32×32面阵InGaAs Gm-APD激光主动成像实验

近十年来,由于盖革模式APD焦平面探测器在探测灵敏度、空间分辨率和距离分辨率等方面的优势,使得面阵APD激光主动成像技术成为国际上的研究热点。考虑到大气传输特性,InGaAs材料或者HgCdTe材料的面阵APD探测器成为研制首选。在国内自研InGaAs材料的3232像元Gm-APD基础上,搭建了一套1 570 nm激光主动成像实验平台,在成像帧频1 kHz、单脉冲能量2 mJ条件下,获得了外场3.9 km目标的轮廓像,在720 m处能获得目标的清晰表面结构距离像。通过该外场实验,证实了国内自研的面阵Gm-APD探测器性能良好,能够演示外场激光主动成像功能。实验结果表明,1 570 nm面阵APD激光成像雷达成像性能良好,能够实现远距离目标遥感探测,为未来实际应用奠定了良好的研究基础。     

基于盖革模式APD阵列的非扫描激光三维成像雷达研究综述

基于盖革模式APD阵列的非扫描激光三维成像雷达发射单个脉冲即能同时获得目标的二维信息和距离信息,在军事和民用方面都有重要应用.首先简要介绍了非扫描激光三维成像雷达的优点及采用盖革模式APD阵列的优势,然后介绍了单个APD器件的工作原理及基于APD阵列的激光三维成像的工作原理,综述了国内外以盖革模式APD阵列作为探测器的激光三维成像雷达发展现状,最后总结归纳了基于盖革模式APD阵列的激光三维成像雷达的发展趋势,分析了我国未来的发展方向.     

非扫描激光主动成像系统性能分析

介绍了面阵非扫描型激光主动成像系统的原理、特点及影响其性能和成像距离的因素。对激光主动成像模型、ICCD探测器性能、灵敏度指标换算和目标识别性能进行了分析计算。依据入射辐照度和探测器辐照度灵敏度,建立了探测距离公式和入射辐照度需大于探测器辐照度灵敏度2倍的距离估算方法。采用808 nm波段激光进行的主动成像实验证明了理论分析的有效性。     

阵列分束激光三维成像技术

针对现有激光三维成像中使用的面阵APD探测器相邻像元间隔较大,导致激光利用率低从而影响探测距离的缺点,提出阵列分束激光三维成像技术。该技术对激光发射源采用液晶空间光调制器进行衍射阵列分束,将一束激光分成与阵列APD探测器相应的阵列子光束,调整激光发射子光束和阵列APD探测器的位置,使得子光束照射目标后聚焦到阵列APD探测器的像元上,提高了整束激光的利用效率。介绍了阵列分束激光三维成像技术系统组成和工作原理,提出采用液晶空间光调制器的方法实现阵列分束的方案,研制了阵列分束激光三维成像原理样机,利用研制的原理样机对采用阵列分束后的效果进行了验证。实验结果表明,采用该技术后,采用峰值功率10 kW、脉宽8 ns的激光源,填充因子2/3的88 APD,三维成像作用距离达到510 m,同等条件下与不分束相比,作用距离提升39.1%。     

基于线阵APD探测器的脉冲式一维非扫描激光雷达系统

介绍了非扫描激光雷达的原理,描述了研制的基于线阵APD雪崩光电二极管的一维非扫描激光雷达系统。该系统使用线阵APD作为探测器,红外脉冲式纳秒激光器作为探测光源,利用飞行时间法实现了目标的一维距离图像的非扫描测量。系统使用了APD多通道并行前置放大电路,并利用模拟开关控制高速继电器进行多通道轮询切换,实现了APD阵列的多通道驱动,并有效地降低了通道间的串扰。进行了多组6 ~18 m的一维距离成像实验,结果表明系统的距离分辨率优于10 cm,各通道的平均测距标准偏差约为8.6 cm。该系统的设计为将来的面阵APD二维非扫描激光雷达的研制奠定了基础。     

低慢小目标面阵推进式激光成像探测方法研究

为了解决空中低慢小目标探测存在“发现难、识别难、跟踪难”的问题,提出了一种面阵推进式激光成像探测方法。采用面阵探测器对场景选通成像,通过车载成像系统的行进来实现多帧不同场景图像的获取,并运用一种特定的距离映射关系来实现对观测场景的3维重构。以低空小型飞行物为目标,设计了成像探测系统的基本参量,并从激光二极管阵列单元、脉冲宽度与重复频率、大气衰减、信噪比和脉冲峰值功率等方面分析了成像探测系统的基本性能。结果表明,在低空范围内,面阵推进式激光成像探测方法可有效对大面积空域进行快速3维成像,缩短图像生成时间,为下一步的系统工程实现提供了理论和技术指导。     

低慢小目标面阵推进式激光成像探测方法研究

为了解决空中低慢小目标探测存在"发现难、识别难、跟踪难"的问题,提出了一种面阵推进式激光成像探测方法。采用面阵探测器对场景选通成像,通过车载成像系统的行进来实现多帧不同场景图像的获取,并运用一种特定的距离映射关系来实现对观测场景的3维重构。以低空小型飞行物为目标,设计了成像探测系统的基本参量,并从激光二极管阵列单元、脉冲宽度与重复频率、大气衰减、信噪比和脉冲峰值功率等方面分析了成像探测系统的基本性能。结果表明,在低空范围内,面阵推进式激光成像探测方法可有效对大面积空域进行快速3维成像,缩短图像生成时间,为下一步的系统工程实现提供了理论和技术指导。     

距离选通技术在运动目标激光主动成像中应用

激光主动成像系统已被广泛应用,但是大多系统都是针对静止目标,在实际应用中对运动目标成像时受到限制。文中首先阐述了针对静止目标的激光主动系统,然后分析了运动目标成像时与静止目标的不同,分析了相对运动和固定焦距的光学系统的离焦效应,构建了3种运动目标激光主动成像体制,最后,在对静止目标成像的基础上,采用红外热像仪在大视场内跟踪目标,测距机实时测量距离信息的方式,建立了基于距离选通的运动目标激光主动成像系统。实验获得了距离500 m,运动速度为5 m/s气球运动目标的图像,突破了合作目标及多点定位的限制,为进一步跟踪快速运动目标提供了借鉴,同时也对运动目标激光三维图像的获取与处理研究提供了基础。     

改进的距离选通3D成像激光雷达系统

非扫描激光雷达是激光雷达的研究热点,但能够获得距离信息的阵列探测器尚不成熟,导致非扫描激光雷达仍处于实验室阶段,限制了非扫描激光雷达的应用.现有的距离选通激光雷达成像速度慢,影响了系统的应用.基于积分型阵列探测器ICCD,设计了一种改进的距离选通3D成像激光雷达系统,实现了非扫描快速3D成像功能,并在理论和实验上对系统...     

激光3D成像系统主被动探测技术的研究进展

随着探测器件技术的进步,新概念的主/被动3D成像技术将主被动探测技术优势有机结合起来,能同时获得目标更加丰富的图像信息(如距离像、强度像、距离-角度像等),从而为正确识别和跟踪目标提供更多的决策信息,大大提高了目标识别概率和可靠性.本文首先介绍了激光3D成像系统的发展现状,重点介绍了林肯实验室研制的Gen-Ⅲ系统和美国航空航天局的自主精确着陆和危险的检测避免技术项目的3D闪光激光雷达系统,接着结合HgCdTe雪崩光电二极管(APD)器件的特点介绍了下一代激光3D成像系统主被动探测技术的发展.最后对激光3D成像系统主被动探测技术的未来应用前景进行了展望.     

一种共照射源超空间分辨率三维重建方法

受到制造工艺限制,现有的3D非扫描激光雷达APD阵列无法做到高度集成。为了提高3D非扫描激光雷达的空间分辨率,满足高分辨率空间采样需求,文中提出了一种共照射源3D激光雷达和2D探测器超空间分辨率信息获取方法。该方法使用高分辨率共照射源2D探测器对3D激光雷达进行辅助成像,将2D探测器得到的激光回波强度信息与3D激光雷达得到的目标深度信息进行数据融合,并对不同孔径的成像结果基于非相参合成孔径成像原理进行修正,实现超越3D非扫描激光雷达空间分辨率的目标三维重建。实验结果表明,该方法能够有效提高3D非扫描激光雷达的空间分辨率。     

无扫描3-D距离选通成像激光雷达实验系统

无扫描3-D距离选通成像激光雷达能有效抑制后向散射,消除距离模糊,提高系统的探测能力、成像质量和距离精确性.介绍了完全采用商用器件搭建的无扫描3-D距离选通成像激光雷达实验系统,对实验系统进行了测试,结果表明,系统在室内40 m的作用距离下,距离分辨率达到1.5 m,能够准确地获得目标形状和距离信息;在室外960 m的作用距离下,系统的距离分辨率下降到3 m,但依然能够识别出目标.最后提出了实验系统的不足之处.     

64×64 InGaAs/InP三维成像激光焦平面探测器

针对900~1 700 nm波长无扫描激光三维成像雷达的需求,研制了一种规模为6464的线性模式雪崩焦平面阵列（LM-APD-FPA）,它由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与CMOS专用读出电路（ASIC）组成。该器件采用飞行时间（TOF）测距的方式工作,APD光敏芯片将脉冲激光信号转化成脉冲光电流,读出电路对其进行放大、阈值比较后实现激光探测并在每个单元获取光脉冲的飞行时间,将其转化成二进制编码信号后串行输出。测试结果表明,6464 LM-APD-FPA有效像元最小可探测光功率值约为400 nW,时间分辨率为1 ns。用该探测器在激光雷达系统上实现了无扫描单脉冲激光三维成像,表明了线性模式激光焦平面探测器可用于激光三维成像领域。     

APD阵列单脉冲三维成像激光雷达的发展与现状

基于APD阵列的激光三维成像雷达发射单个脉冲即能获得目标的三维信息,具有重要的军事和民用价值。首先简要介绍了APD阵列的三维成像激光雷达的特点和原理,并综述了国外盖革APD阵列和线性APD阵列的发展历程和最新进展,然后对国内近年来在此方向的研究成果加以介绍,最后总结了APD阵列激光雷达的优势和发展前景,并归纳了国内外在此方向的研究趋势。     

空间目标激光雷达成像仿真技术

为了使空间目标激光雷达成像仿真尽量反应实际在轨探测状态,提出了一种适用于复杂空间目标的在轨激光雷达成像仿真流程,并强调了面积法在复杂目标成像可见判断方面的适用性。首先,阐述了空间目标激光雷达成像仿真的理论模型。然后,以空间目标上某一舱段为例,进行在轨激光雷达成像建模与仿真。结果证明:所提出的空间目标激光雷达成像仿真方法对实现空间非合作相对导航算法研究具有重要意义。     

A Highly Sensitive Multi-element HgCdTe e-APD Detector for IPDA Lidar Applications

An HgCdTe electron avalanche photodiode (e-APD) detector has been developed for lidar receivers, one application of which is integrated path differential absorption lidar measurements of such atmospheric trace gases as CO₂ and CH₄. The HgCdTe APD has a wide, visible to mid-wave-infrared, spectral response, high dynamic range, substantially improved sensitivity, and an expected improvement in operational lifetime. A demonstration sensor-chip assembly consisting of a 4.3 μm cutoff HgCdTe 4 × 4 APD detector array with 80 μm pitch pixels and a custom complementary metal–oxide–semiconductor readout integrated circuit was developed. For one typical array the APD gain was 654 at 12 V with corresponding gain normalized dark currents ranging from 1.2 fA to 3.2 fA. The 4 × 4 detector system was characterized at 77 K with a 1.55 μm wavelength, 1 μs wide, laser pulse. The measured unit gain detector photon conversion efficiency was 91.1%. At 11 V bias the mean measured APD gain at 77 K was 307.8 with σ/mean uniformity of 1.23%. The average, noise-bandwidth normalized, system noise-equivalent power (NEP) was 1.04 fW/Hz^1/2 with a σ/mean of 3.8%. The measured, electronics-limited, bandwidth of 6.8 MHz was more than adequate for 1 μs pulse detection. The system had an NEP (3 MHz) of 0.4 fW/Hz^1/2 at 12 V APD bias and a linear dynamic range close to 1000. A gain-independent quantum-limited SNR of 80% of full theoretical was indicative of a gain-independent excess noise factor very close to 1.0 and the expected APD mode quantum efficiency.