采用高速伪随机码调制和光子计数技术的光纤激光测距系统

在高速伪随机码调制和光子计数技术的激光测距系统中,将1 550 nm光纤激光器的伪随机码调制速率从622 MHz提高到1 GHz,利用光纤延时方法开展了两种调制速率下的测距实验并进行性能验证和对比。采用10阶M序列伪随机码和探测效率为10%的同一个InGaAs/InP雪崩光电二极管,入射到探测器的信号光能量均为1.9410-17 J时,得到二者的系统信噪比基本一致,但在高调制速率下系统的测距精度提高了1.58倍,基本符合理论计算结果。搭建了实际测距平台并开展基于1 GHz调试速率下的室内测距实验,当测量距离约为4.5 m的高反射目标时,得到2.1 cm的测距精度,该实验结果为室外测距实验提供了参考依据。     

基于伪随机码调制和单光子计数的光纤激光测距研究

开展了基于伪随机码调制和光子计数的1550 nm光纤激光测距技术研究,研制了一套测试实验系统。为了克服常规InGaAs单光子探测器由于抑制后脉冲而导致的探测速率低的问题,系统采用离散放大光电探测器作为单光子探测器件,单光子探测速率可达100 MHz。在室温,偏置电压53 V,伪随机码序列长度81.91μs时,系统探测灵敏度可达-83.6 dBm。在不同信号功率及伪随机码序列长度情况下,对系统性能进行了测试。在伪随机码序列长度163.83μs,信号平均功率-78.6 dBm时,系统测距精度可达12.7 cm。根据实验结果,推算出一套星载条件下的系统参数。     

基于SNSPD与SPAD探测器的激光测距系统的比较研究

通过实验比较研究了基于SNSPD与SPAD探测器的激光测距系统.实验中,当接收回波端衰减120 d B时,天空光背景可忽略,基于SPAD的激光测距系统探测概率低于0.2%,而基于SNSPD的激光测距系统探测概率达35%;当激光发射频率低于1 k Hz,基于SNSPD的激光测距系统探测概率比SPAD高60%以上.研究表明:在探测弱信号回波光子时,SNSPD的探测性能远远优于SPAD,其原因是SNSPD具有较低的暗计数和高探测概率.与此同时,在接收端无衰减情况下,天空光背景会带来暗计数,影响测距系统信噪比.通过仿真分析表明,当背景亮度L0高于30 W/(m~2·sr)时,该基于SNSPD的激光测距系统的信噪比低于6,可能影响测距系统稳定探测.     

基于不同伪随机码调制的半导体激光测距系统

针对半导体激光测距机无法同时满足小型化、远距离的要求,在半导体激光测距体制中,提出了视频积累和相关检测相结合的数字信号处理方法,在延时的方法下对不同伪随机序列的测距实验与m序列伪随机码进行对比。仿真结果表明,在相同的10 W峰值功率条件下,m序列既能保证测距精度,同时还具有更好的信噪比,这有助于提高半导体激光测距机的测距性能。     

伪随机码调制的高精度星载激光测距雷达

伪随机码调制激光测距系统通过发射高阶调制激光,实现高频率、低峰值功率探测,利用高频率探测和统计实现高信噪比,具有系统体积小、质量轻的特点,是一种适合远距离的激光雷达系统。但是测距精度与调制频率有关,以往研究中通常使用高调制频率实现高精度测量。文中研制了一台伪随机码调制的激光雷达样机,采用调制重复频率100 MHz、入瞳直径0.1 m的光学天线,通过对周期内回波信号进行高斯统计,在信噪比为5时的实验室环境下实现了0.1 m的高精度测距。通过理论和试验分析证明了通过提高时钟频率和信噪比可以有效提高测距精度。     

基于InGaAs/InP雪崩光电二极管的高速单光子探测器雪崩特性研究

报道了一种基于InGaAs/InP雪崩光电二极管、1.25 GHz正弦波门控及贝塞尔低通滤波器的1.25 GHz高速短波红外单光子探测器.通过调整比较电路的鉴别电平, 实验研究了单光子探测器雪崩信号幅度随反向直流偏压的变化.随着鉴别电平的提高, 单光子探测器的探测效率及暗计数率均呈指数衰减, 而后脉冲概率先增大到一个峰值, 然后减小.研究表明, 为获得更高的性能, 需要尽量降低单光子探测器的鉴别电平.     

基于InGaAs单光子探测器的线阵扫描激光雷达及其光子信号处理技术研究

随着探测体系的发展,基于单光子探测技术的光子计数激光雷达受到了广泛关注,有效降低了系统对激光功率的需求,广泛应用在远距离测距及成像领域。针对激光雷达在人眼安全波段的工作需求,基于自由运转模式InGaAs/InP SPAD单光子探测器设计了一套多元收发的远程线阵光子计数激光雷达扫描成像原型系统,对探测器在日光背景下的探测概率影响因素展开了分析,配合主动淬灭电路设计及工作温度、偏压调整获得了系统的最佳工作点,并针对扫描视场中孤立目标特征采用了点云滤波及后脉冲预处理算法,将单个接收通道的原始数据率由200 kbps量级降低至小于1 kbps。与记录单次回波相比,单个测距周期记录四次回波可将有效数据量提升约5%。同时也对探测器的噪声及后脉冲等特性进行了分析。该系统工作波段为1 550 nm,探测器线阵规模可达到128元,激光重频为20 kHz,可在2 s内实现水平200°范围内的激光三维成像,作用距离>3 km。经过成像算法处理,该系统在日光条件下成功实现多距离目标三维成像,成像目标清晰。     

基于单光子技术的激光测距系统几个问题的讨论

介绍了将单光子探测技术应用于激光测距的新型系统中可以采取的多种手段,如:发散角调整、距离门、光谱滤波、空间滤波等,以解决单光子探测的几个动态范围问题,并展望了系统未来的发展趋势.     

高速近红外InGaAs/InP单光子探测器设计

量子信息技术的研究中大量采用单光子作为量子 信息的载体,因此单光子探测技术成为近来研究的 热点。目前基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器(SPD)工作频率较低 且无法连续可 调。高速门控模式下,APD的容性效应会带来较强的尖峰噪声将光生雪崩信号湮没,导致探 测器的探测效 率也相对较低。为了提高单光子探测器的工作频率,降低后脉冲概率,设计了基于高速正弦 门控技术的 InGaAs/InP雪崩光电二极管淬灭-重置电路。为了抑制强大的背景噪声提高探测效率,设 计了双APD平衡 方案来提取有效雪崩信号。实验结果表明:设计的探测器工作频率连续可调;在－ 50℃、1～1.3GHz门控频率 条件下,最光子大探测效率为35%,暗计数率为4.2×10 －5/gate。探测效率为18%时 ,暗计数率仅为5.6×10－6/gate,后脉冲概率均低于5×10－6/ns。     

用于高速量子密码系统的1.25 GHz InGaAs/InP单光子探测器的研制

随着量子密码领域的快速发展,近红外单光子探测器的研究已经成为该领域的研究重点和技术制高点。报道了一种基于正弦门控与滤波技术的InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)高速单光子探测器,门控频率达到1.25GHz。在探测效率为10.3%时,暗计数概率为1.3×10-6/gate,后脉冲概率为5.6×10-5/ns。这种高速单光子探测器将大幅度提升量子密码系统的两个关键指标——密钥率和传输距离,为下一代高速量子密码系统的实用化应用奠定了基础。     

实时激光通信用自由运行InGaAs/InP单光子探测器（特邀）

为实现高速、高灵敏度、低成本的激光通信,优化改进一种新的InGaAs/InP单光子雪崩二极管(SPAD)以更好地使其应用于单个单光子探测器(SPD)探测的近红外激光通信系统。与上一代相比,优化各层结构的同时,在其中加入了介质-金属反射层并改进了双Zn扩散工艺。在1.25 GHz高频正弦门控(SWG)工作模式、225 K温度和6 V偏置下,所制备的InGaAs/InP SPAD实现了光子探测效率(PDE)为30%、暗计数率(DCR)为3 kHz和后脉冲概率(P_ap)为2.4%的单光子性能。将基于高性能SPAD制备的自由运行负反馈雪崩二极管(NFAD)作为接收机,应用到已有实时激光通信系统中,实验得到了单个NFAD的激光通信性能参数。结果表明,在使用4进制脉冲相位调制(4PPM)方案中,在1 Mbit/s比特率条件下,单个InGaAs/InP NFAD具有1.1×10^-5误码率和-69.6 dBm灵敏度。     

高精度多频调制实时激光测距系统

为了克服多频调制激光测距系统中相位检测算法复杂、实时性差、精度低的问题,提出一种距离测量方法。该方法将测距回波信号通过改进的正交计算模块得到精确的相位延迟正切值,再通过坐标旋转计算机（CORDIC）角度计算模块得到相应的角度,结合正交同相（I）和正交（Q）支路输出的符号位和相位测距解模糊算法计算出精确的距离。实验结果表明,系统测距误差与回波信号的信噪比和计算模块的字长有关,在SNR为10dB,字长为16bit时,相位精度为0.03°,距离精度为0.125mm。     

短波红外单光子探测器的发展(特邀)

InP/InGaAs短波红外单光子探测器(SPAD)是目前制备技术较为成熟且获得广泛应用的单光子探测器,通过半导体热电制冷(TEC)即可达到的工作温度(-40℃左右),具有体积小、成本低,方便安装和携带的应用优势;另外,基于常规半导体二极管的芯片制造工艺很容易实现大面阵单光子阵列,除了探测信号,还具备三维数字成像功能。国外包括美国、瑞士、意大利、韩国、日本等对InP/InGaAs SPAD进行了长期持续的研究,目前已研制出单管的货架产品,性能还在不断的优化和改进之中,其单光子探测器阵列呈现了清晰的三维成像效果,正在逐步应用。国内包括重庆光电技术研究所、中国科学院上海技术物理所、西南技术物理研究所、中国科学技术大学、云南大学等对InP/InGaAs SPAD芯片先后进行了器件设计和器件制备研究,目前单管的性能已经达到与国外报道相当的性能。国内单光子探测器阵列的研究获得了一定的进展,但芯片规模和器件性能有待提升。文中对国内外InP/InGaAs短波红外单光子探测器的发展,在设计和研制中存在的问题,以及近10年来的优化改进进行了介绍,重点介绍了高温、高速以及单光子焦平面阵列的发展,并结合新颖...     

单光子激光测距技术研究进展

随着工业的不断发展,单光子激光测距凭借其探测距离远和探测灵敏度高等特点在测绘领域扮演着不可或缺的角色.本文介绍了单光子激光测距的关键技术、单光子探测器以及着重介绍了单光子激光测距技术应用领域的研究进展,并对未来单光子激光测距的发展进行了总结和展望.     

基于阵列盖革探测器的激光测距信号处理北大核心CSCD

传统激光测距中最常用的方法是采用工作在线性模式的单元APD进行光子探测,而随着探测距离增加,线性增益不满足使用需求,盖革模式APD应运而生。阵列探测盖革模式APD是具有探测单光子能级信号能力的新型探测器件,具有1×10^(6)至1×10^(7)的内增益,响应度高,但其受背景光影响较大,因此这一器件的信号处理难度极大。本文提出基于光子计数法的阵列信号处理的三种思路,均能够大幅提升信号对比度。其中多通道累加算法简单便捷、可实现性高;空间卷积池化算法具有高信号散布灵敏性;阵列拓展算法具备高信号辨识度。     

基于FPGA的100MHz近红外单光子探测器

为克服InGaAs/InP雪崩二极管(APD)光电探测器的后脉冲现象,本文提出了基于FPGA的单光子探测器(SPD)测量系统,其门控频率最高可达100MHz,门控宽度最窄可到1ns,死区时间设定为109ns,并且这些参数都易于调节且有助于减少后脉冲概率。实验结果表明:在以上门控条件并且制冷温度为218K时,探测器的有效门宽为0.79ns;在死区时间超过109ns时,后脉冲现象可忽略;最大光子探测效率(PDE)约为14%;在光子探测效率为10%时,暗计数率(DCR)约为2×10-5/ns;并具有小型化、易调节的特点。     

基于超导探测器的白天卫星激光测距试验与研究

超导纳米线单光子探测器是一种新型的单光子探测器,灵敏度高、暗计数低且可工作于恒流模式,对1064 nm波长激光具有较高的探测效率。将该探测器应用于夜间卫星和空间碎片激光测距试验,获得了较好的观测结果。为了使超导探测器的优点在空间目标激光测距中得到充分的应用,通过卫星白天激光测距观测试验以及对白天天空背景光实际响应输出测量等方法,研究分析了超导探测器应用于白天激光测距的可行性。在日落前测到了约20 000 km距离的导航卫星glonass134以及低轨卫星hy2a;实际白天天空背景光测量时,单光子超导探测器最高计数输出可达到约2 MHz。结果表明,使用超导单光子探测器作为回波探测器可实现高性能和高效率的白天激光测距系统。     

阵列探测技术在激光测距中的应用

高精度的空间碎片观测数据对航天器碰撞预警具有重要意义,激光测距技术是目前空间目标距离测量中精度最高的一种技术,但大多数空间碎片上并未携带角反射器装置,激光测距回波信号较弱。阵列探测技术可以提高回波信号较弱的空间碎片激光测距探测成功概率,中国科学院云南天文台2015年开始开展基于阵列探测技术的激光测距试验,2017年成功将阵列超导纳米线单光子探测器和多通道事件计时器等阵列探测技术应用于激光测距试验系统中,分别在2017年3月和2018年3月的激光测距试验中,成功采集2×2和4×4阵列激光测距数据。其中探测到最小目标为轨道高度约1 000 km、大小为雷达截面（Radar Cross Section,RCS ） 0.045 m2的空间碎片;探测到最远目标为斜距约5 000 km、大小为RCS 18.25 m2的空间碎片。     

基于4元APD阵列的激光测距技术研究

提出了一种基于盖革模式(Geiger mode)下雪崩二极管(APD)阵列作为接收器件的激光测距新技术.盖革模式下的APD阵列具有单光子探测能力,能够对微弱的激光回波信号实现探测,并能够实现高精度的起始点判别,从而准确地确定激光飞行时间,最终计算出目标距离.实验结果证明相比传统的测距技术,新的测距技术可以实现低激光发射功率下的高精度,远距离测距,为激光测距技术的发展提供了一条新思路.     

InP/InGaAs探测器氮化硅钝化膜的ICPCVD生长技术

采用ICPCVD工艺对InP/InGaAs探测器进行SiNx薄膜钝化,讨论了不同气体比例、射频功率和反应压力对SiNx薄膜应力和致密性的影响.初步得到了低应力、良好致密性的SiNx薄膜沉积工艺.利用此工艺制作的InP/InGaAs探测器在偏压为-10 mV的暗电流比PECVD工艺制作的器件降低了一个数量级,为4.4×10-8 A.