32×32面阵InGaAs Gm-APD激光主动成像实验

近十年来,由于盖革模式APD焦平面探测器在探测灵敏度、空间分辨率和距离分辨率等方面的优势,使得面阵APD激光主动成像技术成为国际上的研究热点。考虑到大气传输特性,InGaAs材料或者HgCdTe材料的面阵APD探测器成为研制首选。在国内自研InGaAs材料的3232像元Gm-APD基础上,搭建了一套1 570 nm激光主动成像实验平台,在成像帧频1 kHz、单脉冲能量2 mJ条件下,获得了外场3.9 km目标的轮廓像,在720 m处能获得目标的清晰表面结构距离像。通过该外场实验,证实了国内自研的面阵Gm-APD探测器性能良好,能够演示外场激光主动成像功能。实验结果表明,1 570 nm面阵APD激光成像雷达成像性能良好,能够实现远距离目标遥感探测,为未来实际应用奠定了良好的研究基础。     

同步扫描水下激光成像系统主要光学参数的理论分析

本文介绍了距离选通和同步扫描两种水下激光成像技术发展现状。从理论上计算了同步扫描系统的信号光和后向散射光传回到探测器端的辐照度与衰减长度的定量关系。减小视场角和增大光源到探测器的间隔可提高成像距离。一般水质下成像距离理论值约１２倍衰减长度。     

提高激光主动成像系统性能的匹配设计

光学系统及探测器的极限分辨率是影响激光主动成像系统分辨能力的主要因素,系统调制传递函数(MTF)是表征系统性能的重要指标。为了提高激光主动成像系统成像分辨率和MTF,分析了接收光学系统和探测器尺寸间的相互匹配关系,给出了光学系统参数的设计步骤,并对匹配条件和设计方法进行了实验验证。     

基于APD面阵探测器的非扫描激光主动成像雷达

为了获得目标区域的高精度3-D距离图像,采用自研带读出电路的雪崩光电二极管（APD）面阵探测器组件,研制了一台非扫描激光主动成像雷达。雷达采用波长1.064μm脉冲激光泛光照射目标区域,APD面阵探测器组件接收目标漫反射激光回波信号,经信息处理获得目标区域3-D距离图像,对典型目标开展了3-D成像实验研究。结果表明,所研制的非扫描激光主动成像雷达可获得较好的目标区域3-D距离图像,成像距离达1.2km,距离分辨率为0.45m,成像帧频为20Hz。基于APD面阵探测器组件的非扫描激光主动成像雷达技术取得突破。     

激光主动侦察作用距离的研究

基于猫眼效应的激光主动侦察技术有效地结合了激光技术、成像传感技术和微弱目标的信息处理技术,可实现对远距离微弱目标的主动探测和识别,是光电对抗领域的一项重要技术,其中作用距离是侦察系统的主要参量之一。为了评估激光主动侦察系统的作用距离,以猫眼目标的光学窗口所反射的激光回波功率为基础,分析了影响作用距离的因素,建立了最大作用距离的数学物理模型,数值模拟了发射激光峰值功率、发射激光束散角、大气能见度、探测器灵敏度以及等效反射面离焦量对最大作用距离的影响。结果表明,通过减小发射激光束散角,提高探测器灵敏度可以有效提高系统的作用距离;为满足不同情况的天气需求,可选择不同波长的激光光源。这一结果可用于指导激光主动侦察的系统设计或者作为衡量系统性能的标准。     

光电成像系统“猫眼效应”目标回波特征研究北大核心CSCD

针对基于“猫眼效应”的激光主动探测技术在光电对抗中的广泛应用,对激光主动照明光源波长,被探测光电成像系统“猫眼效应”及探测系统最大探测距离之间的关系进行了分析研究,修正了与入射波长相关的反光指数模型及最大探测距离数学模型,并模拟了入射波长与最大探测距离间的数值关系。为了验证建立的数学模型的正确性,利用已研制的激光主动探测装置,选用焦距可调的光电成像传感器,进行了光电成像系统实焦与虚焦时最大探测距离验证实验,模拟值分别为1445 m与1751 m,实验值分别达到1230 m与1632 m。结果表明:实焦与虚焦时最大探测距离模拟值与实验值有很好的一致性。     

水下激光成像及主要参数的理论计算

利用双流辐射理论，导出了信号光辐射照度的表达式。从理论上计算了同步扫描系统的信号光和后向散射光传到探测器的辐照度与衰减长度的定量关系。减小视场角和增大光源到探测器的距离可增成像距离。     

基于漫反射探测的全向激光告警性能分析

为了通过对基于漫反射探测的全向激光告警系统性能的分析,进而达到对系统性能优化的目的,采用理论推导和实验分析的方法,讨论了普通鱼眼镜头的成像规律,得出了系统所使用的鱼眼镜头的成像规律。推导了全向激光告警系统中探测器接收到的漫反射信号功率公式,讨论了鱼眼系统像面照度均匀性,分析了系统中CCD成像特性,得出光斑成像像素个数的公式。采用针对不同成像像素数,得出不同CCD成像面上单像素所探测到的光斑功率公式的方法。得到了不同传输距离时,光斑成像的像素数与探测器距光斑距离d的关系图;不同的能见度条件下探测器所探测到的单个像素功率与传输距离R的关系图;以及在能见度和传输距离一定的条件下,探测器单个像素功率随距离d的变化图。研究结果对于基于漫反射探测的全向激光告警系统设计和研制,优化系统性能具有重要帮助。     

成像探测相干激光雷达技术研究进展

相干激光雷达采用激光本振相干探测并通过平衡探测器实现混频和共模抑制，具有探测灵敏度高、抗干扰能力强的优点。文中阐述了相干探测体制激光雷达的优势和技术特点，介绍了基于单元探测器/面阵探测器开展的合成孔径激光雷达(SAL)、逆合成孔径激光雷达(ISAL)研究进展，讨论了相干激光雷达波形选择、偏振选择、信号处理方法、扩束下的作用距离方程和探测性能、探测器形式和系统灵敏度等问题，在此基础上进一步分析了基于衍射光学系统的激光雷达的特点和激光/红外复合成像探测的需求，并展望了相干激光雷达的应用前景。     

激光主动成像系统目标图像质量评价参数研究

图像质量评价是研究激光主动成像探测系统成像性能的重要内容,文中从图像的噪声、灰度和纹理等方面对距离选通激光主动成像目标图像进行了量化评价。通过深入研究主动成像图像的特点,建立了信噪比、亮度、对比度和清晰度等评价函数的参数模型,并给出了实验结果和分析。结果表明,这些参数能够对激光主动成像图像进行客观的评价,并且计算简单,具有显著性和独立性的特点。     

激光复合探测技术研究

激光复合相关探测技术是提高激光探测系统性能的有效手段。通过分析两种激光告警模式——单元探测器和成像传感器的特点,单元探测器型的灵敏度高,反应时间短,而成像型是定位精度高;明显的不足是前者定位精度低,而后者灵敏度较低,反应时间较长。对此,探索结合两种模式相结合的复合探测技术,保持两者原有的优点的同时,尽可能地克服彼此的不足,达到扬长避短,优势互补的目的。通过实验验证了该方法能有效提高系统探测性能,这对激光探测告警系统设计和优化具有指导意义。     

基于InGaAs单光子探测器的线阵扫描激光雷达及其光子信号处理技术研究

随着探测体系的发展,基于单光子探测技术的光子计数激光雷达受到了广泛关注,有效降低了系统对激光功率的需求,广泛应用在远距离测距及成像领域。针对激光雷达在人眼安全波段的工作需求,基于自由运转模式InGaAs/InP SPAD单光子探测器设计了一套多元收发的远程线阵光子计数激光雷达扫描成像原型系统,对探测器在日光背景下的探测概率影响因素展开了分析,配合主动淬灭电路设计及工作温度、偏压调整获得了系统的最佳工作点,并针对扫描视场中孤立目标特征采用了点云滤波及后脉冲预处理算法,将单个接收通道的原始数据率由200 kbps量级降低至小于1 kbps。与记录单次回波相比,单个测距周期记录四次回波可将有效数据量提升约5%。同时也对探测器的噪声及后脉冲等特性进行了分析。该系统工作波段为1 550 nm,探测器线阵规模可达到128元,激光重频为20 kHz,可在2 s内实现水平200°范围内的激光三维成像,作用距离>3 km。经过成像算法处理,该系统在日光条件下成功实现多距离目标三维成像,成像目标清晰。     

激光导引头四象限探测器偏差信号特性研究

为了分析四象限探测器偏差信号对激光导引头探测定位精度的影响,在激光导引头四象限探测器探测定位原理的基础上,采用计算机建模仿真的方法,研究了入射光斑大小、分划线宽度和背景光强度对四象限探测器偏差信号的影响。结果表明,入射光斑变大,四象限探测器的灵敏度会变低,动态跟踪范围变大;分划线宽度在探测器串扰允许的范围内越窄越好;背景光降低了四象限探测器的灵敏度。该研究结果有助于提高激光导引头四象限探测器探测定位精度。     

象限探测器放大组件带宽设计方法研究

为了提高激光导引头探测灵敏度,采用数值仿真的方式,拟合出了象限探测器放大组件带宽与激光导引头探测灵敏度的关系曲线,并定量分析了导引照射激光的脉冲宽度对象限探测器放大组件带宽设计的影响.提出象限探测器放大组件带宽设计方法,以某型激光导引头为例,对该方法的有效性进行了实验验证.结果表明,象限探测器放大组件带宽设计方法可有效...     

采用多像素光子计数器的探测率与虚警率

为了完善多像素光子计数器（MPPC）在激光测距和激光雷达等方面应用的理论基础,对MPPC作为激光测距或激光雷达光探测器的探测率与虚警率进行了系统研究,运用泊松理论提出了基于MPPC的探测率与虚警率模型,推导了相应的解析表达式,并进行了数值分析,发现了一些传统探测器不存在的有趣特性。数值结果显示,利用多像素光子计数器作为激光测距的光接收器时,即使不使用门控（选通）技术,仅仅依靠等效光电子数探测阈值调节技术就可以达到实际应用中激光测距的系统要求。其灵敏度可达到光子量级,并能进行光子数分辨。该模型和结果对于促进MPPC在激光测距和激光雷达方面的应用,实现高灵敏度快速探测有一定的理论和实用价值。     

裂像镜在激光测距机离焦检测中的应用

为了减小探测器离焦问题对激光测距系统的影响,设计了一种基于裂像镜的主动型测距机探测器装调系统。首先,分析了裂像镜的成像原理,并对其检测精度进行了理论分析,构建了裂像离焦数学模型;其次,针对影响检测的误差因素,给出了不同取值下的误差曲线,得到了检测精度影响的变化趋势;最后,设计完成理论样机并进行实验验证。实验结果表明:理论样机在离焦量为0~6 mm时,检测精度可以达到0.07 mm, 较为接近理想值,且离焦量越小离焦检测精度越高,符合装调测量习惯。该离焦检测系统为非成像型光电探测器装调提供了一种新方法,能够进一步提高激光测距系统的测量精度。     

用PIN探测器进行激光雷达参考光检测

可靠准确的参考光检测是提高直接测距型激光主动成像系统测距精度的关键因素之一,对基于PIN探测器的参考光检测电路设计进行了深入研究。首先,对比分析了雪崩光电二极管（APD）和PIN光电二极管性能及其供电电路的难度。综合考虑参考光功率稳定特性及参考光光路设计难度,选择PIN探测器进行激光雷达参考光检测。详细分析了高压集成芯片LT3482作为常规电源和利用电流监测模式驱动PIN探测器时的差别。选择高增益带宽积跨阻放大器OPA657N实现PIN探测器电流电压转换,对其关键外围元件参数的选取进行了详细分析。同时介绍了超高速比较器MAX9601的应用注意事项。最后,设计了电路板并进行实验验证。结果表明:对脉冲为10 ns的激光光源,当PIN探测器施加89.449 V的偏置电压时,其输出电流信号经跨阻放大器后电压幅值达到-3.7 V,可保证起始信号可靠检出,但脉冲展宽为15 ns。整个模块可有效给出参考光对应的计时起始信号。基于集成高压芯片驱动的PIN探测器配合恒定阈值时刻鉴别方法在直接测距型激光主动成像系统参考光检测中是切实可行的。     

基于盖革APD阵列的微扫描激光成像技术

盖革APD阵列探测的激光成像雷达具有高灵敏度、高帧频、宽视场、坚固、体积小等优点,成为了激光成像雷达发展的趋势。但目前APD阵列像元填充比低,器件阵列少,无法满足高分辨率激光成像的要求。为了解决该问题文中提出采用激光点阵发射的方法与APD阵列像元一一对应,采用拼接技术提高成像分辨率,采用微扫描技术提高激光成像视场。通过构建实验系统,完成了室外试验,成像效果良好,使用现有APD探测器（3232）将系统空间分辨率提高了四倍（6464）,提高了激光三维成像能力。     

Corrugated Quantum-Well Infrared Photodetector Focal Plane Arrays

Corrugated quantum-well infrared photodetectors (C-QWIPs) have been proposed for long-wavelength infrared detection. In this work, we optimize the detector structure and produce a number of large format focal plane arrays (FPAs). Specifically, we adopt one-corrugation-per-pixel geometry to increase the active detector volume and incorporate a composite cover layer to preserve the large sidewall reflectivity, which results in a large detector quantum efficiency. We also optimize the detector material structure such as the final state energy, the doping density, and the number of quantum well periods to improve the FPA operation under the existing readout electronics. As a result, high FPA sensitivity has been achieved, and their characteristics are in agreement with the detector model. Based on this model, we perform a systematic analysis on the FPA performance with a wide range of detector and system parameters. We find that C-QWIP FPAs are capable of high-speed imaging especially for those with longer cutoff wavelengths.