研究團隊圍繞單光子探測機理、單光子雷達系統集成與信號處理等關鍵技術展開攻關，為解決光子堆積誤差、面陣單光子雷達能量利用效率低、高重頻單光子雷達距離模糊等關鍵問題提供了系統性方案。
單光子雪崩二極管(SPAD)陣列像素填充率低、陣列規模小等問題導致其難以滿足高空間分辨三維成像要求，對此，研究團隊設計并構建了一套基于SPAD陣列和衍射光學元件(DOE)的可重構同軸單光子激光雷達三維成像系統。
該系統采用DOE將出射光束整形為32×32的點陣照明模式，并使得DOE點陣光束的總發散角與SPAD陣列的總FOV嚴格匹配，同時DOE調制的子光束分別與SPAD陣列探測器的每個光敏面精確匹配，實現了對系統照明激光的高效利用。與泛光照明相比，研究團隊所構建系統的能量利用率提高了約100倍。
相關研究成果發表于Applied Optics，并被遴選為Editor's Pick(編輯精選)亮點文章。
圖1 望遠鏡可重配置共軸SPAD陣列激光雷達系統及三維成像實驗結果
該系統還兼容亞像素掃描，能夠獲取更高分辨率的圖像，實現了3倍橫向空間分辨率提升，相關成果發表在IEEE Photonics Journal。兩篇論文的第一作者為西安光機所薛瑞凱博士，通訊作者均為西安光機所康巖助理研究員和張同意研究員。
基于SPAD的單光子雷達系統通常需要重復多次激光脈沖探測才能形成可靠的光子計數直方圖。為減少測量時間，單光子雷達一般采用高重復率脈沖激光進行照明，從而在較短時間內實現多次重復檢測。但激光重復率的提高會降低單光子雷達的無模糊距離范圍。
為此，研究團隊提出了一種基于多重頻激光照明結合脈沖串相關累積的新型單光子雷達測距方法。通過采用激光脈沖串(Burst)代替連續脈沖(Continuous)照明目標及通過不同脈沖串互相關函數的累加直接提取目標距離，可將原本由最小單重頻決定的18.75m無模糊距離提升至7.4km。
相關成果發表于Optics Letters，論文第一作者為康巖助理研究員，通訊作者為張同意研究員。
單光子雪崩二極管探測器無法響應在其死時間(Dead time)內到達的光子，較高的入射光通量會導致單光子激光雷達光子計數直方圖畸變，引起光子堆積距離誤差。因此在高光子通量下如何修正由死時間引起的直方圖畸變和準確估計目標距離一直是單光子激光雷達研究的難點。
針對這一難題，研究團隊提出了基于系統前向模型的參數估計堆積效應校正公式，仿真模擬與實驗研究均證實了該方法的有效性(圖2)，該方法在回波信號峰位于探測周期內不同位置時均能有效恢復光子計數直方圖信號，可顯著提升目標深度和反射率的估計精度。相關成果發表于Optics Letters。
圖2 回波光子直方圖信號峰值位于探測周期不同位置時，現有多觸發修正方法與所提出方法的修正結果對比
此前，團隊還提出一種基于經驗誤差的堆積效應修正方法，兩篇論文的第一作者為西安光機所王曉芳博士，通訊作者均為康巖助理研究員和張同意研究員。
在目標的識別上，除目標距離和反射率等重要參數外，探測目標的速度和轉動速度更有助于提升目標識別率。張同意研究員團隊與王國璽研究員帶領的超表面研究小組合作提出一種通過單層超表面生成共軛拓撲渦旋光束的緊湊型轉速測量方法。
該方法通過嵌套兩個具有相反拓撲荷的超表面，構成了一個單層組合超表面，可直接將入射光束轉換為兩個具有共軛拓撲荷的同軸渦旋光束。研究通過分析回波光信號中相鄰頻率峰值的間隙，實現了旋轉目標轉速的精確測量。
圖3 組合超表面示意圖以及基于組合超表面的轉速檢測過程示意圖
相關成果發表于Optics Letters，西安光機所梁錦濤碩士研究生和李思奇副研究員為論文的共同第一作者，通訊作者為李力飛助理研究員、王國璽研究員和張同意研究員。
上述研究工作得到了國家自然科學基金項目、陜西省科技廳重點研發計劃等多個項目的支持。
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