激光雷达的光源应用简析

摘 要：传统的激光雷达技术，多采用激光器的经典态作为发射端。随着量子技术发展，具有量子特性的非经典光源应用愈加广泛。这里在激光雷达系统的光源选择方面，对比了基于压缩态以及NOON态这两种典型的量子光源的系统噪声影响。结果发现，应用这些光源对雷达的噪声特性不会产生很好的改善，对雷达性能影响不大。

关键词：激光雷达 量子光源 量子噪声

中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：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

激光雷达（Laser Radar）是一种基于激光的用于检测和定位反射物体特征信息的系统，它是由雷达发展而来的，且高于微波频段，激光的波长很小且相干性很好，具有分辨率极高，测量范围广、获取目标信息量大、抗干扰能力强等独特优点，在国内外军事及民用领域都有着广阔的应用前景[1-2]。

激光雷达进行远距离探测时，激光回波信号弱，噪声相对比较强，有时噪声会把信号淹没。如何把强噪声中的有用信号提取出来至今一直是激光雷达信号处理的最大难题。除了匹配滤波等信号处理研究，激光雷达接收机的噪声特性以及对应噪声抑制的研究开展较多，但由于传统的激光光源选择单一，信噪比从光源分析得较少。[3-4]

目前随着量子技术发展，具有量子特性的非经典光源应用愈加广泛。该文重点从激光雷达的光源出发，选择了压缩态以及NOON态这两种典型的量子光源并引入到激光雷达系统中，通过对比使用经典光源的系统，研究量子光源在提升激光雷达信噪比方面的作用。

2 压缩态光源

激光器的输出态通常是在相干量子态，输出态的涨落与链路的散弹噪声有关。通过一定的处理，能够将激光器的输出态改变为不同的量子涨落状态。压缩态光源最初提出是作为一种提升干涉型引力波探测器的灵敏度的方法。而激光雷达在发射光束至反射回波被接收这个过程中的链路损耗很大，会导致压缩态在这种工作状态下的好处近乎没有。然而，对于外差结构的雷达，在本地接收机内由于链路损耗小，压缩态光源用于本振则可以提高系统灵敏度。最大纠缠态，也被称为NOON态，作为一种性能优异的光源也广泛应用在基于量子效应的干涉相位测量系统中[5-6]。

在外差型激光雷达体系中，噪声主要来源于本振LO的散弹噪声，比如在一个时间门限内接收到的光子数的起伏，这个起伏能够通过应用压缩态光源进行一定程度的抑制。一般来讲，噪声是指信号的量子起伏。在外差型激光雷达系统中，噪声指的是在测量的傅立叶频率上测量的光子数，而不是指总光子数的起伏。

文章分析了使用压缩态光源及NOON态光源这两种量子光源在激光雷达中的应用潜力。通过对链路信噪比与插损的建模分析可知，在小损耗的理想情况下，量子光源能够有效提高测量精度，但在实际激光雷达系统的损耗量级下，测量精度与使用大功率经典光源的效果相差不大。考虑到目前量子光源复杂的结构与实现方法，使用成熟的经典光源更能满足激光雷达的实际需求。如果要挖掘量子光源在目标探测方面的潜力，则必须基于量子雷达的体制，对探测原理进行改变。

参考文献

[1] 韩意，孙华燕，李迎春，等.国外成像激光雷达系统仿真软件研究进展[J].激光与光电子学进展，2013，50（1）：43-51.

[2] 侯峰.LIDAR详细介绍及其应用举例综述[J].科技广场，2014，4（1）：95-100.

[3] 刘磊.机载LIDAR系统误差分析与检校方法研究[D].青岛：山东科技大学，2011.

[4] 周琴，张秀达，胡剑，等.凝视成像三维激光雷达噪声分析[J].中国激光，2011，38（9）：175-180.

[5] C.M.Caves.Quantum-mechanical noise in an interferometer[J].Physical Review D，1981，23（8）：1693-1708.

[6] M.A.Rubin，S.Kaushik.Loss-induced limits to phase measurement precision with maximally entangled states[J].Physical Review A，2007，75（5）.