單光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)包括一個(gè)高重復(fù)率脈沖式激光器和一個(gè)具有單光子靈敏度的單光子探測(cè)器。通過(guò)計(jì)算激光回波信號(hào)中的光子數(shù)并測(cè)量光子的飛行時(shí)間,恢復(fù)遠(yuǎn)距離物體表面的反射強(qiáng)度和深度。時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（Time-Correlated Single-Photon Counting,TCSPC）是一種極弱光信號(hào)探測(cè)的技術(shù)。將單光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)和TCSPC技術(shù)相結(jié)合,可極大地提高探測(cè)靈敏度,從而允許使用較低功率的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè),尤其是在大氣環(huán)境下對(duì)遠(yuǎn)距離物體的探測(cè)和機(jī)載遙感等對(duì)重量,大小和體積有嚴(yán)格限制的場(chǎng)景中有重要應(yīng)用。本文將單光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)和TCSPC技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一個(gè)基于連續(xù)測(cè)量光子到達(dá)時(shí)間的單光子反射率和深度成像系統(tǒng)。主要研究?jī)?nèi)容及成果如下:（1）搭建了 一種基于連續(xù)測(cè)量光子到達(dá)時(shí)間的單光子反射率和深度成像系統(tǒng)。提出在一個(gè)掃描位置上連續(xù)測(cè)量且具有共同起點(diǎn)的光子到達(dá)時(shí)間測(cè)量的方法。激光脈沖的數(shù)量由自主研制的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array,FPGA）控制模塊計(jì)算為到達(dá)光子的粗時(shí)間。最近的激光脈沖和到達(dá)光子之間的時(shí)間間隔由TCS... 

【文章來(lái)源】：南昌大學(xué)江西省 211工程院校

【文章頁(yè)數(shù)】：63 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖２．３相位式激光測(cè)距的工作原理??雖然相位式激光測(cè)距系統(tǒng)的精確度比脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)高，但相位式激??光測(cè)距系統(tǒng)適用于短距離的實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，需要復(fù)雜的電路作為控制模??

ＳＰＣＭ?－??］ｕ?５０％?／??｜?ｆ??Ｓ?３０％?—?????／?一一????????＼???—??１咖一７－?Ｘ一??１－?一?—．：」廣??０％?１?－－．．????－—．?．Ｉ?—?－－－－?????－?－?－???－?－－－－－?－??３００?４００?５００?６００?７００?８００?９００?１０００?１１００??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??圖２．４單光子探測(cè)器的量子效益－波長(zhǎng)曲線圖??本系統(tǒng)的單光子探測(cè)器的型號(hào)為ＥＸＣＥＬＩＴＡＳ?ＳＰＣＭ－ＡＱＲＨ－１４－ＦＣ３２４９７，??該ＳＰＡＤ的光敏面積的直徑為１８０陣、量子效率在７００ｎｍ時(shí)接近７０％，如圖２．４??所示。單光子時(shí)間分辨率為３５０ｐｓ，波長(zhǎng)的響應(yīng)范圍為４００ｎｍ－】０６０ｎｍ、暗計(jì)數(shù)??率低于ｌＯＯｃｐｓ、死時(shí)間為２２ｎｓ、探測(cè)器時(shí)間抖動(dòng)為ｌ－４ｎｓ。因?yàn)榧す馄靼l(fā)射出來(lái)??的激光光斑直徑為２ｍｍ，而ＳＰＡＤ的光敏面積的直徑為１８０Ｍｍ，為了使接收光??１１??

第２章基于連續(xù)測(cè)量光子到達(dá)時(shí)間的單光子反射率和深度成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)??路的回波激光光斑完全入射至單光子探測(cè)器中，本文采用了兩種方案。方案一：??在ＰＢＳ立方體與單光子探測(cè)器之間加了一個(gè)平凸透鏡，將激光光斑聚焦為１８０ｐｍ??左右；方案二：通過(guò)直徑為２ｍｍ的光纖耦合器將回波激光光斑完全入射至單光??子探測(cè)器中。經(jīng)過(guò)成像實(shí)驗(yàn)得知，兩個(gè)方案都使得系統(tǒng)接收到的有效光子數(shù)增加??了，但采用了方案一的系統(tǒng)接收到的背景噪聲增加的更多了，使得物體淹沒(méi)在背??景噪聲中，導(dǎo)致物體重建失敗。綜上所述本系統(tǒng)選擇采用方案二，故選擇的ＳＰＡＤ??是帶有用于光纖尾纖的ＦＣ／ＰＣ適配器的單光子探測(cè)器。??２．２．３掃描系統(tǒng)??基于連續(xù)測(cè)量光子到達(dá)時(shí)間的單光子反射率和深度成像系統(tǒng)對(duì)物體的識(shí)別??有兩種方式，分別為單點(diǎn)掃描成像和面陣器件成像。對(duì)于面陣器件成像系統(tǒng)的核??心器件是空間分辨探測(cè)器，如ＣＣＤ相機(jī)、多陽(yáng)極微通道板陣列和雪崩光電二極??管陣列等。對(duì)于空間分辨探測(cè)器，由于工藝非常復(fù)雜、性能不穩(wěn)定、成本高，所??以導(dǎo)致空間分辨探測(cè)器的分辨率仍然相對(duì)較低，并且處于科研階段。故本文的系??統(tǒng)采用單點(diǎn)掃描成像的方式，并選擇比聲光掃描、電光掃描和微機(jī)電掃描更加成??熟的機(jī)械掃描方式。??Ｚ＼??、＼??－?Ｙ－Ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ??（〇，〇，〇）??：ｖ??Ｘ－Ｇａｌｖａｎｏｎｉｅｔｅｒ??圖２．５二維振鏡掃描（摘自文獻(xiàn)［５７］）??本系統(tǒng)的掃描系統(tǒng)采用二維振鏡，型號(hào)是索雷博公司的ＧＶＳ００２，光譜范圍??１２??

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]小型化高分辨率激光雷達(dá)條紋管探測(cè)器的研制[J]. 遲晨,唐家業(yè),王葵,董光焰,韓文杰.  光電子技術(shù). 2019(02)
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博士論文
[1]高精度低成本激光振鏡掃描3D視覺(jué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 曲楊.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016

碩士論文
[1]基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的成像技術(shù)[D]. 段雪潔.西安電子科技大學(xué) 2017
[2]光子計(jì)數(shù)激光三維成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D]. 司馬博羽.南京理工大學(xué) 2013
[3]基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)的激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)研究[D]. 王瀚基.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2011



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