基于单光子线性APD的信息提取算法研究

针对新型单光子线性APD器件获得信息维度多、灵敏度高的特点,提出了一种基于单光子线性APD的微弱回波信号距离信息提取算法。首先利用微弱信号的泊松分布特性对回波信号进行建模,随后对每纳秒内的回波光子数进行统计,利用与脉宽等宽的距离窗进行滑窗求和,将最大值位置作为信号脉冲接收时刻,进而反算距离信息。设计了跟踪前的目标搜索策略和稳定跟踪后的距离门匹配算法,有效降低了背景光干扰和计算资源消耗,在回波光子数分别为200、10、5个时分别获得了100、9993、9658的计算正确率。对单光子量级信号设计了脉冲积累算法,单个光子信号回波的计算正确率为995。同时对静止目标通过算法迭代实现了信噪比为0dB甚至负dB的信息提取,对003个光子信号回波探测的计算正确率为961。仿真结果表明该算法可以综合应用单光子线性APD的强度信息以及单光子灵敏度,实现了在极限灵敏域下的距离信息提取。

线性APD混合飞行时间测距模型及读出电路设计

混合飞行时间测距基于间接飞行时间测距的原理,同时结合直接飞行时间测距的概念,可以实现高精度、高范围的脉冲激光测距。采用两相采集方式,建立了背景光抑制的两段两相混合测距模型,并通过对模型的误差分析确定了电路的相关参数。采用在线性模式下工作的雪崩光电二极管(Linear-Mode APD,LM-APD)作为探测器,设计了与混合测距模型适配的50μm中心距的像素电路以及5×5阵列结构。电路输入级采用电容反馈跨阻放大器结构,输出信号包括模拟信号和低压差分信号。在对APD探测器20 MHz的调制频率下,输出电压达到99.8%以上的线性度,在108.75 m测距范围内达到4.415 cm的平均误差,11.355 cm的最大误差。仿真表明:混合测距兼顾精度和测量范围,适用于激光雷达三维成像领域。

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。

APD主/被动红外成像读出电路设计

基于APD(雪崩光电二极管)红外探测器工作原理,重点研究了高压保护和积分时间(包括积分时间及积分延迟时间)可控技术,并设计了APD主/被动红外成像读出电路单元电路和整理电路。该电路具有高压保护及精确积分开关控制的功能,并用小规模阵列(64×64)芯片进行验证。77 K下仿真结果表明,读出电路耐高压不小于17 V,主动模式下积分延迟时间为10 ns～310 ns,积分时间为10 ns～150 ns,精确可调,最高读出速率大于5 MHz。

线性模式主被动碲镉汞APD探测器测试研究

碲镉汞雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)探测器在主被动模式下能同时获取目标物体的强度信息和时间信息,实现实时的三维探测。高精度时间标定的测试方法是验证三维测距的基础。文中分析了盖革模式和线性模式的优缺点,针对一种线性模式主被动HgCdTe APD探测器的读出电路结构进行了分析,并对TOF计算方法进行了研究,在此基础上搭建了一套高精度时间标定的测试平台,对系统和环境噪声进行了测试,得到噪声带来的时间抖动为179 ps。对测试仪器带来的固定时延进行了校准,对影响TOF精度的电压、电容、斜坡发生器的精度以及高精度电压源的精度等参数进行了理论分析,在77 K下完成了线性模式HgCdTe APD探测器的主、被动信息的测试。测试结果得到低温下电路线性度高达99.9%,饱和电荷容量为7 Me-,时间精度抖动的均方根为2.107 ns,证明该测试平台和方法能有效地评估探测器的性能,为红外精准探测提供了参考。

基于标准CMOS工艺线性APD倍增区的优化仿真

采用标准CMOS工艺制备的n^+-p-π-p^+结构的线性APD,其倍增区p层的掺杂分布极大地影响着器件的性能.采用Silvaco仿真软件对倍增区p层进行了设计仿真,研究了p层的注入剂量和注入峰值浓度深度对器件特性的影响.仿真结果表明,设定器件增益为50,在p层的最佳注入剂量为1.82×10^(12)/cm^2,峰值浓度深度为2.1μm左右的最佳工艺条件下,器件的工作电压为73.1 V,过剩噪声因子为4.59,过剩噪声指数在0.34~0.45之间(波长λ=800 nm),优于目前已报道的结果.通过工艺的优化,器件的性能可以得到进一步提高.

GaN基APD日盲紫外探测器读出电路设计

基于GaN基APD（雪崩二极管）日盲紫外探测器工作原理,我们设计了GaN-APD日盲紫外探测器的读出电路（ROIC）。考虑到GaN-APD日盲紫外探测器的特性,我们重点研究了80 V高压击穿保护电路、暗电流消除电路以及为CTIA运放电路的电流偏置电路和带隙基准电路。在此基础上,我们设计了1×8的电路并进行了仿真验证,读出电路耐高压不小于80V,当积分电容为4 pF,积分时间为25μs,时钟频率为100 kHz的时候,电路的电荷存储能力为5.6×107个,输出电压摆幅在0~2.25 V,读出电路的输出电压线性度不低于99%。

APD探测器的性能对激光雷达反演CO_2浓度误差影响研究

星载积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达是全天时全球范围内探测CO_2浓度的一种有效的方法,而作为接收系统关键元件的光电探测器对激光雷达系统性能有着较大的影响。雪崩光电二极管(APD)有着较大的动态范围与高的响应度,因此它在星载激光雷达中广泛应用。介绍了IPDA激光雷达和APD探测器的工作原理,并根据实际工作条件,测试了一款APD探测单元的响应度、动态范围、不同光功率下的信噪比等主要性能参数,分析了这些性能参数对星载激光雷达CO_2浓度的反演带来的影响。结果表明,在CO_2浓度为400 ppm(1 ppm=10^(-6)),吸收波段信号的探测器输出电压在280~980 mV范围内时,APD探测器本身的非线性和噪声造成的误差小于0.8 ppm。

基于HgCdTe-APD的32×32主被动成像读出电路

设计了一款基于线性模式下HgCdTe-APD的主被动双模式读出电路。被动模式下通过积分电容进行光信号的强度测量,主动模式下利用两段式TDC进行光子飞行时间(ToF)的标记。TDC采用面阵共享的数字计数器进行粗计数,像元内置时间幅度转换电路(TAC)进行精细测量,同时利用积分电容的切换修正时刻鉴别误差。焦平面阵列规模为32×32,工作温度为77 K,采用标准SMIC 0.18μm CMOS工艺进行电路设计及版图绘制。仿真验证结果显示,电路满阱容量约为7.5 Me^(-),在3.2μs的动态范围ToF分辨率小于0.5 ns,DNL和INL分别在-0.15 LSB~0.15 LSB和-0.2 LSB~0.2 LSB范围内。读出电路帧频为4.5 kHz,功耗小于180 mW。