激光雷達(dá)的光源應(yīng)用簡(jiǎn)析

許方星

摘 要：傳統(tǒng)的激光雷達(dá)技術(shù)，多采用激光器的經(jīng)典態(tài)作為發(fā)射端。隨著量子技術(shù)發(fā)展，具有量子特性的非經(jīng)典光源應(yīng)用愈加廣泛。這里在激光雷達(dá)系統(tǒng)的光源選擇方面，對(duì)比了基于壓縮態(tài)以及NOON態(tài)這兩種典型的量子光源的系統(tǒng)噪聲影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用這些光源對(duì)雷達(dá)的噪聲特性不會(huì)產(chǎn)生很好的改善，對(duì)雷達(dá)性能影響不大。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá) 量子光源 量子噪聲

中圖分類號(hào)：TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（b）-0219-02

Abstract：For the traditional laser radar，laser pulses in classical states are used as the transmitter source.With the development of quantum technology，light sources with non-classical states are widely applied.Especially for the laser radar system，the fluctuations of the quantum noise in the system are analyzed when squeezed-state source and NOON-state source are used separately.Calculations shows the noise feature with little effect，which shows that applying quantum sources cannot benefit the laser radar system too much.

Key words：Laser Radar，Quantum source，Quantum noise

1 概述

激光雷達(dá)（Laser Radar）是一種基于激光的用于檢測(cè)和定位反射物體特征信息的系統(tǒng)，它是由雷達(dá)發(fā)展而來(lái)的，且高于微波頻段，激光的波長(zhǎng)很小且相干性很好，具有分辨率極高，測(cè)量范圍廣、獲取目標(biāo)信息量大、抗干擾能力強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外軍事及民用領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

激光雷達(dá)進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)時(shí)，激光回波信號(hào)弱，噪聲相對(duì)比較強(qiáng)，有時(shí)噪聲會(huì)把信號(hào)淹沒(méi)。如何把強(qiáng)噪聲中的有用信號(hào)提取出來(lái)至今一直是激光雷達(dá)信號(hào)處理的最大難題。除了匹配濾波等信號(hào)處理研究，激光雷達(dá)接收機(jī)的噪聲特性以及對(duì)應(yīng)噪聲抑制的研究開展較多，但由于傳統(tǒng)的激光光源選擇單一，信噪比從光源分析得較少。[3-4]

目前隨著量子技術(shù)發(fā)展，具有量子特性的非經(jīng)典光源應(yīng)用愈加廣泛。該文重點(diǎn)從激光雷達(dá)的光源出發(fā)，選擇了壓縮態(tài)以及NOON態(tài)這兩種典型的量子光源并引入到激光雷達(dá)系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)比使用經(jīng)典光源的系統(tǒng)，研究量子光源在提升激光雷達(dá)信噪比方面的作用。

2 壓縮態(tài)光源

激光器的輸出態(tài)通常是在相干量子態(tài)，輸出態(tài)的漲落與鏈路的散彈噪聲有關(guān)。通過(guò)一定的處理，能夠?qū)⒓す馄鞯妮敵鰬B(tài)改變?yōu)椴煌牧孔訚q落狀態(tài)。壓縮態(tài)光源最初提出是作為一種提升干涉型引力波探測(cè)器的靈敏度的方法。而激光雷達(dá)在發(fā)射光束至反射回波被接收這個(gè)過(guò)程中的鏈路損耗很大，會(huì)導(dǎo)致壓縮態(tài)在這種工作狀態(tài)下的好處近乎沒(méi)有。然而，對(duì)于外差結(jié)構(gòu)的雷達(dá)，在本地接收機(jī)內(nèi)由于鏈路損耗小，壓縮態(tài)光源用于本振則可以提高系統(tǒng)靈敏度。最大糾纏態(tài)，也被稱為NOON態(tài)，作為一種性能優(yōu)異的光源也廣泛應(yīng)用在基于量子效應(yīng)的干涉相位測(cè)量系統(tǒng)中[5-6]。

在外差型激光雷達(dá)體系中，噪聲主要來(lái)源于本振LO的散彈噪聲，比如在一個(gè)時(shí)間門限內(nèi)接收到的光子數(shù)的起伏，這個(gè)起伏能夠通過(guò)應(yīng)用壓縮態(tài)光源進(jìn)行一定程度的抑制。一般來(lái)講，噪聲是指信號(hào)的量子起伏。在外差型激光雷達(dá)系統(tǒng)中，噪聲指的是在測(cè)量的傅立葉頻率上測(cè)量的光子數(shù)，而不是指總光子數(shù)的起伏。

文章分析了使用壓縮態(tài)光源及NOON態(tài)光源這兩種量子光源在激光雷達(dá)中的應(yīng)用潛力。通過(guò)對(duì)鏈路信噪比與插損的建模分析可知，在小損耗的理想情況下，量子光源能夠有效提高測(cè)量精度，但在實(shí)際激光雷達(dá)系統(tǒng)的損耗量級(jí)下，測(cè)量精度與使用大功率經(jīng)典光源的效果相差不大。考慮到目前量子光源復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方法，使用成熟的經(jīng)典光源更能滿足激光雷達(dá)的實(shí)際需求。如果要挖掘量子光源在目標(biāo)探測(cè)方面的潛力，則必須基于量子雷達(dá)的體制，對(duì)探測(cè)原理進(jìn)行改變。

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