基于连续测量光子到达时间的单光子反射率和深度成像系统
发布时间：2021-01-24 07:03
单光子计数激光雷达包括一个高重复率脉冲式激光器和一个具有单光子灵敏度的单光子探测器。通过计算激光回波信号中的光子数并测量光子的飞行时间,恢复远距离物体表面的反射强度和深度。时间相关单光子计数（Time-Correlated Single-Photon Counting,TCSPC）是一种极弱光信号探测的技术。将单光子计数激光雷达系统和TCSPC技术相结合,可极大地提高探测灵敏度,从而允许使用较低功率的半导体激光器进行远距离检测,尤其是在大气环境下对远距离物体的探测和机载遥感等对重量,大小和体积有严格限制的场景中有重要应用。本文将单光子计数激光雷达系统和TCSPC技术相结合,设计了一个基于连续测量光子到达时间的单光子反射率和深度成像系统。主要研究内容及成果如下:（1）搭建了 一种基于连续测量光子到达时间的单光子反射率和深度成像系统。提出在一个扫描位置上连续测量且具有共同起点的光子到达时间测量的方法。激光脉冲的数量由自主研制的现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）控制模块计算为到达光子的粗时间。最近的激光脉冲和到达光子之间的时间间隔由TCS...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．３相位式激光测距的工作原理??虽然相位式激光测距系统的精确度比脉冲式激光测距系统高，但相位式激??光测距系统适用于短距离的实验，并且实验时间长，需要复杂的电路作为控制模??
ＳＰＣＭ?－??］ｕ?５０％?／??｜?ｆ??Ｓ?３０％?—?????／?一一????????＼???—??１咖一７－?Ｘ一??１－?一?—．：」广??０％?１?－－．．????－—．?．Ｉ?—?－－－－?????－?－?－???－?－－－－－?－??３００?４００?５００?６００?７００?８００?９００?１０００?１１００??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图２．４单光子探测器的量子效益－波长曲线图??本系统的单光子探测器的型号为ＥＸＣＥＬＩＴＡＳ?ＳＰＣＭ－ＡＱＲＨ－１４－ＦＣ３２４９７，??该ＳＰＡＤ的光敏面积的直径为１８０陣、量子效率在７００ｎｍ时接近７０％，如图２．４??所示。单光子时间分辨率为３５０ｐｓ，波长的响应范围为４００ｎｍ－】０６０ｎｍ、暗计数??率低于ｌＯＯｃｐｓ、死时间为２２ｎｓ、探测器时间抖动为ｌ－４ｎｓ。因为激光器发射出来??的激光光斑直径为２ｍｍ，而ＳＰＡＤ的光敏面积的直径为１８０Ｍｍ，为了使接收光??１１??
第２章基于连续测量光子到达时间的单光子反射率和深度成像系统的设计??路的回波激光光斑完全入射至单光子探测器中，本文采用了两种方案。方案一：??在ＰＢＳ立方体与单光子探测器之间加了一个平凸透镜，将激光光斑聚焦为１８０ｐｍ??左右；方案二：通过直径为２ｍｍ的光纤耦合器将回波激光光斑完全入射至单光??子探测器中。经过成像实验得知，两个方案都使得系统接收到的有效光子数增加??了，但采用了方案一的系统接收到的背景噪声增加的更多了，使得物体淹没在背??景噪声中，导致物体重建失败。综上所述本系统选择采用方案二，故选择的ＳＰＡＤ??是带有用于光纤尾纤的ＦＣ／ＰＣ适配器的单光子探测器。??２．２．３扫描系统??基于连续测量光子到达时间的单光子反射率和深度成像系统对物体的识别??有两种方式，分别为单点扫描成像和面阵器件成像。对于面阵器件成像系统的核??心器件是空间分辨探测器，如ＣＣＤ相机、多阳极微通道板阵列和雪崩光电二极??管阵列等。对于空间分辨探测器，由于工艺非常复杂、性能不稳定、成本高，所??以导致空间分辨探测器的分辨率仍然相对较低，并且处于科研阶段。故本文的系??统采用单点扫描成像的方式，并选择比声光扫描、电光扫描和微机电扫描更加成??熟的机械扫描方式。??Ｚ＼??、＼??－?Ｙ－Ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ??（〇，〇，〇）??：ｖ??Ｘ－Ｇａｌｖａｎｏｎｉｅｔｅｒ??图２．５二维振镜扫描（摘自文献［５７］）??本系统的扫描系统采用二维振镜，型号是索雷博公司的ＧＶＳ００２，光谱范围??１２??
【参考文献】：
期刊论文
[1]小型化高分辨率激光雷达条纹管探测器的研制[J]. 迟晨,唐家业,王葵,董光焰,韩文杰. 光电子技术. 2019(02)
[2]超导纳米线单光子探测技术进展[J]. 尤立星. 中国科学:信息科学. 2014(03)
[3]机载激光遥感成像的激光回波波形数字化技术[J]. 胡以华,王建宇,薛永祺. 遥感学报. 2001(02)
博士论文
[1]高精度低成本激光振镜扫描3D视觉系统关键技术研究[D]. 曲杨.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]基于时间相关单光子计数的成像技术[D]. 段雪洁.西安电子科技大学 2017
[2]光子计数激光三维成像系统设计和实现[D]. 司马博羽.南京理工大学 2013
[3]基于时间相关单光子计数技术的激光测距实验研究[D]. 王瀚基.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：2996811
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．３相位式激光测距的工作原理??虽然相位式激光测距系统的精确度比脉冲式激光测距系统高，但相位式激??光测距系统适用于短距离的实验，并且实验时间长，需要复杂的电路作为控制模??
ＳＰＣＭ?－??］ｕ?５０％?／??｜?ｆ??Ｓ?３０％?—?????／?一一????????＼???—??１咖一７－?Ｘ一??１－?一?—．：」广??０％?１?－－．．????－—．?．Ｉ?—?－－－－?????－?－?－???－?－－－－－?－??３００?４００?５００?６００?７００?８００?９００?１０００?１１００??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图２．４单光子探测器的量子效益－波长曲线图??本系统的单光子探测器的型号为ＥＸＣＥＬＩＴＡＳ?ＳＰＣＭ－ＡＱＲＨ－１４－ＦＣ３２４９７，??该ＳＰＡＤ的光敏面积的直径为１８０陣、量子效率在７００ｎｍ时接近７０％，如图２．４??所示。单光子时间分辨率为３５０ｐｓ，波长的响应范围为４００ｎｍ－】０６０ｎｍ、暗计数??率低于ｌＯＯｃｐｓ、死时间为２２ｎｓ、探测器时间抖动为ｌ－４ｎｓ。因为激光器发射出来??的激光光斑直径为２ｍｍ，而ＳＰＡＤ的光敏面积的直径为１８０Ｍｍ，为了使接收光??１１??
第２章基于连续测量光子到达时间的单光子反射率和深度成像系统的设计??路的回波激光光斑完全入射至单光子探测器中，本文采用了两种方案。方案一：??在ＰＢＳ立方体与单光子探测器之间加了一个平凸透镜，将激光光斑聚焦为１８０ｐｍ??左右；方案二：通过直径为２ｍｍ的光纤耦合器将回波激光光斑完全入射至单光??子探测器中。经过成像实验得知，两个方案都使得系统接收到的有效光子数增加??了，但采用了方案一的系统接收到的背景噪声增加的更多了，使得物体淹没在背??景噪声中，导致物体重建失败。综上所述本系统选择采用方案二，故选择的ＳＰＡＤ??是带有用于光纤尾纤的ＦＣ／ＰＣ适配器的单光子探测器。??２．２．３扫描系统??基于连续测量光子到达时间的单光子反射率和深度成像系统对物体的识别??有两种方式，分别为单点扫描成像和面阵器件成像。对于面阵器件成像系统的核??心器件是空间分辨探测器，如ＣＣＤ相机、多阳极微通道板阵列和雪崩光电二极??管阵列等。对于空间分辨探测器，由于工艺非常复杂、性能不稳定、成本高，所??以导致空间分辨探测器的分辨率仍然相对较低，并且处于科研阶段。故本文的系??统采用单点扫描成像的方式，并选择比声光扫描、电光扫描和微机电扫描更加成??熟的机械扫描方式。??Ｚ＼??、＼??－?Ｙ－Ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ??（〇，〇，〇）??：ｖ??Ｘ－Ｇａｌｖａｎｏｎｉｅｔｅｒ??图２．５二维振镜扫描（摘自文献［５７］）??本系统的扫描系统采用二维振镜，型号是索雷博公司的ＧＶＳ００２，光谱范围??１２??
【参考文献】：
期刊论文
[1]小型化高分辨率激光雷达条纹管探测器的研制[J]. 迟晨,唐家业,王葵,董光焰,韩文杰. 光电子技术. 2019(02)
[2]超导纳米线单光子探测技术进展[J]. 尤立星. 中国科学:信息科学. 2014(03)
[3]机载激光遥感成像的激光回波波形数字化技术[J]. 胡以华,王建宇,薛永祺. 遥感学报. 2001(02)
博士论文
[1]高精度低成本激光振镜扫描3D视觉系统关键技术研究[D]. 曲杨.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]基于时间相关单光子计数的成像技术[D]. 段雪洁.西安电子科技大学 2017
[2]光子计数激光三维成像系统设计和实现[D]. 司马博羽.南京理工大学 2013
[3]基于时间相关单光子计数技术的激光测距实验研究[D]. 王瀚基.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：2996811
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