基于FP标准具滤光的单光子探测激光测距研究

发布时间：2020-08-08 19:28

【摘要】：激光测距仪由于测量精度高、量程大,受到了广泛的应用。单光子探测激光测距是一种飞行时间激光测距技术,采用单光子探测器,可以探测单光子水平的回波信号,通过采用时间相关单光子符合计数方法,其探测灵敏度可以提升至量子极限。单光子探测激光测距技术不仅可以大幅降低激光功率,提升激光测距系统的眼安全性能,而且可以突破当前的激光功率瓶颈,延长测量距离。相比于传统的基于线性光电探测的激光测距方法,单光子探测激光测距系统易受背景光干扰,在白天强背景光环境中,单光子探测器易饱和、甚至损坏。所以,全天时工作是单光子探测激光测距走向实用的一项关键的技术难题。本文针对白天单光子探测激光测距的技术难点,提出一种基于FP标准具滤光的单光子探测激光测距方法。采用窄带干涉滤光片和超窄线宽的FP标准具组成二级滤光,结合空间小孔滤光,有效抑制背景光;同时,利用压电陶瓷偏转台驱动FP标准具,通过调节入射光与FP标准具之间的夹角,调节FP标准具的中心透过波长,使其与激光波长锁定,实现高透过率的超窄带滤光。实验中,在532nm波段,利用FP标准具实现了10pm线宽的超窄带滤光,并且通过计数反馈控制,保持激光回波一直处于最大透过率。基于该滤光系统,采用PMT单光子探测器,实现白天激光测距。当阳光照度为1.1×10~4lx时,系统的背景光噪声计数被抑制到9.0×10~5counts/s,探测距离为1.4km时,测距信噪比达到16dB。本文发展的偏转调节方法,可以快速将FP标准具锁定在激光波长上,为全天时单光子探测激光测距提供了一种有效的背景光抑制方法。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN249
【图文】：

水下成像

高空间分辨率、远距离、和夜视能力的激光三维成像雷达是和远程目标识别重要利器。这些重要应用需求对激光成像雷达的重积有严格的限制，所以，需要借助单光子探测器高灵敏特性，大幅系统性能，发展出小型化、远距离、高速率等优异性能的激光三维13 年，Buller 小组设计同轴扫描光路，采用两个扫描振镜实现了光束快速扫描，基于 InGaAs APD 单光子探测器，实现了 1550nmm 的激光三维成像[38]。2015 年，Buller 小组基于 TCSPC 技术实现探测激光成像实验[39]。目标物被放置在 110L 的水箱，分别使用和 585nm 激光通过衰减系数为 0.2 和 1.2 水，累计时间为 100ms， 1.7m 处的一个塑料转接头完成了激光扫描成像，空间分辨率达到过数据处理还原得到了水下成像还原图，如图 1-1 所示。

地形,强度,单光子探测,激光成像

已经集成于单光子探测相机，应用于 FLIM 测量。美学林肯实验室研制出 256×256 像素 Si APD 单光子阵列[41]，基于工艺线，该器件主要针对激光成像应用。日本丰田中央研发实验×96 像素 SiAPD 单光子探测阵列[42]，180nm CMOS 工艺线，设计间数字转换（TDC）芯片，应用于激光成像。ica 公司近年推出了单光子激光雷达系统 SPL100，工作距离小于采用 10×10 光束，每个光束重复频率最高为 60kHz，使得每秒总脉M，在商用系统里面，这是首款采用单光子探测的激光雷达，得到迄今最高的点云探测速率[43]。2015 年，美国马里兰大学研究组采达实现了大范围树木冠层测量研究[44]，该激光雷达利用 10×10 单 PMT 阵列，类似于光子数可分辨探测[45]，对于单个激光脉冲的回多个回波峰，并且具备小于 100 个光子计数的强度分辨力。

激光三角测距法,三角关系,目标物体,平面几何

冲法、干涉法、相位法和三角法[51-52]是常见脉冲飞行时间激光测距与其他几种激光测了其测距原理。法测程范围小，测量工作中要保持测量激光有精密的导轨，由于使用条件的严苛，导致于短距离高精度的激光测距，例如：能够精线度等参数。距法对连续激光进行幅度调制，获得光强随调制光往返被测距离所产生的相位延迟来求高，相对误差保持在 10-6以内，适用于短距有效的反射信号，被测目标需要是合作的。

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