單光子計數(shù)激光雷達包括一個高重復率脈沖式激光器和一個具有單光子靈敏度的單光子探測器。通過計算激光回波信號中的光子數(shù)并測量光子的飛行時間,恢復遠距離物體表面的反射強度和深度。時間相關(guān)單光子計數(shù)（Time-Correlated Single-Photon Counting,TCSPC）是一種極弱光信號探測的技術(shù)。將單光子計數(shù)激光雷達系統(tǒng)和TCSPC技術(shù)相結(jié)合,可極大地提高探測靈敏度,從而允許使用較低功率的半導體激光器進行遠距離檢測,尤其是在大氣環(huán)境下對遠距離物體的探測和機載遙感等對重量,大小和體積有嚴格限制的場景中有重要應用。本文將單光子計數(shù)激光雷達系統(tǒng)和TCSPC技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計了一個基于連續(xù)測量光子到達時間的單光子反射率和深度成像系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容及成果如下:（1）搭建了 一種基于連續(xù)測量光子到達時間的單光子反射率和深度成像系統(tǒng)。提出在一個掃描位置上連續(xù)測量且具有共同起點的光子到達時間測量的方法。激光脈沖的數(shù)量由自主研制的現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array,FPGA）控制模塊計算為到達光子的粗時間。最近的激光脈沖和到達光子之間的時間間隔由TCS... 

【文章來源】：南昌大學江西省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：63 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖２．３相位式激光測距的工作原理??雖然相位式激光測距系統(tǒng)的精確度比脈沖式激光測距系統(tǒng)高，但相位式激??光測距系統(tǒng)適用于短距離的實驗，并且實驗時間長，需要復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單光子探測器的量子效益－波長曲線圖??本系統(tǒng)的單光子探測器的型號為ＥＸＣＥＬＩＴＡＳ?ＳＰＣＭ－ＡＱＲＨ－１４－ＦＣ３２４９７，??該ＳＰＡＤ的光敏面積的直徑為１８０陣、量子效率在７００ｎｍ時接近７０％，如圖２．４??所示。單光子時間分辨率為３５０ｐｓ，波長的響應范圍為４００ｎｍ－】０６０ｎｍ、暗計數(shù)??率低于ｌＯＯｃｐｓ、死時間為２２ｎｓ、探測器時間抖動為ｌ－４ｎｓ。因為激光器發(fā)射出來??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)測量光子到達時間的單光子反射率和深度成像系統(tǒng)的設(shè)計??路的回波激光光斑完全入射至單光子探測器中，本文采用了兩種方案。方案一：??在ＰＢＳ立方體與單光子探測器之間加了一個平凸透鏡，將激光光斑聚焦為１８０ｐｍ??左右；方案二：通過直徑為２ｍｍ的光纖耦合器將回波激光光斑完全入射至單光??子探測器中。經(jīng)過成像實驗得知，兩個方案都使得系統(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，使得物體淹沒在背??景噪聲中，導致物體重建失敗。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器。??２．２．３掃描系統(tǒng)??基于連續(xù)測量光子到達時間的單光子反射率和深度成像系統(tǒng)對物體的識別??有兩種方式，分別為單點掃描成像和面陣器件成像。對于面陣器件成像系統(tǒng)的核??心器件是空間分辨探測器，如ＣＣＤ相機、多陽極微通道板陣列和雪崩光電二極??管陣列等。對于空間分辨探測器，由于工藝非常復雜、性能不穩(wěn)定、成本高，所??以導致空間分辨探測器的分辨率仍然相對較低，并且處于科研階段。故本文的系??統(tǒng)采用單點掃描成像的方式，并選擇比聲光掃描、電光掃描和微機電掃描更加成??熟的機械掃描方式。??Ｚ＼??、＼??－?Ｙ－Ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ??（〇，〇，〇）??：ｖ??Ｘ－Ｇａｌｖａｎｏｎｉｅｔｅｒ??圖２．５二維振鏡掃描（摘自文獻［５７］）??本系統(tǒng)的掃描系統(tǒng)采用二維振鏡，型號是索雷博公司的ＧＶＳ００２，光譜范圍??１２??

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]機載激光遙感成像的激光回波波形數(shù)字化技術(shù)[J]. 胡以華,王建宇,薛永祺.  遙感學報. 2001(02)

博士論文
[1]高精度低成本激光振鏡掃描3D視覺系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 曲楊.哈爾濱工業(yè)大學 2016

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



本文編號：2996811