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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

石冬松  
【摘要】: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;据此构建了探测系统的总体框架,并以对应的数学与物理模型进行了详细的仿真设计,建立了一套多波长多量子态的仿真系统,进而论证了各个关键特性及方案的可行性;随后搭建了一套多线偏振激光测量实验装置对理论结果进行验证,对比多通道的光子回波数据成功的区分出金属材质与非金属材质,并通过主动光源的抗干扰实验设计来验证目标检测方法的抗干扰特性。论文的主要内容和创新点归纳如下:1)研究了自由空间量子纠缠HBT关联测量技术,推导包含量子特性的激光雷达方程,从而建立了自由空间HBT测距系统模型,探讨了整个系统在测距过程中接收望远镜口径与测量距离、发射纠缠光子对数之间的关系,为多量子态激光雷达系统提供了设计依据。2)设计了一种基于波长、时间和量子态的随机交织光脉冲序列的目标检测技术,对整个系统进行总体设计并分析了各个架构的关键技术研究。建立了一套双波长四量子态的系统仿真模型,对比了532 nm和1064 nm波长对典型目标的探测结果以及在|H|、|V|、|D|、|A|四种量子态下不同的成像效果,论证了多波长-多量子态探测的可行性。3)搭建一套多偏振激光测量实验装置,对距离为7 m左右的目标进行多次测量的误差抖动小于20 mm;实验通过分别对水平、垂直通道上退偏振回波光子的统计对金属以及非金属材质表面进行了区分;探讨了不同入射角(0度、30度、45度)时金属表面退偏振光子数量;在出现第三方激光光源干扰的情况下,实现在5.700 m、6.325 m、6.750 m、7.050 m和8.300 m众多干扰信息中分别得到金属表面材质(6.750 m)和非金属表面材质(7.050 m)的真实距离。


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