采样时间对光子计数图像的影响

夜暗环境下,为了弥补人眼在能量、光谱和分辨能力等方面的局限性,利用雪崩光电二极管作为探测元件构建了光子计数成像平台。借助该平台设置环境照度为10-4lx,采样时间分别取10 ms、2.6 ms和780μs,探测到了目标采样点的光子数,从而得到了三组反映目标特征的光子计数图像序列。根据对探测目标判断的程度,应用多帧累加处理方法,可以在保证成像平台具有较高帧频的条件下,选择合适的累加帧数以实现对目标不同等级的探测。     

光子计数三维成像激光雷达的分析与实验

对于直接探测三维成像激光雷达,采用光子计数探测器可以响应单光子水平的目标回波,从而大大提高探测效率。研究的光子计数三维成像激光雷达采用盖革模式雪崩光电二极管（APD）作为探测器。首先分析了回波光子探测模型,并根据此模型讨论了激光雷达探测概率和测距模式。在理论分析的基础上,设计了一套光子计数三维成像激光雷达系统,对一些选定目标进行了测距和三维成像实验,并对实验结果进行了分析。     

光子计数成像原理及其应用

20世纪80年代发展起来的光子计数成像系统有极高的灵敏度,原理上可探测单个光子及其空间位置,因此可以探测到极弱的光子图像。随着微光像增强技术和弱光成像器件的发展,光子计数成像技术近年来发展很快并日趋成熟,光子计数成像在军事、天文学、物理学、化学、生物学、量子电子学等领域得到了广泛应用。介绍了光子计数成像的原理、技术特点及其应用。     

基于盖革APD阵列的光子计数三维成像

基于盖革APD阵列的激光主动探测系统具有较高的灵敏度、空间分辨率和测距精度,在遥感探测、目标识别等领域具有广泛的应用前景。受探测模式、噪声等因素影响,盖革APD阵列需要大量累积光子探测来实现高精度成像。针对该问题,基于目前国内规模最大的InGaAs盖革APD阵列,搭建了1 064 nm激光探测实验装置,对室外600 m外目标进行了成像。通过分析光子计数物理过程,建立了目标反射率与距离的极大似然估计。结合自然图像稀疏的先验知识,采用正则化图像重构方法,改善了累积光子数较少情况下的成像精度。通过对比,验证了正则化图像重构方法能够抑制光子数涨落引起的参数估计偏差,提升了成像质量。     

基于APD阵列的单光子计数成像研究

简要介绍了雪崩光电二极管(APD)阵列光子计数成像原理,建立了基于泊松点过程的APD阵列的单光子响应模型.将由光子数、像素点相关组成的目标图形作为激励源加入到APD阵列的单光子响应模型中去,采用蒙特卡洛仿真方法得到多次门控信号下的目标图像.仿真结果与相同照度下的微光图像的比较证明,采用APD阵列进行光子计数被动成像具有灵敏度高、响应速度快的特点,可以广泛地应用到多个科研领域.但是由于器件恢复时间的限制,该项技术目前还只能应用于主动成像和极微弱光照度条件下的被动成像.     

基于光子计数的关联成像实验研究

利用光纤分束器和N个单光子探测器,提出了一种微弱光探测下的单脉冲光子计数方案。将该光子计数方案与关联成像原理结合,搭建了一套光子计数探测模式下的关联成像实验平台。实验研究了微弱光探测条件下光子计数的动态范围对关联成像质量的影响,分析并探讨了基于光子计数的关联成像需进一步深入研究的问题。     

Vernier阳极探测器及其电子读出电路的设计

介绍基于一维游标阳极的紫外单光子计数成像探测系统及其信号预处理电路的原理,重点设计和制作了一维游标阳极探测器的前端电子读出电路,用以探测脉宽100~200 ms,电荷量为1~20 pc的脉冲。通过使用自己实验室搭建的单光子计数成像系统对电子读出电路进行了测试。测试结果表明,电子读出电路能够满足探测系统的成像要求,并在实验中利用电路对掩膜板成像,成功获得了灰度图像。     

空间碎片天基光子计数激光探测研究

为了满足空间碎片探测与精确定轨的需求,采用光子计数的高灵敏激光探测方法,讨论了盖革模式下雪崩二极管探测器的光子计数探测基本原理,并建立了引入探测器与空间碎片的相对径向速度的天基光子计数探测模型,进行了空间碎片光子计数激光探测的理论分析和仿真验证。结果表明,在可探测速度范围内,光子计数激光探测技术能有效探测到尺寸为10cm的空间碎片目标,测距平均误差为34.72cm。与传统地基雷达和光电探测手段相比,此技术测距精度能提高3个数量级,可有效降低航天器与空间目标碰撞的概率。     

成像制导中的红外图像分割算法

采用凝视焦平面阵列(FPA)的红外成像制导技术以其优越的性能在空空导弹中得到了广泛的应用.由于空中飞机目标表面各部位的温度不同,使得红外成像探测装置获得的目标图像的不同部位存在着较大的灰度差异,这给正确分割出目标带来了很大的困难.针对飞机目标红外图像的特点和成像制导技术中图像分割的目的,文中提出了一种有利于目标特征点识别的图像分割算法,它首先对目标红外图像进行阈值分割,然后选取合适的结构元素并利用数学形态学的并行性特点对目标内部的空洞区域进行填充,最后得到比较精确的分割图像,这种分割结果对基于灰度连续性的目标特征点识别算法非常有利.     

基于MPPC阵列的三维单光子成像技术研究

三维成像技术在自动驾驶、航空任务、军事领域等都有着广泛的应用,不同技术体制的成像系统有不同的优点,其中基于多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter, MPPC)的三维成像技术由于其成像速度快、对极弱光敏感等优势具有广阔的发展潜力。然而,由于MPPC阵列发展不成熟,基于MPPC阵列的弱光三维成像探测水平受到限制。利用日本滨松公司研发的具有32×32规模的MPPC阵列S15013系列二维光子计数图像传感器,开发了一套三维成像系统,传感器的每个像素由12个单光子雪崩二极管并联而成,其总探测像素达到1 K以上。基于该系统,分析了阈值电压、镜头光阑等参数条件对三维成像探测结果的影响,对系统探测灵敏度和精度进行了测试,并针对37 m远模拟目标开展了三维成像探测试验。试验结果表明:在回波光子数约1.98 (光子/像素)的暗弱条件下,目标区域测距精度达到0.268 m,三维结构特征明显,达到了接近单光子成像的探测水平。     

基于EMCCD 的光子计数成像方法与实验

讨论了在复杂背景条件下采用EMCCD 实现光子计数成像的处理策略,提出了一种双重阈值滤波方法并通过实验验证了其有效性。根据EMCCD 的成像模型,将EMCCD 的输出图像表示为光子事件、偏置噪声和伪光子噪声事件的集合。通过采集多幅EMCCD 的输出图像,将光子事件检测问题转化为标准的二元假设检测问题。利用贝叶斯判决,可以得到光子事件检测的最佳检测法则,使光子事件的误判代价达到最小,从而检测出光子事件及其空间分布特征。通过实验对比可以发现:提出的方法明显优于普通的累加积分方法,适合生物微光检测等超低照度条件下的成像领域。     

光子累计方法在成像激光雷达中的应用研究

介绍了一套自行研制的采用光子计数探测的1064nm激光雷达系统。理论分析了光子计数探测技术和信噪比的改善．实验研究了改善信噪比的脉冲累计方法。给出了光子累计脉冲与信噪比之间的平方根关系,以及不同距离下的探测结果。另外,讨论了光子累计在两种成像方式下,相同参数的数值模拟和比较。结果表明：采用大发射光束和光子累积方法进行探测的信噪比,比单光束、大光强和逐行扫描方式的探测在理论上要好些。即探测概率高。     

基于日盲紫外成像探测器的光子计数算法研究

为了完成对日盲紫外电晕信号的定量分析,本文设计了基于时间域的弥散圆斑光子计数算法来对成像系统所采集的图像进行量化分析.首先阐述了单光子探测的原理以及光子计数原理;然后设计了基于日盲紫外ICMOS的成像探测系统,为了满足荧光屏的余晖响应,优化了CMOS驱动,使得帧频可达390 fps;然后通过分析传统的连通域光子计数算法...     

全光纤转动拉曼激光雷达光电探测系统设计

针对全光纤转动拉曼激光雷达系统的极微弱光探 测问题,以光电倍增管(PMT)为核心,设计了 一款光子计数的光电探测系统。通过阻抗匹配技术对单光子脉冲进行整形以提高单光子脉冲 稳 定性和甄别计数可靠性,微分法测试脉冲高度分布以优化选择PMT工作高压、甄 别阈 值电平等工作参数,改善光电探测系统信噪比(SNR);以泊 松点过程的脉冲堆积非线性分析模型为 基础,搭建可精确改变相对光强的实验测试系统,测试脉冲堆积效应的作用类型和有效死时 间并进行合理非线性校正以提高其线性度。实验结果表明,设计的光电探测系统可有效探 测光子计 数率低于140MHz的微弱光信号且线性度优于1.0%,提出的优化和实验方案对此类光电探测系统具有重要的借鉴意义。     

基于SiC APD的日盲紫外单光子计数读出电路设计与应用

针对宽禁带半导体SiC APD紫外单光子探测器,本文提出了一种1×8线阵型单光子计数读出电路.根据光强条件并通过合适的时序控制,可选取固定门控或互补门控探测方式,实现宽动态范围紫外光子信号的探测计数.读出电路采用TSMC 0.18μm CMOS工艺制备,测试结果表明,读出电路具备单光子探测功能,性能与仿真分析预期结果吻合.最终,借助微动系统二维转台完成对日盲紫外单波长光子的探测与成像,实现对多个独立紫外光源的准确区分与目标定位.     

温度对碲锌镉光子计数探测器计数性能的影响及机理研究

基于线阵光子计数探测器模块，实现了碲锌镉探测器的光子计数应用。研究了大剂量X射线下碲锌镉探测器的计数性能，发现碲锌镉光子计数探测器根据其典型计数性能可分为两类:C1，C2。分析了这两类典型的光子计数探测器的计数性能与X射线能谱响应特性、前放脉冲信号上升时间以及碲锌镉探测器缺陷水平的内在联系，在此基础上研究了温度对C2类碲锌镉光子计数探测器计数性能的影响规律，升高温度可以抑制探测器的极化失效，提高计数率，且当温度升高至33℃时，探测器计数性能可得到显著改善。最后利用线阵光子计数探测器模块，获得了不同温度下C2类碲锌镉光子计数探测器的多能区成像结果，升高温度可以显著增加其图像衬度，提高成像质量。该研究为通过控制外部条件提高碲锌镉光子计数探测器性能提供了有效手段。     

单光子测距系统仿真及精度分析

单光子探测器和时间相关单光子计数技术（TCSPC）被广泛运用于脉冲式激光测距及三维成像系统中。分析影响探测精度的因素有助于提高测距系统的性能。为此,建立了基于TCSPC单光子测距系统的理论模型,讨论分析了影响测距系统测量精度的因素,主要包括激光脉冲强度和回波信号统计波形的脉宽,其中后者由激光脉宽和探测器的时间抖动决定。并且利用蒙特卡洛法对测距系统的探测过程进行仿真,得到了上述因素对测量精度的具体影响情况。最后搭建了单光子测距的实验室实验系统,经过实验在10 m处的测量精度达到4 mm,对相同参数下的仿真结果进行了验证。