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
上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240
针对目前商用光谱仪无法在极微弱光测量环境下实现光谱探测的问题, 提出一种基于单光子探测器阵列的光谱测量系统, 利用单光子探测器在极微弱光环境下的探测能力, 将虚像相位阵列(VIPA)和反射式衍射光栅构成的二维色散结构与单光子探测器阵列相结合, 并通过实验测试得出系统的二维分光效果、相对光谱透射比曲线以及单光子探测性能。实验结果表明: 该系统不仅灵敏度高, 还实现了0.006 nm的波长分辨率；与目前普遍采用的基于时间相关单光子计数的光谱测量系统相比, 该系统具有更优的波长分辨率和更大的测量带宽。
单光子计数器 虚像相位阵列 二维光谱 淬灭电路 相对光谱透射比 single photon counter, virtual image phase array,
1 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100049
三维成像技术在自动驾驶、航空任务、**领域等都有着广泛的应用，不同技术体制的成像系统有不同的优点，其中基于多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter, MPPC)的三维成像技术由于其成像速度快、对极弱光敏感等优势具有广阔的发展潜力。然而，由于MPPC阵列发展不成熟，基于MPPC阵列的弱光三维成像探测水平受到限制。利用日本滨松公司研发的具有32×32规模的MPPC阵列S15013系列二维光子计数图像传感器，开发了一套三维成像系统，传感器的每个像素由12个单光子雪崩二极管并联而成，其总探测像素达到1 K以上。基于该系统，分析了阈值电压、镜头光阑等参数条件对三维成像探测结果的影响，对系统探测灵敏度和精度进行了测试，并针对37 m远模拟目标开展了三维成像探测试验。试验结果表明：在回波光子数约1.98 (光子/像素)的暗弱条件下，目标区域测距精度达到0.268 m，三维结构特征明显，达到了接近单光子成像的探测水平。
多像素光子计数器（MPPC） 三维成像 光子计数器 MPPC 3D imaging photon counter 红外与激光工程
2022, 51(10): 20210989
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
重庆邮电大学通信与信息工程学院, 重庆 400065
研究了基于多像素光子计数器的光脉冲位置调制(PPM)通信系统开环同步及数据恢复技术。首先,对PPM异步采样信号进行快速傅里叶变换;然后,用Quinn、Jacobsen和MacLeod算法分别估计信号的初始频偏及时延偏差;其次,由频偏和时延偏差估计值及相关运算恢复PPM信号的光子数,进而求得三种算法对应的三组时隙对数似然比序列;最后,从三组时隙对数似然比序列中选择标准差最大的序列作为纠错译码器的输入。仿真及实验结果表明,该时隙同步方法在极低的光功率下同步精度高、运算速度快、鲁棒性强且易于实现;对于64PPM调制信号,本算法平均每信号时隙只需要探测1.33个光子,就能使误码率小于10 -5。
光通信 脉冲位置调制 多像素光子计数器 时隙同步 数据恢复
1 西安工程大学 理学院 物理系, 西安 710048
2 加拿大粒子加速器中心(TRIUMF), 温哥华 V6T2A32
为了研究硅光电倍增器(SiPM)在低温下能否正常工作, 选取了两种典型的SiPM, 通过液氮制冷方式, 对SiPM在不同温度下的反向伏安特性进行了研究。结果显示, 不同SiPM的过偏压范围(VB~Vb)随温度的变化差别很大, 并且微量水蒸气凝结仅对未封装的SiPM伏安特性的Vb~VB段有明显影响。分析实验结果得出, SiPM正常工作电压的范围在很大程度上受到衬底材料中缺陷和陷阱浓度的影响。在低温下工作的SiPM, 要求其衬底材料中缺陷和陷阱的浓度更低。在进行SiPM的低温应用和测量时, 应密切监视偏压加在Vb~VB区间时, 器件的电流是否有变化, 而不能只观察击穿之前SiPM的漏电情况。
硅光电倍增器 多像素光子计数器 伏安特性 水汽凝结 silicon photomultiplier multipixel photon counter voltagecurrent characteristic water condensation
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
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130000
为实现Solar-Blind(日盲紫外)滤光片光密度在可见光谱段的高精度连续测试, 搭建了以氙灯配合单色仪作为光源、使用单光子计数器作为探测器的测试系统, 并对该系统的误差进行分析。系统主要装置有氙灯与单色仪组合的光源, 标准衰减装置和单光子计数器; 以替代法为基础进行测试, 将由单光子计数器探测到的衰减后的计数值作为参考计数值替代光源的初始计数值, 通过运算得到滤光片的可见光谱段光密度; 该测试系统将滤光片光密度的测试动态范围扩展到0~-11OD, 实现了可见光谱段内进行连续光谱测量的功能, 且降低了系统的测试误差。与使用窄带LED作为光源的测试系统相比, 测试不确定度由2%降低至0.5%, 相对重复性误差由0.2％ 降低至0.13％。
紫外探测 滤光片 带外截止深度 大动态范围 单光子计数器 UV detection filters cutoff depth of out-band large dynamic range single photo counter
西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
激光雷达近场回波信号较强，容易使光子计数系统产生数据堆栈现象，而死区时间是修正数据堆栈的重要因子。构建了一种激光雷达光子计数数据廓线的空间方差数学计算模型，用于评价光子计数数据的泊松分布质量。利用计算分析结果估算激光雷达光子计数系统死区时间，进而修正光子计数数据中遭受数据堆栈的数据。计算结果表明，激光雷达远场信号基本符合泊松分布，而近场信号不符合，但是死区时间修正后的光子计数数据的泊松分布特性可得到明显改善。通过最小化数据方差与均值的偏离程度，估算系统死区时间以修正数据堆栈现象，使得光子计数数据最大化地服从泊松分布。研究结果表明，长距离扫描激光雷达系统所应用的Licel数据记录仪TR40-160光子计数系统的死区时间约为3.402 ns，修正后的激光雷达数据堆栈现象得到明显改善。
遥感 激光雷达 光子计数器 死区时间 数据堆栈 空间方差
