盖革模式雪崩光电二极管激光雷达累积探测性能的研究

利用单个盖革模式雪崩光电二极管(Gm-APD)对单脉冲测距的激光雷达探测性能进行了研究。从Gm-APD进行单光子探测的模型出发,研究长死时间情况下,单脉冲多次累积探测的探测概率(PD)和虚警概率(PFA)。研究目标区间在选通门中的位置及平均信号光电子数的变化对PD、PFA的影响;对不同次数累积探测下的PD、PFA做了比较和分析。理论研究和数值计算结果表明,累积探测能够提高探测性能,增加累积次数到3次,就可以非常明显地提高探测性能;控制好选通门的开启时间,可以明显提高探测性能;在接收一个激光脉冲时,只需产生4个光电子数就可以使探测性能基本达到最佳。

基于InGaAs/InP盖革模式雪崩二极管探测器的激光雷达的应用

在过去的十年里,随着材料生长、设备装置设计及操作电路等各方面的提升,InGaAs/InP盖革模式雪崩二极管(APD)技术得到了长足的发展。高性能、大面阵的雪崩二极管探测器阵列被成功设计并生产出来。该探测器阵列具有单光子探测灵敏度,并能完成三维成像。基于上述优势,该模式下的激光雷达已被广泛应用于机载平台。亚纳秒量级的脉冲激光雷达在探测距离数十千米时,可以荻得厘米量级的距离分辨率。通过使用高性能的单光子探测器,这种模式下的激光雷达在测绘速度上较其它模式的激光雷达有很大的提升。更令人振奋的是,该模式下的波长超过1400 nm对人眼安全的二极管激光雷达在无人驾驶领域具有得天独厚的优势,将在未来的自动驾驶应用中崭露头角。

碲镉汞雪崩光电二极管在激光雷达上的应用

首先简要介绍激光雷达的主要军事应用、激光雷达对接收器的性能需求及激光雷达接收器的现状,综述碲镉汞材料特点、碲镉汞雪崩光电二极管探测器特点,与现有激光雷达接收器相比碲镉汞雪崩光电二极管作为激光雷达接收器的优势及制备技术;综述国外碲镉汞雪崩光电二极管用于激光雷达接收器的发展现状;最后分析我国发展用于激光雷达接收器的碲镉汞雪崩光电二极管可行性。

基于盖革模式APD阵列的单脉冲3D激光雷达原理和技术

利用激光单脉冲构成一幅完整三维图像的小型化激光雷达,是激光成像雷达的一个重要研究方向,它可以实现像人眼一样实时成三维立体像。美国麻省理工学院林肯实验室持续研究此类可见光波段激光雷达,随后Raytheon研发了近红外波段的激光雷达。文章在介绍此类雷达基本原理的基础上,重点介绍了林肯实验室研制的第三代激光雷达,最后分析了此类激光雷达关键技术的发展情况。

大气背景下盖革模式APD激光雷达探测性能计算

盖革模式工作的雪崩光电二极管,以其灵敏度高著称,广泛应用于天文观测、粒子物理学、激光雷达以及通信领域.但是由于雪崩光电二极管易受到噪音的影响,特别是在背景光较亮的白天,背景噪音对探测有很大影响.本文针对白天大气背景噪音的情况,建立了盖革模式雪崩光电二极管的探测统计模型,通过设定不同探测器阈值和噪音值进行仿真计算,分析了探测阈值与噪音对虚警率的影响,给出了提高最远探测距离的途经与方法.通过限制滤光片带宽、减小探测器开启时间等方法可以将背景噪音光子数减小到2,在900km处的探测成功率为96.6%.对雷达散射截面为1m2的非合作目标,探测成功率为70%.

基于盖革模式APD阵列的激光雷达性能分析

针对基于盖革模式雪崩光电二极管(APD)阵列的激光雷达,提出一种分析其探测性能的方法。通过分析APD像元产生的初级光电子和噪声计数率,对APD像元的探测概率、虚警概率和漏警概率进行研究和仿真。结果表明,当激光雷达发射和接收光学系统一定时,且探测500 m处目标,激光脉冲能量小于150μJ时,APD的探测概率随着激光脉冲能量的增加而提高;当激光脉冲能量在150μJ以上增加时,APD的探测概率保持不变。

盖革模式下反偏压对雪崩光电二极管贯穿特性的影响

利用无源抑制技术,研究了盖革模式下雪崩光电二极管(APD)的电流-电压特性。发现光电流和暗电流的一个显著区别是暗电流不反映贯穿特性,这是光生载流子和热载流子有不同统计分布的实验证据,也说明在盖革模式下,暗计数增加比光子探测效率增加更快的原因是由于载流子收集效率不同引起的。根据其贯穿特性适当选择盖革模式下APD的反偏压可提高单光子探测器的信噪比。

采用纤维放大器或雪崩光电二极管的激光雷达系统的能量需求

本文研究了机载激光雷达系统能对２０ｋｍ处目标进行成象所需要的发射能量。

基于硅雪崩光电二极管的紫外盖革模式电路的研制

本文旨在研制盖革模式电路并在两种紫外光照射下测试电路性能,为紫外通信提供数据参考。研制了适用于硅雪崩光电二极管(APD)的主动、被动两种盖革模式电路,设计并实现了输出可调至300.0 V的高稳定直流高压偏置电源,实测纹波电压小于20.4 m V,纹波系数小于6.8×10-5。分别在可见盲和日盲两种紫外光照下,测试了被动盖革模式APD的死时间、暗计数和光子计数,给出了被动盖革模式工作的较佳高压偏置范围;紫外光照下,被动盖革模式APD的电路输出脉冲的死时间为1.0?s。基于被动盖革模式电路测试的参数,研制了主动盖革模式电路,实验结果表明:主动盖革模式电路输出脉冲的死时间为102.0 ns,光子计数的上限由被动盖革模式的1.0 MHz提高到主动盖革模式的9.8MHz。因此主动盖革模式电路在数据传输时有更高的传输带宽,预计可满足一些图像传输或者视频通信的基本要求。

基于盖革模式雪崩光电二极管紫外计数系统

针对工作在盖革模式下的硅基雪崩光电二极管(APD)进行了接收电路的设计,通过主动淬灭加快恢复的方式,对APD偏压进行调控,利用单稳态触发器使淬灭信号和恢复信号独立控制APD阳极的电压,从而同时控制淬灭时间和恢复时间,将死时间缩短至100.5ns,计数频率提升到10MHz,有效减少了后脉冲效应。采用脉冲甄别技术和单片机,对脉冲信号进行计数,通过对可见盲光子计数和暗计数的甄别,实现对微弱紫外信号的检测,为盖革模式下APD紫外通信奠定了基础。

InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管阵列性能一致性研究

InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管(APD)阵列的性能与阵列片内均匀性密切相关。阵列面元的主要结构参数有倍增区厚度、电荷层厚度和掺杂浓度、吸收区的厚度以及器件工作的过偏压。它们的不一致性不仅会造成器件本身性能的差异,还为后续的读出电路带来了巨大的挑战。通过研究APD结构参数变化对其击穿电压(V_(break))、暗计数率(DCR)和单光子探测效率(PDE)的影响,将APD阵列面元间击穿电压波动控制在±1V以内,使暗计数率和光探测效率的波动小于10%,从而得到不同温度下各个结构参数的最大允许波动值,确定了每个温度下制约器件性能的主要因素,为大规模、高性能盖革模式雪崩光电二极管阵列的材料生长和工艺制备提供了理论依据。

单光子激光雷达技术发展现状与趋势

随着单光子探测器件及技术的快速发展,具有光子级高灵敏度探测能力的单光子激光雷达已成为研究热点,并在遥感测绘、智能驾驶和消费电子等领域发挥日益重要的作用。本文聚焦于采用单光子雪崩光电二极管探测器的激光雷达技术与系统,介绍了脉冲累积、编码调制和啁啾调制三种单光子激光雷达探测原理。考虑到单光子探测器与处理算法的重要性,概述了单光子探测器的发展现状,以及典型的信号处理算法,并梳理了单光子激光雷达在远距离探测、复杂场景探感、星载/机载测绘遥感、智能驾驶导航避障和消费电子3D感知等领域的应用情况和典型系统实例。最后,分析展望了单光子激光雷达技术在器件、算法、系统和应用领域的未来发展趋势及面临的潜在挑战。

应用于脉冲ToF激光雷达接收器的宽带高增益跨阻放大器

设计了一款应用于脉冲飞行时间(ToF)激光雷达(LiDAR)接收器的宽带高增益跨阻放大器(Transimpedance Amplifier,TIA)。该TIA由跨阻预放大器、后级电压放大器、增益补偿放大器和输出缓冲器组成。跨阻预放大器采用改进型RGC电路实现;后级电压放大器采用有源反馈电路,以提升带宽;具有有源峰值电感的增益补偿放大电路用来消除大尺寸输出缓冲器对TIA整体带宽的影响。提出的TIA电路采用0.18μm标准CMOS工艺设计。在电源电压为3.3 V条件下,TIA总消耗功率约168 mW,差模跨阻增益为106 dBΩ,-3 dB带宽约为300 MHz,输入参考噪声电流谱密度为6.8 pA/√Hz,当SNR=5时,能够检测的最小光电流约为0.7μA,动态范围为83 dB。

基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管的盖革模式仿真

采用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺和p阱保护环,使用SILVACO公司的ATLAS软件进行器件结构设计和仿真,得到了能正常工作在盖革模式下的单光子雪崩二极管(SPAD)。仿真结果表明:设计的器件结构中p+/n-阱结降低了结附近的电场强度,并且低于平面pn结的电场强度,从而起到了抑制二极管发生边缘击穿的保护作用;电场强度和碰撞产生率呈正相关,并得出了电子、空穴的雪崩产生率与纵向位置的关系曲线及器件中某一个点处的电子雪崩产生率和偏置电压的关系曲线。仿真结果对基于CMOS工艺的SAPD结构设计具有一定的指导意义。

APD三维成像激光雷达研究进展

三维成像激光雷达因获取信息丰富、抗干扰能力强、分辨率高等优势已广泛应用于地貌勘测、自动驾驶、智能交通、视觉跟踪等国防与民用领域。随着雪崩光电二极管(APD)探测器件的发展与三维成像体制的多样化(例如:微机电系统扫描、相控阵、闪光等),激光雷达性能较早期已得到大幅提升。立足于军民领域对激光雷达的新需求,迫切需求新方法、新体制进一步提升三维成像的综合性能。首先从APD三维成像激光雷达的发射单元、接收单元、算法单元(数据处理单元)三方面关键技术展开分析。然后,以载荷应用需求对三维成像激光雷达进行了分类阐述与讨论,重点以车载环境感知为例深入讨论了现有激光雷达的应用现状与军民应用所面临的难点问题。基于APD器件的三维成像方法多元化发展,讨论了两种适用于APD器件的新型三维成像方法(异构变分辨率与鬼成像)。最后,在分析三维成像激光雷达研究现状的基础上,总结了三维成像激光雷达正朝着大视场、高分辨、高精度、实时性、模块化、智能化的方向发展,为进一步研究高性能三维成像激光雷达奠定基础。

GaN基雪崩光电二极管及其研究进展

越来越多的民用与军事对高灵敏度紫外探测的需求促进了GaN基雪崩光电二极管（APD）的快速发展。雪崩光电二极管工作在高反偏电压状态，器件内部载流子在高场下发生碰撞离化，从而使探测信号产生增益。首先对GaN基雪崩光电二极管的研究进展进行了回顾，然后重点报道了器件的增益最大可达3＆#215;105，介绍了本征层厚度与器件暗电流的关系，简单介绍了正在组建的基于相敏探测的交流增益测试系统，并研究了过剩噪声与调制频率之间的关系，发现在低频波段（30~2 kHz），过剩噪声呈现1/f噪声特性。最后，对盖革模式的雪崩光电二极管的研究进展及应用前景进行了简单介绍。

基于Geiger-mode APD的激光雷达性能分析

针对基于盖革模式雪崩光电二极管(Gm-APD)阵列的激光雷达,提出一种分析其探测性能的方法。以分析单个Gm-APD像元产生的初始光电子和暗计数噪声为基础,对Gm-APD像元的探测概率、虚警概率和漏警概率进行研究,并进一步提出一种多脉冲阈值探测法,并对其探测概率、虚警概率进行了研究和仿真。结果表明,对2～10 km外的目标,采用128×128像元面阵探测器,单脉冲能量小于200 mJ时,探测概率随脉冲能量提高而提高;单脉冲能量大于200 mJ时,探测概率保持不变;当采用多脉冲阈值探测、信号较弱时,探测概率总是随脉冲能量提高而提高,虚警概率总是随脉冲能量提高而降低。

碲镉汞雪崩光电二极管发展现状

碲镉汞雪崩光电二极管探测器具有高增益、高带宽和低噪声因数的显著特点,具有下一代焦平面探测器阵列的多功能、主动/被动探测、双波段和高灵敏度等理想特性,在低光通量探测、超光谱、二维/三维成像方面显示出强大的应用潜力。本文简要介绍了碲镉汞雪崩光电二极管主要器件结构、特点及应用现状。

一种新型成象激光雷达的理论分析和模拟实验

本文对采用雪崩光电二极管（APD）阵列的非扫描成象激光雷达进行了理论分析，得出了其角分辨率、信噪比（S／N）和作用距离的计算公式．采用单只APD在焦平面上扫描的方法进行了模拟实验，初步验证了理论公式和本方案的可行性．

蒸发波导激光雷达的原理与信号接收系统设计

从海洋大气相对湿度的角度出发建立了大气折射率变化与气溶胶激光散射特性的理论联系，着重对蒸发波导激光雷达的信号接收系统进行了设计。针对微弱光信号接收、光电转换与电压放大的难点，前端信号调理电路采用雪崩光电二极管和宽带低噪声放大器对所述高速瞬态微弱光信号进行接收和二级放大，同时保证了系统的高增益、宽宽带及低噪声性能。采用波长为1．064μm的激光雷达对半径范围为0．1-20μm的气溶胶粒子群进行探测实验，进一步验证了信号接收系统的分辨率和灵敏度。