1030 nm单光子探测激光雷达技术

1μm波段单光子探测激光雷达因大气透过率高、背景噪声低、红外隐蔽性好、激光脉冲能量高,在远距离激光测距和成像方向极具发展前景。然而,传统的1064nm激光器缺少对应的高性能的单光子探测器,成为1μm波段单光子探测激光雷达的发展瓶颈。盖革Si APD单光子探测器(Si SPAD)具有优异的探测性能,但是其在1064nm波长的探测效率极低。针对这个激光器与探测器的矛盾,本文研究1030nm波长单光子探测激光雷达技术,Si SPAD在1030nm的探测效率是1064nm的29倍,相同条件的单光子探测激光雷达探测距离提升678。另外,本文搭建双棱镜光束扫描装置,演示了1030nm波长的单光子三维成像。     

全天时单光子激光雷达技术进展与系统评价

单光子激光雷达(又称光子计数激光雷达)具有单光子量级的探测灵敏度,相比于传统的线性探测激光雷达,能够获得更远的探测距离,已经成为激光雷达探测技术的前沿和发展趋势。然而,极高的探测灵敏度也使单光子激光雷达在探测中极易受到背景噪声光子的干扰,这在很大程度上降低了其在白天工作的性能,也极大地限制了其适用范围。文中从单光子激光雷达的探测原理出发,简要回顾了其技术发展,分析了全天时工作对单光子激光雷达探测系统的需求,在此基础上,采用一种新型的光谱滤波技术,极大地提升了单光子激光雷达在白天的探测性能。同时,还提出了一种普适性的评价模型,能够极为直观地对各种激光雷达系统的探测性能进行评价。     

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。     

人眼安全激光器探测温室气体

意大利比萨国家材料物理研究院器和米兰理工大学的研究者发展了一种1．93μm人眼安全激光器。据研究者说，在85nm的调谐范围，这种激光器应用于激光雷达和差分吸收雷达系统和监测大气中气体如水蒸气、臭氧、CO2、NO2是理想的。     

面向ICESat-2单光子激光雷达的陆地目标测距误差分析

单光子激光雷达所获取的光子事件存在随机分布的特点,使得其激光测距值出现不确定性,从而降低了单光子激光雷达的测距精度。在不减小采样分辨率的情况下,采用累积邻近多光斑的光子事件来构建光子累积直方图,并基于反算的目标响应函数的时间重心来确定激光测距值。针对ICESat-2单光子激光雷达,以测距均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）为性能指标,构建出一种综合考虑陆地地形、累积光斑数目和回波光子数等多因素对其测距误差影响的评估方法。同时,选取ICESat-2过境美国犹他州西瓦利城的某观测条带的随机地形数据进行验证分析。结果表明,所提出的激光测距值解算方法能够使该条带的测距RMSE值由114.25 cm降低到63.84 cm,MAE值由70.97 cm降低到48.52 cm,均优于ICESat-2数据产品提供的137.96 cm RMSE值和97.24 cm MAE值,这对提升单光子激光雷达在陆地区域的测距精度具有一定的借鉴作用。     

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。     

高速近红外1550nm单光子探测器

高速近红外1 550 nm单光子探测器采用半导体制冷和热管风冷混合技术,雪崩二极管工作于盖革模式下,使用交流耦合方式提供门脉冲信号,通过延迟补偿和采样边沿锁存方式消除尖脉冲干扰,采用反馈门控减小后脉冲的影响。采用了ECL(Emitter Couple Logic)与TTL(Transistor-TransistorLogic)混合电子技术提高单光子探测系统的运行频率,其频率可大于10 MHz;另外,通过对雪崩信号的放大来提高信号的动态范围,进一步优化探测器的性能。实验测试与分析表明,探测器在时钟频率10 MHz、温度-62℃、门脉冲宽度8 ns的条件下的最优性能参数为:量子探测效率12.8%,暗计数率3.76×10-6ns-1,噪声等效功率8.68×10-19W/Hz1/2。     

三维成像激光雷达线阵探测模式分析

以三维成像激光雷达对地面车辆目标探测为应用背景,采用线阵光电探测器并行接收的新体制来提高对目标成像的速度和实时性。按照对目标照射的激光辐射形式,总结出两种线阵探测模式：一种是激光多束发射模式,另一种是激光泛光发射模式。对这两种模式的机理、实现方式及优缺点进行了分析,并分别建立了两种模式下的激光雷达探测方程。采用信噪比和测距精度来分析两种模式的探测和测距性能。分别推导出了两种模式下信噪比与距离,发射功率与距离的关系表达式并进行了仿真。仿真结果表明,在相同距离和发射功率下,激光多束发射模式的回波信噪比更高;在相同距离和测距精度下,激光泛光发射模式需采用更高的发射功率。     

水下微脉冲激光雷达单光子测距技术研究

在水下测距中,回波强度不足以在探测器输出端形成完整的回波波形。本文提出运用微脉冲激光雷达体制,对于单光子进行探测,利用Poission分布概率检测原理可检测出回波出现的位置,并结合水下测距系统进行一系列仿真计算和实验,收到良好效果,研究有助于大幅提高激光水下测距雷达的测距能力。     

单狭缝条纹管激光雷达的成像

介绍了一种新型激光三维成像方法,该方法用条纹管作为成像系统的接收端,使激光三维成像雷达具有高帧频、大视场角的特点.理论上介绍了该方法的成像原理,用实验验证了它对远距离目标的成像能力.建立了一套条纹管激光成像的演示系统,测定了系统中的关键参数,获得了室内、室外特定目标的条纹像.证实了这种条纹管激光三维成像方法的可行性.并对完善该套成像系统提出了自己的见解.     

线阵扫描三维成像激光雷达系统

针对小型智能机动平台对三维成像激光雷达小型化、低功耗、高精度、快速成像的特定应用要求,基于集成激光器阵列和APD探测阵列设计并实现了12元线阵扫描三维成像激光雷达系统;基于高速数字处理芯片和高精度时间间隔测量芯片实现了并行高精度激光脉冲飞行时间测量和实时数据处理和传输。详细描述了系统原理、组成部分以及实验结果。实验验证该系统激光脉冲重复频率大于10 kHz,垂直方向激光单元角度间隔小于2.5 mrad,近距离距离分辨率优于2.4 cm,测量数据统计标准差小于1,各通道一致性良好。在高速水平扫描转动平台驱动下实现了室内三维场景重构以及高塔大视场远距离目标探测成像实验。     

激光雷达距离高分辨多普勒成像技术研究进展及关键技术

激光雷达距离高分辨多普勒成像技术具有时空域分辨率高,敏感于被识别目标的距离、姿态、运动速度等信息,可实现目标微运动检测,故该项技术已成为国外军用航天领域研究的热点。本文全面地总结了激光距离高分辨和距离多普勒成像技术研究进展,并详细分析了工程应用和理路成像仿真过程中所必须解决的关键问题,指出激光距离高分辨成像的优点和难点,为进一步开展目标激光雷达成像研究奠定预先技术支持。Abstract：关键词：     

基于FPGA的100MHz近红外单光子探测器

为克服InGaAs/InP雪崩二极管(APD)光电探测器的后脉冲现象,本文提出了基于FPGA的单光子探测器(SPD)测量系统,其门控频率最高可达100MHz,门控宽度最窄可到1ns,死区时间设定为109ns,并且这些参数都易于调节且有助于减少后脉冲概率。实验结果表明:在以上门控条件并且制冷温度为218K时,探测器的有效门宽为0.79ns;在死区时间超过109ns时,后脉冲现象可忽略;最大光子探测效率(PDE)约为14%;在光子探测效率为10%时,暗计数率(DCR)约为2×10-5/ns;并具有小型化、易调节的特点。     

激光成像雷达前视成像仿真及障碍物识别方法研究

飞行器前视激光雷达通过测距得到前方三维距离像,由三维距离像可以获得飞行器前面障碍物的形状、高度、宽度等信息,从而为飞行器进行地形跟踪和障碍物回避提供依据。文中根据激光成像雷达原理,推导了激光雷达前视成像方程。在三维地形图上,由前视成像方程仿真得到激光雷达前视三维距离像。在三维距离像上提出了障碍物信息提取方法,并在三维地形图上进行了前视成像仿真实验和障碍物信息提取实验。     

用于防撞的三维毫米波雷达设计

受波束调度灵活性、接收通道数目限制,目前分集相控毫米波防撞雷达主要采用距离/方位二维扫描.由于缺乏目标高度信息,若雷达前方出现不影响载体通行的高/低目标,容易造成防撞雷达的障碍误报.针对这一问题,本文提出基于MIMO和分集相控雷达结合的天线排布和信号处理方法,实现对场景的三维检测.与二维防撞雷达相比,该方法在不增加雷达接收通道数且几乎不增加雷达尺寸的前提下能有效实现方位和俯仰的联合测角.与二维稀布接收阵雷达相比,本文设计雷达不会产生方位栅瓣,适合复杂背景下的多目标检测.     

太赫兹雷达成像技术

从体制角度论述了近几年来国内外各大主要研究机构对太赫兹雷达成像的研究情况,及其应用和未来的发展方向等.太赫兹雷达技术是一项正在蓬勃发展的技术,由于其波长与机理介于光学与微波之间,因而可以获取光学和微波所不可探测的信息.太赫兹雷达成像技术的发展为高分辨太赫兹空间遥感奠定了基础.     

基于单光子的星载激光水下目标探测深度研究

卫星对海探测具有大面积同步观测、全天时工作、不受领海领空限制等优点。为此,本文分析了卫星对海探测的激光链路损耗,构建了星载激光水下目标探测能量传输模型,探讨了基于单光子机制的星载激光对水下目标探测的极限深度。结果表明,在Ⅰ类海区,对于水下等效直径为2 m的物体,星载激光在200 km高度对水下目标探测的最大深度为212 m。因此,在中低轨道开展星载激光对深海水下目标进行探测是可能的。本文的研究工作为进一步开展星载激光深海水下目标探测提供支持。