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
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
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
