本文關鍵詞：多光束光子計數(shù)激光成像技術(shù)研究

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【摘要】：激光雷達是一種主動遙感技術(shù),利用激光照亮目標,并探測激光回波信號,從而獲得目標的距離等信息。由于激光雷達具有高精度、小型化、低功耗等優(yōu)勢,在地形地貌測量、植被探測、大氣物理研究等領域發(fā)揮著重要作用。突破激光雷達的工作距離限制,以及提高系統(tǒng)探測速率,是當前該方向的兩個研究重點。單光子探測技術(shù)結(jié)合時間相關單光子計數(shù)技術(shù)(TCSPC)能夠?qū)⒒夭ㄐ盘柼綔y靈敏度提高至量子極限,大幅提升了激光雷達的工作距離和性能。另一方面,多光束體制能夠?qū)崿F(xiàn)大幅寬快速掃描探測,是提高激光雷達探測速率的重要方法。本文結(jié)合以上兩種技術(shù),發(fā)展出多光束光子計數(shù)激光成像雷達,實現(xiàn)了遠距離快速激光掃描成像。本論文圍繞光子計數(shù)激光測距和成像開展關鍵技術(shù)研究:1)大規(guī)模高性能多通道單光子探測器;2)多光束產(chǎn)生和接收技術(shù);3)多通道高精度飛行時間測量技術(shù)。其中,基于蓋革模式硅雪崩光電二極管(Si APD),發(fā)展基于FPGA的多通道主動抑制技術(shù)和多通道光纖耦合技術(shù),實現(xiàn)100通道單光子探測器。該探測器體積小、功耗低,平均探測效率大于30%@532nm,暗計數(shù)小于3kcps,是當前規(guī)模最多的分立器件組成的多通道單光子探測系統(tǒng)之一;基于衍射光學元件(DOE)和光纖陣列,實現(xiàn)了 100光束激光產(chǎn)生與接收,解決了大規(guī)模多光束高精度收發(fā)匹配裝調(diào)難題,各通道耦合一致性達到90%,光纖通道間串擾小于1%;基于FPGA板卡,實現(xiàn)了 100通道高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換測量(TDC),時間分辨率達到64ps,并且利用FPGA并行運算優(yōu)勢,實現(xiàn)了板上TCSPC,最后將100通道光子飛行時間數(shù)據(jù)通過USB接口上傳至計算機,實現(xiàn)100光束激光掃描成像,實驗中,最大三維成像距離超過2.5km,精度達到26mm,而平均到達探測器的回波光信號僅為0.0065/脈沖。另外,針對單光子探測器在激光三維成像和測距的實際應用中受到背景光干擾和測量模糊距離等問題,本文開展了啁啾脈沖調(diào)制激光測距技術(shù)和日盲紫外激光成像技術(shù)的研究。其中,基于正弦門低通濾波探測技術(shù),實現(xiàn)InGaAs/InPAPD,1.5GHz高速單光子探測器,將死時間降低至6.4ns,從而實現(xiàn)200MHz調(diào)制帶寬的啁啾脈沖調(diào)制激光測距,解決了"距離模糊"問題;基于Si APD單光子探測器和266nm脈沖激光,利用地表日盲紫外波段太陽光輻射幾乎為零的條件,克服了背景光干擾,實現(xiàn)了日光下百米量程、厘米級精度的日盲紫外激光三維成像。本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:1.基于FPGA實現(xiàn)了 100通道Si APD單光子探測器,結(jié)合多光束收發(fā)裝置和基于TCSPC技術(shù)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),完成了 100光束光子計數(shù)激光成像系統(tǒng)的搭建和測試。1)通過改進APD的制冷和光纖耦合工藝,采用光纖耦合的APD陣列,結(jié)合FPGA邏輯處理電路,實現(xiàn)了 100通道單光子探測器的研制。探測器包括雪崩信號提取模塊、主動抑制模塊、電源模塊和溫控模塊。100通道單光子探測器在532nm的平均探測效率為36.8%,暗噪聲計數(shù)小于3 × 103cps,時間抖動約為800ps,并且各個探測通道之間不存在信號串擾。2)在激光發(fā)射端,利用DOE對激光器出射的激光信號進行分束,產(chǎn)生100光束的一維光束陣列。在回波接收端,接收鏡接收到的回波光信號,直接耦合進入1×100的光纖陣列中,實現(xiàn)了激光信號的高精度收發(fā)。3)基于100通道Si APD單光子探測器,并結(jié)合100通道TCSPC數(shù)據(jù)采集模塊以及二維掃描平臺,完成了 100光束光子計數(shù)激光成像。系統(tǒng)單次可以采集較大幅寬,通過掃描的方法,可以快速獲得目標表面距離信息的密集點云,提高了成像系統(tǒng)的工作效率。最終,實現(xiàn)了公里級探測量程,厘米級距離測量精度的激光三維成像。2.發(fā)展正弦門低通濾波InGaAs/InPAPD單光子探測技術(shù),實現(xiàn)了 1.5GHz門控高速單光子探測器,并將其應用于啁啾脈沖調(diào)制激光測距系統(tǒng)中。1)正弦門低通濾波方案,通過高速正弦門來實現(xiàn)對APD雪崩狀態(tài)的快速抑制和恢復,并根據(jù)門信號引起的尖峰噪聲信號和雪崩信號在頻域上的差異,借助于合適的低通濾波器,即可從尖峰噪聲信號中提取出有效的雪崩信號。基于該方案,我們實現(xiàn)了 1.5GHz正弦門控的InGaAs/InPAPD的單光子探測器,其有效探測門寬約為200Ps,死時間約為6.4ns,可以完成"準連續(xù)"工作的高速單光子探測。2)啁啾脈沖調(diào)制激光測距系統(tǒng)中,啁啾脈沖調(diào)制信號的調(diào)制帶寬決定了系統(tǒng)的測距精度。通過減小單光子探測器的死時間的方法可以提高調(diào)制帶寬,進而改善系統(tǒng)的測距精度�；�1.5GHz正弦門控的InGaAs/InPAPD的單光子探測器,啁啾脈沖調(diào)制信號的調(diào)制帶寬可以達到200MHz以上,同時保持30dB的頻譜信噪比,系統(tǒng)的測距精度優(yōu)于0.12m。3.完成了實用小型化Si APD單光子探測器研制,并將其應用于266nm激光成像,結(jié)合時間相關單光子計數(shù)器(TCSPC),實現(xiàn)了日光下的日盲紫外激光成像。單光子探測器在266nm波段的探測效率約為3%。由于大氣層的強烈吸收作用,在地面上幾乎不存在日盲紫外波段的太陽輻射,系統(tǒng)可以在日光下正常工作,實現(xiàn)了全天時的激光三維成像。
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN958.98;TN249

【參考文獻】

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本文編號：1281678