光子计数激光脉冲探测应用技术研究

论文摘要

激光脉冲探测是激光雷达和激光通信应用中一项关键的共性技术,提高激光脉冲探测灵敏度是提升系统性能的重要研究方向。将单光子探测技术应用于激光脉冲探测,可以将系统的探测灵敏度提升至单光子或少光子水平,为激光雷达和通信等方面的发展开拓出新的技术潜力。但是,单光子探测器在激光脉冲探测应用中存在许多技术瓶颈,主要原因是这些应用最早基于线性光电探测发展而来,其光电信号输出与入射光强呈线性关系,具有较大的光强动态范围,可设置合理的阈值抑制背景噪声、甄别信号,而通常的单光子探测器只有“有”或“无”两个光子态输出,不仅容易因强背景光而饱和或损坏,而且无法通过强度识别信号。本文针对这个问题,发展高速和多通道单光子探测技术以及快速甄别信号的时间关联光子计数分析方法,形成适用于激光雷达和通信应用的光子计数激光脉冲探测技术,并且完成了实验验证。论文的主要创新点如下:1.兆赫兹重频光子计数激光脉冲探测技术。首先,针对1.5μm眼安全波段InGaAs/InP APD单光子探测器探测速率低等技术瓶颈,采用吉赫兹正弦门控探测技术,将探测速率提高近2个数量级;其次,采用10 MHz重复频率的激光脉冲,发展多重频光子计数分析方法,将非模糊距离提高2个数量级,达到165 km,解决快速时间相关单光子符合计数与测距量程之间的矛盾;最后,采用2 MHz重复频率的激光脉冲,发展光子计数全波形分析方法,不仅提高了测距精度,而且获得了回波脉冲的空间垂直分布、幅度、脉宽和强度等信息,从而获得目标表面的特征情况,实现不同目标物的辨识和分类。基于该项技术,本文在青海湖实现了21 km和32 km光子计数激光测距实验。2.光子数分辨激光脉冲探测技术。本文发展多通道单光子探测器复用的光子数分辨探测技术,增加单光子探测器强度动态范围,通过光子数态分析,设置光子数阈值,有效抑制背景噪声干扰,实现单脉冲光子信号甄别。基于该项技术,本文开展了1.2 km全天时自由空间激光通信实验,在6 Mcps高背景噪声计数下,有效识别光子脉冲信号,通信成码效率达到99.5%。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 第一章 前言
•   1.1 光子计数激光脉冲探测核心器件—单光子探测器
•   1.2 时间相关单光子符合计数方法
•   1.3 激光脉冲探测的应用领域和发展趋势
•     1.3.1 远距离激光测距
•     1.3.2 激光雷达
•     1.3.3 自由空间激光通信
•     1.3.4 激光脉冲探测的发展趋势
•   1.4 论文的选题意义、创新点
•   1.5 论文的主要内容
• 第二章 光子计数激光脉冲探测技术
•   2.1 盖革模式APD单光子探测技术
•     2.1.1 盖革模式APD探测原理
•     2.1.2 盖革模式APD驱动电路
•     2.1.3 吉赫兹正弦门控InGaAs/InPAPD单光子探测器
•     2.1.4 多通道SiAPD单光子探测器
•   2.2 光子计数分析方法
•     2.2.1 基于TCSPC的多重复频率复用方法
•     2.2.2 基于TCSPC的全波形分析方法
•     2.2.3 光子数分辨探测方法
•   2.3 光子计数的噪声抑制方法
•     2.3.1 背景噪声抑制
•     2.3.2 饱和噪声抑制
•   2.4 小结
• 第三章 光子计数激光脉冲探测在远距离激光测距中的应用
•   3.1 激光测距的工作原理
•   3.2 多重复频率复用的的脉冲激光测距方案
•     3.2.1 激光测距系统的距离模糊
•     3.2.2 国内外的模糊距离解决方案
•   3.3 光子计数激光测距的实验装置
•     3.3.1 550nm激光的优势
•     3.3.2 激光器的驱动电路
•     3.3.3 光子计数激光测距实验装置
•   3.4 上海市11km测距
•   3.5 青海湖32km测距
•   3.6 机载扫描测距样机
•   3.7 小结
• 第四章 光子计数激光脉冲探测在全波形激光雷达中的应用
•   4.1 光子计数的全波形激光雷达
•   4.2 雷达方程的理论分析
•   4.3 计数全波形激光雷达实验
•     4.3.1 实验装置图
•     4.3.2 实验结果与分析
•   4.4 小结
• 第五章 光子计数激光脉冲探测在自由空间激光通信中的应用
•   5.1 自由空间激光通信
•   5.2 成码效率的公式推导及数据模拟
•   5.3 子计数自由空间激光通信实验
•     5.3.1 实验装置图
•     5.3.2 实验结果与分析
•   5.4 小结
• 第六章 总结和展望
•   6.1 论文工作总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 博士期间的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杜秉乘

导师: 吴光

关键词: 单光子探测,激光脉冲探测,时间相关单光子符合计数,激光测距,全波形激光雷达,自由空间激光通信

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 华东师范大学

分类号: TN249

总页数: 104

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