1 西安邮电大学 电子工程学院, 西安 710121
2 中国船舶集团公司第705研究所 水下信息与控制重点实验室, 西安 710119
为了提升无线光通信系统接收灵敏度, 采用一种基于改进基分类器系数的AdaBoost弱光信号检测算法, 解决多像素光子计数器(MPPC)在弱光条件下的信号检测问题。该算法采用k最近邻(KNN)为基分类器组建强分类器, 针对传统AdaBoost算法基分类器系数仅与错误率有关而产生冗余的基分类器消耗系统资源的问题, 提出一种基于错误和正确分类样本权重的基分类器系数优化AdaBoost算法(W-AdaBoost), 将信号解调问题转换为分类问题; 并采用波长450 nm半导体激光器、MPPC光电转换器件搭建了无线光通信系统。结果表明, 系统在通信速率为2 Mbit/s、误比特率为3.8×10-3时, 改进的W-AdaBoost-KNN算法较传统AdaBoost-KNN和单一KNN算法,灵敏度分别提升了1.6 dB和4.8 dB左右。此研究结果说明W-AdaBoost-KNN算法可提高弱光条件下的信号检测效率, 提升无线光通信系统接收灵敏度。
光通信 AdaBoost算法 多像素光子计数器 集成学习 信号检测 optical communication AdaBoost algorithm multi pixel photon counter ensemble learning signal detection
星载微脉冲光子计数激光雷达能够实现对地面目标的高重频、多波束探测，有效提高了激光雷达在轨测量的采样密度和覆盖宽度，满足全球高效高精度测绘的需求。依据微脉冲光子计数激光雷达的工作原理，建立了基于多像元光电倍增管（PMT）的星载微脉冲光子计数激光雷达的探测仿真分析模型，并对典型探测过程进行了仿真分析。结果表明，多像元PMT像元数的增加能够明显降低激光雷达的首光子效应，提高测距精度；激光雷达的测距标准差随地形坡度增大而明显增大；对于复杂地形，增加像元数和回波光子数，光子计数点云能够更准确描述地形轮廓的分布特征。同时，机载飞行试验验证了在复杂地形条件下，多像元PMT能够显著增加有效回波光子计数点，准确有效地反映了被测地形的轮廓特征，实现复杂地形下的高精度光子计数测距，验证了仿真分析结果的正确性。
激光雷达 光子计数 多像元光电倍增管 仿真模型 lidar photon counting multi-pixel photomultiplier tube simulation model 红外与激光工程
2021, 50(11): 20200502
1 西安邮电大学电子工程学院，陕西 西安 710121
2 中国船舶重工集团705研究所水下信息与控制重点实验室，陕西 西安 710000
针对多像素光子计数器（MPPC）恢复信号的过程中易受背景光干扰且同步时钟信号提取困难的问题，提出一种基于MPPC的改进型光子计数同步通信方法。首先利用MPPC完成光电转换，采用泊松分布模型中的均值（MV）、安斯库姆根（AR）变换和最大似然（ML）最优阈值检测算法对电脉冲进行预判决；然后生成相位不同的门控周期时钟，并将其作为使能信号以统计脉冲计数总和，通过查找其最大值的方式确定最佳时隙相关同步时钟；最后比较每比特脉冲计数与计数阈值的相对大小以确定比特信息。为了验证方法的有效性，搭建基于MPPC的无线光通信系统。实验结果表明，在波长为520 nm、通信速率为2 Mbit/s、采样频率为200 MHz和比特误码率为3.8×10-3的条件下，改进型PCPB-MV、PCPB-AR和PCPB-ML检测算法的灵敏度较传统检测算法可分别提升3.0 dB、3.2 dB和3.8 dB。
激光与光电子学进展
2021, 58(21): 2125001
1 华东师范大学,精密光谱科学与技术国家重点实验室,上海 200062
2 中国电子科技集团公司第四十一研究所,山东 青岛 266555
探测器的光子数分辨能力是精确描述多光子态的突破口,近年来受到广泛的关注。光子数可分辨探测器有望被进一步应用于量子光学基础研究、量子成像、量子计算、量子通讯以及远距离激光测距等领域。基于空间复用原理的多像素光子计数器具有常温下稳定高效的光子数可分辨探测能力,加上尺寸和成本上的优势使得它成为光子数可分辨探测应用的首选。针对多像素光子计数器,我们通过建模给出了能描述探测器量子特性的标准矫正方法,系统地考虑了探测器量子效率、噪声、各像素点感光面的光子入射效率对量子特性的影响,给出了不同光子数态的正定算子估值测量和魏格纳函数。
光子数可分辨探测 多光子态 多像素光子计数器 探测器标定 photon number resolving detection multi-photon state multi-pixel photon counter detector calibration
1 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
2 空间目标测量重点实验室, 北京 100094
针对多像素光子计数器(MPPC)各像素雪崩电流并联输出、存在光子间隔过小导致脉冲变形而无法分辨光子时刻的问题，结合光子分布与输出脉冲波形，通过数学反卷积，获得了激光测距接收端各探测光子分立时刻的解析解，从而实现了观测量倍增，有助于有效信号的分辨及提取。该方法将单脉冲响应函数近似为高斯形式，分析了MPPC 时间抖动的影响，研究了在时间抖动为50~250 ps 范围内，从三个入射光子输出的变形脉冲中解算出的分立时刻，得到分立时刻随光子间隔的统计分布图和峰谷分辨度随光子时间间隔、MPPC 时间抖动的变化关系。并验证了在1 s观测时间内，千赫兹激光测距系统经反卷积解算前后观测量对比效果。分析结果表明，当统计分布中峰谷分辨度大于10时，各光子分立时刻可以有效分辨，该方法的时间分辨力达到0.2~0.7 ns。
激光光学 光子分立时刻 反卷积 千赫兹激光测距 多像素光子计数器
1 西安理工大学 理学院, 陕西 西安 710048
2 西安工程大学 理学院, 陕西 西安 710048
通过分析多像素光子计数器(MPPC)的工作原理和其光学串话(OC)效应的特点, 提出在使用MPPC输出雪崩信号的幅度或电荷量作为光子计数的参量时, 利用MPPC的OC效应能提高MPPC的光子探测效率的观点, 并从理论上分析了OC效应对光子探测效率的影响。理论分析结果显示, 在这两种光子计数模式下, 利用OC效应能明显提高MPPC的光子探测效率。利用本文模型计算得出当MPPC的雪崩单元数M为1 600个, 忽略OC效应时的光子探测效率等于30%, 光学串话概率等于50%, 以及单脉冲入射光子数均值为10时, 包含OC效应影响的等效光子探测效率可提高50%, 达45%左右。该结果对MPPC在天体物理、粒子物理、荧光光谱探测等弱光探测场合的应用有一定指导意义。
探测器 多像素光子计数器 硅光电倍增器 光子探测效率 光学串话效应 detector multi-pixel photon counter silicon photomultiplier photon detection efficiency optical crosstalk effect
中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
为了实现硅光电倍增管(silicon photomultiplier,SIPM)对超出光子计数极限的微弱脉冲光信号的测量,建立了基于SIPM积分工作模式的脉冲光检测系统。测试了SIPM在同一光信号照射下,偏置电压与增益以及信噪比之间的关系,并测试了同一增益条件下,SIPM对不同光信号的响应特性。结果表明:SIPM在积分工作模式下,其增益可以达到104以上,并随着偏置电压的增加而指数增长;其信噪比也随着电压的增加而增加,在光强比较微弱的情况下,SIPM对光强是线性响应的。所设计的系统可以在一定程度上替代光电倍增管进行微弱脉冲光信号的测量。
硅光电倍增管(SIPM) 多像素光子计数器(MPPC) 微弱光检测 silicon photomultiplier(SIPM) multi-pixel photon counter(MPPC) weak optical measurement
西安工程大学理学院物理系, 陕西 西安 710048
以多像素光子计数器（MPPC）的光电特性和实验结果为基础，通过对传统的工作在线性模式下的雪崩光电二极管的信噪比公式进行修正，得到了适用于MPPC的信噪比表达式。对在随机光子探测模式下的信噪比表达式进行了数值计算和实验验证。数值模拟结果显示在随机光子照射下，最小可探测光子通量的量级为103 count/s, 最小可探测功率量级为10-15 W。对短脉冲光子探测模式下的光子计数信噪比表达式进行了数值分析，结果显示，利用调节合适的光电子数等效阈值进行光子计数的方法能够大大提高探测器的信噪比，该方法相比于传统的光子探测器有明显而独特的优势，在短脉冲弱光探测的场合，诸如脉冲激光测距、高能粒子物理等方面有较大的应用前景。
探测器 多像素光子计数器 硅光电倍增器 信噪比 光电子数等效阈值
1 海军某军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150046
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室， 吉林 长春 130033
为避免传统激光外差探测中强本振信号带来的散粒噪声影响，着眼于光子级别的弱本振激光外差探测信噪比分析。首先，将脉冲体制弱本振激光外差探测信噪比表达式应用于分段连续弱本振激光外差探测中，获得中心频率为 221 kHz外差信号的解析，且信噪比的理论计算和实验值吻合。其次，采用数据段细分功率谱累积技术，在相同的信噪比情况下，所利用的数据量总数降低为传统功率谱累积方法的 1/10，提高了数据利用率，且在功率谱累积次数较少时，信噪改善比近似遵守 m规律。
多像素光子计数器 弱本振 功率谱累积 信噪比 信噪改善比 multi-pixel photon counter (MPPC) weak local oscillator power spectral density (PSD) aver-aging signal to noise ratio (SNR) signal to noise improved ratio (SNIR)
