基于SiPM的高精度激光测距技术研究
发布时间：2022-12-22 20:17
脉冲式激光测距技术具有探测距离远、测量精度高、探测速度快、抗干扰性好、隐蔽性好、方向性好等特色,被应用与星载、机载、车载等不同场合。硅光电倍增管（Silicon Photo Multiplier,SiPM）作为一种新型的高速光电探测器件,与传统探测器对比,具有偏压低、探测灵敏度高、增益高、温度敏感性低、对磁场不敏感等优势,适用于脉冲式激光测距系统中的回波探测。基于脉冲式激光测距系统的实际应用需求及SiPM用于回波探测的优势,本论文设计了一套基于SiPM的高精度脉冲式激光测距系统。围绕基于SiPM的高精度脉冲式激光测距系统,文中介绍并比较了几种常用激光测距方法,分析了脉冲式激光测距技术的优势。介绍并分析了SiPM探测器的工作原理、特性、指标等,实验验证了SiPM的探测性能。对基于SiPM的高精度激光测距系统最大测程、探测概率与虚警概率、信噪比、系统精度等性能做了具体地分析。对比分析了不同的时间测量方法,介绍了TDC7201时间测量芯片的原理及工作方式,对基于TDC7201的时间测量模块进行软硬件设计,并对该模块的测量范围、测量精度、线性度、多回波探测等性能进行了实验验证。搭建了基于SiP...
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 引言
1.1 研究背景及意义
1.2 激光测距方法概述及研究现状
1.2.1 激光测距方法简介
1.2.2 激光测距技术国内外发展现状
1.3 SiPM国内外研究现状
1.4 本文主要研究内容及章节安排
第2章 SiPM的回波探测特性研究
2.1 常用光电探测器简介
2.1.1 光电探测器性能参数
2.1.2 PMT简介
2.1.3 APD简介
2.2 SiPM探测器原理及性能
2.2.1 SPAD
2.2.2 SiPM基本结构及工作模式
2.2.3 SiPM光子探测原理
2.2.4 SiPM特性分析
2.2.5 SiPM与APD、PMT性能对比
2.3 SiPM用于回波探测的优势分析
2.4 本章小结
第3章 基于SiPM的高精度激光测距系统设计
3.1 基于SiPM的高精度激光测距系统介绍
3.2 基于SiPM的高精度激光测距系统性能分析
3.2.1 系统最大测程分析
3.2.2 探测概率和虚警概率
3.2.3 信噪比
3.3 基于SiPM的高精度激光测距系统的误差分析
3.3.1 脉冲式激光测距系统误差
3.3.2 脉冲式激光测距随机误差
3.4 本章小结
第4章 基于TDC7201的时间测量模块设计
4.1 时间测量方法简介
4.1.1 基本时间测量方法
4.1.2 传输线延时法的实现方式及对比
4.2 TDC7201简介
4.2.1 TDC7201内部结构
4.2.2 TDC7201的工作
4.2.3 TDC7201其他特性
4.3 基于TDC7201的时间测量模块硬件设计
4.3.1 模块整体介绍
4.3.2 信号调理单元
4.3.3 主控部分
4.3.4 TDC7201部分
4.3.5 D/A转换
4.3.6 电压转换电路
4.4 基于TDC7201的时间测量模块软件设计
4.4.1 模块主程序设计流程
4.4.2 基于AD5667R的串口通信介绍
4.4.3 AD5667R的控制子程序
4.4.4 基于TDC7201的串口通信介绍
4.4.5 TDC7201的通信及上位机通信子程序
4.5 本章小结
第5章 基于SiPM的高精度激光测距系统实验与分析
5.1 SiPM探测性能测试
5.2 信号调理与时间测量模块测试
5.2.1 信号调理电路测试
5.2.2 晶振对时间测量影响的测试与分析
5.2.3 时间测量单元性能测试
5.3 系统整体性能测试与分析
5.3.1 激光测距测试系统介绍
5.3.2 系统精度及线性度测试
5.4 本章小结
第6章 结论与展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]资源三号02星激光测高仪在轨几何检校与试验验证[J]. 唐新明,谢俊峰,付兴科,莫凡,李少宁,窦显辉. 测绘学报. 2017(06)
[2]基于温度补偿的多通道MPPC增益稳定性及一致性研究[J]. 方灿,衡月昆,梁静静,阮向东,赵子荀,何舒杨,陈晓辉,雷祥翠,吴智,王小状,蔡力,徐美杭,罗凤娇,刘术林,钱森,闫保军,杨玉真,杨露萍. 核电子学与探测技术. 2015(06)
[3]PET应用中的硅光电倍增器研究[J]. 陈宗德,王玥,李晨晖,陈文飞,杨茹,梁琨,韩德俊. 原子能科学技术. 2014(S1)
[4]嫦娥三号探测器的技术设计与成就[J]. 孙泽洲,张廷新,张熇,贾阳,张洪华,陈建新,吴学英,申振荣. 中国科学:技术科学. 2014(04)
[5]硅光电倍增器件（SiPM）的自动增益校正[J]. 范鹏,许天鹏,王石,刘亚强,马天予. 核电子学与探测技术. 2013(01)
[6]激光测距技术探究[J]. 李秀华,庄新,宋立明. 长春工程学院学报(自然科学版). 2012(04)
[7]盖革模式雪崩光电二极管光子计数探测原理研究[J]. 王弟男,陈长青,王挺峰. 激光与光电子学进展. 2012(12)
[8]线性调频连续波激光测距仪原理及性能分析[J]. 陈峰,张晓永,尚生华. 计测技术. 2012(04)
[9]相位式激光测距仿真系统的设计与实现[J]. 孙英,张珂殊. 计算机仿真. 2012(01)
[10]基于二分束的三角法激光测距研究[J]. 张灵宝,祝华. 机电工程. 2010(12)
博士论文
[1]基于MPPC探测器的高分辨率小动物PET成像系统研究[D]. 于行健.浙江大学 2016
[2]用于TOF-PET的SiPM阵列探测器读出电路研究[D]. 朱雪洲.清华大学 2016
[3]大动态范围高精度激光测距关键技术研究[D]. 程鹏飞.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
[4]基于SiPM阵列的激光水下三维成像技术研究[D]. 聂瑞杰.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[5]机载激光雷达点云数据滤波算法的研究与应用[D]. 周晓明.解放军信息工程大学 2011
[6]基于Si PM光子计数器的激光主动探测技术研究[D]. 赵帅.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
硕士论文
[1]无人机LiDAR在山洪灾害调查中的关键技术及应用[D]. 胡小青.东华理工大学 2016
[2]高精度激光动态测试技术研究[D]. 叶道焕.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2016
[3]SiPM光子探测性能分析及高精度多光子探测研究[D]. 陈义拴.陕西师范大学 2016
[4]基于SiPM的高速多光子检测系统研究[D]. 张天琪.陕西师范大学 2015
[5]激光大足印高速回波信息数字化提取与验证技术[D]. 蓝晓萍.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2015
[6]星载脉冲激光雷达变频测距技术研究[D]. 邓全.西安电子科技大学 2014
[7]基于SiPM测量的表面污染仪的研制[D]. 苏折.哈尔滨工程大学 2014
[8]基于TDC-GP2的便携式脉冲激光测距仪研究[D]. 朱志忠.长春理工大学 2012
[9]脉冲式半导体激光测距仪的设计[D]. 乔晓峰.南京农业大学 2010
本文编号：3723973
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 引言
1.1 研究背景及意义
1.2 激光测距方法概述及研究现状
1.2.1 激光测距方法简介
1.2.2 激光测距技术国内外发展现状
1.3 SiPM国内外研究现状
1.4 本文主要研究内容及章节安排
第2章 SiPM的回波探测特性研究
2.1 常用光电探测器简介
2.1.1 光电探测器性能参数
2.1.2 PMT简介
2.1.3 APD简介
2.2 SiPM探测器原理及性能
2.2.1 SPAD
2.2.2 SiPM基本结构及工作模式
2.2.3 SiPM光子探测原理
2.2.4 SiPM特性分析
2.2.5 SiPM与APD、PMT性能对比
2.3 SiPM用于回波探测的优势分析
2.4 本章小结
第3章 基于SiPM的高精度激光测距系统设计
3.1 基于SiPM的高精度激光测距系统介绍
3.2 基于SiPM的高精度激光测距系统性能分析
3.2.1 系统最大测程分析
3.2.2 探测概率和虚警概率
3.2.3 信噪比
3.3 基于SiPM的高精度激光测距系统的误差分析
3.3.1 脉冲式激光测距系统误差
3.3.2 脉冲式激光测距随机误差
3.4 本章小结
第4章 基于TDC7201的时间测量模块设计
4.1 时间测量方法简介
4.1.1 基本时间测量方法
4.1.2 传输线延时法的实现方式及对比
4.2 TDC7201简介
4.2.1 TDC7201内部结构
4.2.2 TDC7201的工作
4.2.3 TDC7201其他特性
4.3 基于TDC7201的时间测量模块硬件设计
4.3.1 模块整体介绍
4.3.2 信号调理单元
4.3.3 主控部分
4.3.4 TDC7201部分
4.3.5 D/A转换
4.3.6 电压转换电路
4.4 基于TDC7201的时间测量模块软件设计
4.4.1 模块主程序设计流程
4.4.2 基于AD5667R的串口通信介绍
4.4.3 AD5667R的控制子程序
4.4.4 基于TDC7201的串口通信介绍
4.4.5 TDC7201的通信及上位机通信子程序
4.5 本章小结
第5章 基于SiPM的高精度激光测距系统实验与分析
5.1 SiPM探测性能测试
5.2 信号调理与时间测量模块测试
5.2.1 信号调理电路测试
5.2.2 晶振对时间测量影响的测试与分析
5.2.3 时间测量单元性能测试
5.3 系统整体性能测试与分析
5.3.1 激光测距测试系统介绍
5.3.2 系统精度及线性度测试
5.4 本章小结
第6章 结论与展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]资源三号02星激光测高仪在轨几何检校与试验验证[J]. 唐新明,谢俊峰,付兴科,莫凡,李少宁,窦显辉. 测绘学报. 2017(06)
[2]基于温度补偿的多通道MPPC增益稳定性及一致性研究[J]. 方灿,衡月昆,梁静静,阮向东,赵子荀,何舒杨,陈晓辉,雷祥翠,吴智,王小状,蔡力,徐美杭,罗凤娇,刘术林,钱森,闫保军,杨玉真,杨露萍. 核电子学与探测技术. 2015(06)
[3]PET应用中的硅光电倍增器研究[J]. 陈宗德,王玥,李晨晖,陈文飞,杨茹,梁琨,韩德俊. 原子能科学技术. 2014(S1)
[4]嫦娥三号探测器的技术设计与成就[J]. 孙泽洲,张廷新,张熇,贾阳,张洪华,陈建新,吴学英,申振荣. 中国科学:技术科学. 2014(04)
[5]硅光电倍增器件（SiPM）的自动增益校正[J]. 范鹏,许天鹏,王石,刘亚强,马天予. 核电子学与探测技术. 2013(01)
[6]激光测距技术探究[J]. 李秀华,庄新,宋立明. 长春工程学院学报(自然科学版). 2012(04)
[7]盖革模式雪崩光电二极管光子计数探测原理研究[J]. 王弟男,陈长青,王挺峰. 激光与光电子学进展. 2012(12)
[8]线性调频连续波激光测距仪原理及性能分析[J]. 陈峰,张晓永,尚生华. 计测技术. 2012(04)
[9]相位式激光测距仿真系统的设计与实现[J]. 孙英,张珂殊. 计算机仿真. 2012(01)
[10]基于二分束的三角法激光测距研究[J]. 张灵宝,祝华. 机电工程. 2010(12)
博士论文
[1]基于MPPC探测器的高分辨率小动物PET成像系统研究[D]. 于行健.浙江大学 2016
[2]用于TOF-PET的SiPM阵列探测器读出电路研究[D]. 朱雪洲.清华大学 2016
[3]大动态范围高精度激光测距关键技术研究[D]. 程鹏飞.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
[4]基于SiPM阵列的激光水下三维成像技术研究[D]. 聂瑞杰.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[5]机载激光雷达点云数据滤波算法的研究与应用[D]. 周晓明.解放军信息工程大学 2011
[6]基于Si PM光子计数器的激光主动探测技术研究[D]. 赵帅.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
硕士论文
[1]无人机LiDAR在山洪灾害调查中的关键技术及应用[D]. 胡小青.东华理工大学 2016
[2]高精度激光动态测试技术研究[D]. 叶道焕.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2016
[3]SiPM光子探测性能分析及高精度多光子探测研究[D]. 陈义拴.陕西师范大学 2016
[4]基于SiPM的高速多光子检测系统研究[D]. 张天琪.陕西师范大学 2015
[5]激光大足印高速回波信息数字化提取与验证技术[D]. 蓝晓萍.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2015
[6]星载脉冲激光雷达变频测距技术研究[D]. 邓全.西安电子科技大学 2014
[7]基于SiPM测量的表面污染仪的研制[D]. 苏折.哈尔滨工程大学 2014
[8]基于TDC-GP2的便携式脉冲激光测距仪研究[D]. 朱志忠.长春理工大学 2012
[9]脉冲式半导体激光测距仪的设计[D]. 乔晓峰.南京农业大学 2010
本文编号：3723973
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