虚警概率小于5%的置信区间内，数字混沌激光雷达的探测距离较连续混沌激光雷达与脉冲混沌激光雷达分别提高了约35倍、8倍。与Cheng等中的脉冲混沌激光雷达相比，数字混沌激光雷达将探测距离从百米量级提升至千米量级。此外，与传统基于线性探测器的混沌激光雷达（连续混沌激光雷达、脉冲混沌激光雷达）相比，数字混沌激光雷达突破了硬件带宽与采样率的限制，实现了全数字化的处理，易于片上混沌集成。与物理随机编码的单光子探测系统相比，本系统可以产生等效频率更高，且适应SPAD死区时间的物理随机序列，调控更加简易便捷。得益于单光子探测器的超高灵敏度与数字化输出，数字混沌激光雷达具有结构简单、高动态范围的特点，在远距离探测与成像方面应用潜力巨大。