面向激光雷达应用的单光子探测技术研究
发布时间：2022-02-23 06:49
激光雷达作为一种重要的遥感手段,具有方向性强、分辨率高等特点,广泛地应用在人工智能、大气科学、环境监控等领域。其中,1.5 μm激光雷达具有人眼安全、大气透过率高、太阳背景辐射弱等优势,特别适合地表附近人员密集的应用场合,比如远距离单光子三维成像、城市污染监控、机场风速测量等;240～280 nm的中紫外激光雷达具有日盲的特点和较强的瑞利散射,可以用于飞行器尾焰探测和平流层大气风场的探测等应用。激光雷达出射的激光传播到较远距离的时候,对接收望远镜张开的立体角迅速减小,并且由于大气的吸收和散射,能量逐渐降低,导致远距离处的回波信号非常微弱。使用单光子探测器接收激光雷达回波信号可以显著提高信噪比、提升探测距离,同时降低激光雷达对激光能量和望远镜口径的需求,有利于雷达系统向小型化和集成化发展。然而,目前较为成熟的商用硅单光子探测器对1.5 μm和中紫外的光子没有响应。1.5μm激光雷达和中紫外激光雷达的发展迫切需求实用化、高性能、高集成度的单光子探测器的诞生。在此背景下,本文围绕面向激光雷达应用的近红外和中紫外单光子探测技术进行了如下研究:在近红外单光子探测方向,本文作者研制了基于InGaA...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 激光雷达简介
1.1.1 三维成像激光雷达
1.1.2 大气激光雷达
1.2 面向激光雷达应用的单光子探测器简介
1.2.1 1.5μm单光子探测器
1.2.2 紫外单光子探测器
1.3 本文研究内容
第二章 自由运行模式光子探测器设计
2.1 自由运行模式单光子探测器读出电路
2.2 低噪声InGaAs/InP自由运行模式单光子探测器设计
2.2.1 读出电路
2.2.2 温控系统
2.2.3 偏压控制
2.2.4 硬件逻辑
2.2.5 整机设计
2.3 4H-SiC自由运行模式单光子探测器设计
2.3.1 读出电路
2.3.2 整机设计
第三章 自由运行模式单光子探测器性能测试
3.1 自由运行模式单光子探测器性能指标
3.1.1 单光子探测效率
3.1.2 暗计数率
3.1.3 后脉冲概率
3.1.4 最大计数率
3.1.5 时间抖动
3.2 InGaAs/InP自由运行模式单光子探测器性能标定
3.2.1 单模光纤耦合的单光子探测器标定光路设计
3.2.2 多模光纤耦合的单光子探测器标定光路设计
3.2.3 电子学系统设计
3.2.4 数据分析方法
3.2.5 性能测试结果
3.3 4H-SiC自由运行模式单光子探测器性能标定
3.3.1 标定光路设计
3.3.2 电子学系统设计
3.3.3 性能测试结果
第四章 1.5μm单光子气溶胶激光雷达
4.1 高精度1.5μm气溶胶激光雷达的实验验证
4.2 1.5μm气溶胶激光雷达的实际应用
4.2.1 云探测激光雷达
4.2.2 无人机载偏振激光雷达
第五章 远距离单光子三维成像激光雷达
5.1 小型化超低噪声InGaAs/InP自由运行模式单光子探测器
5.1.1 热声制冷机简介
5.1.2 基于热声制冷机的小型化单光子探测器设计
5.2 高精度时间数字转换器
5.2.1 精密时间测量技术简介
5.2.2 Cyclone Ⅳ FPGA内的延迟链设计
5.2.3 基于Cyclone Ⅳ FPGA的进位链时钟内插TDC设计
5.3 远距离单光子三维成像实验
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]Single-photon computational 3D imaging at 45 km[J]. ZHENG-PING LI,XIN HUANG,YUAN CAO,BIN WANG,YU-HUAI LI,WEIJIE JIN,CHAO YU,JUN ZHANG,Q1IANG ZHANG,CHENG-ZHI PENG,FEIHU XU,JIAN-WEI PAN. Photonics Research. 2020(09)
[2]32×32面阵InGaAs Gm-APD激光主动成像实验[J]. 孙剑峰,姜鹏,张秀川,周鑫,付宏明,高新江,王骐. 红外与激光工程. 2016(12)
博士论文
[1]远距离单光子三维成像的技术研究[D]. 黎正平.中国科学技术大学 2020
[2]基于1.5μm单光子探测的机载偏振激光雷达[D]. 裘家伟.中国科学技术大学 2020
本文编号：3641091
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 激光雷达简介
1.1.1 三维成像激光雷达
1.1.2 大气激光雷达
1.2 面向激光雷达应用的单光子探测器简介
1.2.1 1.5μm单光子探测器
1.2.2 紫外单光子探测器
1.3 本文研究内容
第二章 自由运行模式光子探测器设计
2.1 自由运行模式单光子探测器读出电路
2.2 低噪声InGaAs/InP自由运行模式单光子探测器设计
2.2.1 读出电路
2.2.2 温控系统
2.2.3 偏压控制
2.2.4 硬件逻辑
2.2.5 整机设计
2.3 4H-SiC自由运行模式单光子探测器设计
2.3.1 读出电路
2.3.2 整机设计
第三章 自由运行模式单光子探测器性能测试
3.1 自由运行模式单光子探测器性能指标
3.1.1 单光子探测效率
3.1.2 暗计数率
3.1.3 后脉冲概率
3.1.4 最大计数率
3.1.5 时间抖动
3.2 InGaAs/InP自由运行模式单光子探测器性能标定
3.2.1 单模光纤耦合的单光子探测器标定光路设计
3.2.2 多模光纤耦合的单光子探测器标定光路设计
3.2.3 电子学系统设计
3.2.4 数据分析方法
3.2.5 性能测试结果
3.3 4H-SiC自由运行模式单光子探测器性能标定
3.3.1 标定光路设计
3.3.2 电子学系统设计
3.3.3 性能测试结果
第四章 1.5μm单光子气溶胶激光雷达
4.1 高精度1.5μm气溶胶激光雷达的实验验证
4.2 1.5μm气溶胶激光雷达的实际应用
4.2.1 云探测激光雷达
4.2.2 无人机载偏振激光雷达
第五章 远距离单光子三维成像激光雷达
5.1 小型化超低噪声InGaAs/InP自由运行模式单光子探测器
5.1.1 热声制冷机简介
5.1.2 基于热声制冷机的小型化单光子探测器设计
5.2 高精度时间数字转换器
5.2.1 精密时间测量技术简介
5.2.2 Cyclone Ⅳ FPGA内的延迟链设计
5.2.3 基于Cyclone Ⅳ FPGA的进位链时钟内插TDC设计
5.3 远距离单光子三维成像实验
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]Single-photon computational 3D imaging at 45 km[J]. ZHENG-PING LI,XIN HUANG,YUAN CAO,BIN WANG,YU-HUAI LI,WEIJIE JIN,CHAO YU,JUN ZHANG,Q1IANG ZHANG,CHENG-ZHI PENG,FEIHU XU,JIAN-WEI PAN. Photonics Research. 2020(09)
[2]32×32面阵InGaAs Gm-APD激光主动成像实验[J]. 孙剑峰,姜鹏,张秀川,周鑫,付宏明,高新江,王骐. 红外与激光工程. 2016(12)
博士论文
[1]远距离单光子三维成像的技术研究[D]. 黎正平.中国科学技术大学 2020
[2]基于1.5μm单光子探测的机载偏振激光雷达[D]. 裘家伟.中国科学技术大学 2020
本文编号：3641091
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