空间成像：星载单光子计数成像系统

北京空间机电研究所夏中秋研究团队在《激光与光电子学进展》发表题为“星载单光子计数成像系统仿真技术研究”的研究论文，该论文被选为当期的封面文章。

论文使用蒙特卡洛仿真方法模拟了基于偏振滤波光学系统、单光子雪崩光电探测器、泊松滤波光子计数器的空间单光子成像系统的光子计数结果。

封面解读

封面展示了低轨卫星单光子激光雷达成像过程，重点突出了偏振滤波光学系统、单光子雪崩光电探测器阵列、基于泊松滤波理论的光子计数技术等关键环节。通过调控重复次数及门控时间，精确控制适应单光子成像的距离阈值，从而获取高精度的单光子强度像及距离像。

文章链接

夏中秋，宋海智，史衍丽，郑永超. 星载单光子计数成像系统仿真技术研究[J]. 激光与光电子学进展，2022，59（16）：1611001

背景介绍

单光子成像技术通过高重频脉冲激光照射目标，并记录发射时间，在回波光子数极少的情况下，采用大口径光学镜头进行收集，通过单光子探测器完成光电转换，产生雪崩信号，记录光子到达时间，并由光子计数器记录信号个数，这样基于泊松统计的方法，通过增大重复次数，即可累积出目标光强信息与距离信息，从而实现对目标的灰度成像及三维成像。与传统成像手段相比，所需光子数从104量级缩减至个数级，甚至达到10-1量级，系统灵敏度大幅提升,这在远距离暗弱目标信息获取应用方面存在巨大优势。

自2014年麻省理工大学Ahmed Kirmani团队提出首光子成像系统起，到2021年中国科学技术大学徐飞虎团队实现超 200 km距离单光子成像，单光子成像距离已突破至百公里量级，单光子成像技术天基应用已成为可能。

基本原理

单光子成像超远的成像距离，使得它有潜力应用于空间成像。然而，单光子阵列成像系统的灵敏度较高，光学系统后向散射光子作为背景光子，也会引起雪崩信号。

图1基于偏振滤波方法抑制后向散射光子的光学系统

技术上，可以使用偏振滤波方法抑制后向散射光子。利用脉冲激光信号的线性偏振特点，经偏振调制后，激光发射系统发射垂直偏振光。垂直偏振光经光学系统后向散射后，偏振方向不变，但经目标漫反射后，会变为随机偏振光，接收时再经过偏振分束器进行滤波，接收水平偏振光，从而消除光学系统后向散射光子的影响。

图2 光学系统中后向散射偏振滤波模型

虽然单光子轰击到光敏材料上也能产生光电子，但是此时光电子能量过低，难以被光电器件直接读取。实验和工程上，通常使用光电倍增管和光电雪崩二极管来放大弱功率光电子信号，最终达到读取光子数量的目的。空间单光子成像系统也采用类似的方式探测单光子信号。信号光子和背景光子入射到探测器光敏面上完成光子注入，进行光电转换生成回波电子和霰弹噪声电子，热电流、隧穿电流等其他途径产生噪声电子，然后进行电注入，接着完成雪崩倍增，最后检测读出信号。

基于上述关键系统，北京空间机电研究所夏中秋研究团队使用蒙特卡洛方法数值模拟了空间单光子成像的回波光子数。仿真系统首先生成空间激光回波电子数函数、蒙特卡洛功函数；其次设置重复次数、门控时间，计算回波光电子数、噪声光电子数；然后分别计算至少发生一次由回波光子和噪声电子引起的光电子事件概率；最后生成随机数，与光子事件概率进行比较，当随机数小于由回波光子引起的光电子事件概率或由噪声引起的光电子事件概率，光子计数加1，进入死时间，否则进入下一个门控区间，重复操作，直至完成重复次数（点击获取论文，查看详细流程图）。

研究团队的仿真成果对脉冲重复次数、门控次数的选取有重要参考意义，为提高回波波形保真度及回波时间确定精度提供了依据。

仿真结果

不同探测距离情况下脉冲激光回波光子数如图3所示，探测距离为36000 km时，回波光子数量级为10-4，探测距离为500 km、250 km、50 km时，回波光子数分别为0.04~4.39、0.19~17.49、4.74~441.15。

图3 不同探测距离条件下脉冲激光的回波光子数

以轨道高度500 km为例，不同参数设定下光子计数结果如图4所示，回波波形从模拟态（连续）转换为数字态（不连续），当重复次数较大时，脉冲回波波形对发射波形的还原度逐渐增大，当重复次数小于开门次数时，存在“漏检”现象，该现象会对回波时间的确定产生主要影响，当重复次数大于开门次数时，“漏检”现象消除，但噪声光子计数也随之增大，如果开门次数过少，会造成回波波形失真。

图4 相同重复次数、不同开门次数条件下的回波光子数

设定重复次数不低于开门次数，光子计数仿真结果如图5所示，回波波形对发射波形还原度明显提高，因此，可通过调节重复次数的方法，调节空间单光子成像动态范围，但同时也对于脉冲激光器、光子计数器的研制提出了更高的要求。

图5 重复次数不低于开门次数条件下的回波光子数

总结与展望

偏振滤波、泊松统计滤波、自由运行模式等方法措施可以部分解决天基单光子成像作用距离远、背景光子多、信号光子少、成像时间未知等问题。天基单光子计数成像蒙特卡洛仿真方法可以完成光子计数结果和测距精度仿真。天基单光子成像距离存在阈值，针对特定的成像距离，除了考虑脉冲激光器、光子计数器等工程问题，还可通过调整重复次数、开门时间等方法手段，折中考虑脉冲激光回波波形还原程度与噪声累积，在避免“漏检”现象的同时，提高回波波形保真度及回波时间确定精度。

作者简介

夏中秋，北京空间机电研究所，博士，2017年毕业于中国空间技术研究院，主要从事空间光学遥感相机技术、空间激光成像雷达技术研究工作。作为核心成员先后参与装备预先研究项目、民用航天技术预先研究项目、探月工程四期嫦娥七号任务载荷“高分辨率立体相机”项目，主要负责总体指标分析、总体方案论证与设计、关键技术攻关等工作。在物理学报、中国空间科学技术、航天返回与遥感等期刊发表论文10余篇，国家发明专利2项，国家军用标准1项。