混沌激光雷達具有分辨率高、抗干擾和隱蔽性強的優(yōu)點，然而受限于混沌光源的功率、線性探測器的靈敏度以及硬件帶寬，其在遠距離探測方面存在瓶頸。另外，單光子探測技術的蓬勃發(fā)展極大地推動了激光雷達在遠距離目標成像、水下目標成像、偽裝目標成像等微弱信號探測方面的應用。得益于單光子探測器的超高靈敏度、數(shù)字化輸出及大規(guī)模陣列化，單光子激光雷達已成為科研與行業(yè)的研究熱點。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，中國科學院微電子研究所和中國科學院大學的科研團隊提出了數(shù)字混沌激光雷達（LiDAR）的概念，并進行了理論分析與仿真驗證，通過蒙特卡洛（Monte Carlo）仿真，研究了連續(xù)混沌激光雷達（LiDAR）、脈沖混沌激光雷達（LiDAR）與數(shù)字混沌激光雷達的探測概率、虛警概率與探測距離。相關研究內容以“數(shù)字混沌激光雷達”為題發(fā)表在《集成技術》期刊上。

數(shù)字混沌激光雷達系統(tǒng)

這項研究首次將混沌激光雷達技術與單光子探測技術結合，利用單光子探測器響應混沌光子信號，產(chǎn)生適應于死區(qū)時間的物理隨機序列，提出了一種全新的激光雷達概念——數(shù)字混沌激光雷達。數(shù)字混沌激光雷達系統(tǒng)的結構如圖1所示?；煦缂す馔ㄟ^準直透鏡后被分束器一分為二：一路作為參考光，一路作為探測光。

圖1 數(shù)字混沌激光雷達結構

理論模型與分析

物理隨機序列的產(chǎn)生及特性

圖2展示了混沌激光通過SPAD 1產(chǎn)生物理隨機數(shù)的過程。由于混沌激光的振幅是隨機變化的，因此，在振幅較大的時間門內產(chǎn)生“1”碼元的概率較大，在振幅較小的時間門內產(chǎn)生“0”碼元的概率較大。這項研究對SPAD響應混沌激光的結果進行蒙特卡洛（Monte Carlo）仿真。如圖3(a)所示，對蒙特卡洛仿真產(chǎn)生的隨機序列作自相關運算，可以明顯看出，SPAD 1響應混沌激光產(chǎn)生的隨機序列具有良好的相關特性，這說明用混沌激光產(chǎn)生的物理隨機序列作為探測信號是可行的。同時，從圖3(b)中也可以發(fā)現(xiàn)，隨機序列的相關特性與入射至SPAD 1中的混沌激光的平均光子數(shù)息息相關。

圖2 物理隨機序列產(chǎn)生示意圖

圖3 物理隨機序列的自相關特性

數(shù)字混沌激光雷達系統(tǒng)仿真

隨后利用蒙特卡洛仿真對數(shù)字混沌激光雷達系統(tǒng)的測距過程展開了數(shù)值模擬，其仿真流程如圖4所示。

圖4 Monte Carlo仿真流程

數(shù)字混沌激光雷達系統(tǒng)實驗結果

探測概率與虛警概率是評價單光子激光雷達系統(tǒng)的兩個重要指標。通過蒙特卡洛仿真研究了連續(xù)混沌激光雷達、脈沖混沌激光雷達與數(shù)字混沌激光雷達系統(tǒng)的探測概率與虛警概率隨信噪比的變化曲線。探測概率與虛警概率的統(tǒng)計結果如圖5所示。再通過蒙特卡洛仿真，對比了連續(xù)混沌激光雷達、脈沖混沌激光雷達及數(shù)字混沌激光雷達的探測距離。

圖5 探測概率與虛警概率

結論

這項研究首次提出了數(shù)字混沌激光雷達的概念，并通過理論分析與蒙特卡洛仿真證明了數(shù)字混沌激光雷達的可行性，且仿真對比了連續(xù)混沌激光雷達、脈沖混沌激光雷達與數(shù)字混沌激光雷達系統(tǒng)的探測概率與虛警概率。在探測概率大于95%、虛警概率小于5%的置信區(qū)間內，數(shù)字混沌激光雷達的探測距離較連續(xù)混沌激光雷達與脈沖混沌激光雷達分別提高了約35倍、8倍。與Cheng等中的脈沖混沌激光雷達相比，數(shù)字混沌激光雷達將探測距離從百米量級提升至千米量級。此外，與傳統(tǒng)基于線性探測器的混沌激光雷達（連續(xù)混沌激光雷達、脈沖混沌激光雷達）相比，數(shù)字混沌激光雷達突破了硬件帶寬與采樣率的限制，實現(xiàn)了全數(shù)字化的處理，易于片上混沌集成。與物理隨機編碼的單光子探測系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可以產(chǎn)生等效頻率更高，且適應SPAD死區(qū)時間的物理隨機序列，調控更加簡易便捷。得益于單光子探測器的超高靈敏度與數(shù)字化輸出，數(shù)字混沌激光雷達具有結構簡單、高動態(tài)范圍的特點，在遠距離探測與成像方面應用潛力巨大。