混沌激光雷達具有分辨率高、抗干擾和隱蔽性強的優點，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、數字化輸出及大規模陣列化，單光子激光雷達已成為科研與行業的研究熱點。
據麥姆斯咨詢報道，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，研究了連續混沌激光雷達（LiDAR）、脈沖混沌激光雷達（LiDAR）與數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“數字混沌激光雷達”為題發表在《集成技術》期刊上。
數字混沌激光雷達系統
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，產生適應于死區時間的物理隨機序列，提出了一種全新的激光雷達概念——數字混沌激光雷達。數字混沌激光雷達系統的結構如圖1所示。混沌激光通過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 數字混沌激光雷達結構
理論模型與分析
物理隨機序列的產生及特性
圖2展示了混沌激光通過SPAD 1產生物理隨機數的過程。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生“1”碼元的概率較大，在振幅較小的時間門內產生“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響應混沌激光產生的隨機序列具有良好的相關特性，這說明用混沌激光產生的物理隨機序列作為探測信號是可行的。同時，從圖3(b)中也可以發現，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息息相關。
圖2 物理隨機序列產生示意圖
圖3 物理隨機序列的自相關特性
數字混沌激光雷達系統仿真
隨后利用蒙特卡洛仿真對數字混沌激光雷達系統的測距過程展開了數值模擬，其仿真流程如圖4所示。
圖4 Monte Carlo仿真流程
數字混沌激光雷達系統實驗結果
探測概率與虛警概率是評價單光子激光雷達系統的兩個重要指標。通過蒙特卡洛仿真研究了連續混沌激光雷達、脈沖混沌激光雷達與數字混沌激光雷達系統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計結果如圖5所示。再通過蒙特卡洛仿真，對比了連續混沌激光雷達、脈沖混沌激光雷達及數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字混沌激光雷達的可行性，且仿真對比了連續混沌激光雷達、脈沖混沌激光雷達與數字混沌激光雷達系統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%的置信區間內，數字混沌激光雷達的探測距離較連續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，與傳統基于線性探測器的混沌激光雷達（連續混沌激光雷達、脈沖混沌激光雷達）相比，數字混沌激光雷達突破了硬件帶寬與采樣率的限制，實現了全數字化的處理，易于片上混沌集成。與物理隨機編碼的單光子探測系統相比，本系統可以產生等效頻率更高，且適應SPAD死區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字化輸出，數字混沌激光雷達具有結構簡單、高動態范圍的特點，在遠距離探測與成像方面應用潛力巨大。
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20230724001
