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《中国科学院研究生院(云南天文台)》 2016年
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MPPC阵列探测器在卫星激光测距中的应用研究

和丽娟  
【摘要】:在卫星激光测距系统中,目前普遍使用的盖革模式雪崩光电二极管(Geiger-mode Avalanche Photon Diode, G-APD),受死时间限制,在一个探测周期内仅能被触发一次,若被噪声触发则无法继续响应该周期的回波光子。为此,提出在卫星激光测距系统中利用阵列探测器来弥补单元探测器的不足,阵列探测器允许各个APD单独工作从而提高光子探测效率。本文将利用多像素光子计数器(Multi-pixel Photon Counter, MPPC)作为回波光子探测器,研究其应用于卫星激光测距系统的工作原理,并开展相关实验验证。论文主要研究以下几个方面内容:1.设计了一套温度控制系统以实现探测器恒温和制冷目的,温度控制精度为0.2℃。将该系统应用于4×4 MPPC阵列探测器中,分别在常温22.5℃和制冷到10℃时用示波器采集了用红光脉冲光源照射到探测器时计数情况,实验结果表明低温下噪声小于常温状态下噪声。温度降低到10℃时,脉冲最大幅值为26 mV,上升时间(从最大幅值的10%上升到最大幅值的90%)为512 ns;在常温22.5℃时,幅值为18 mV,上升时间为777 ns。2.利用封装了温度控制系统的4×4 MPPC阵列探测器作为回波光子探测器,在云南天文台“一发一收”分光路激光测距系统上,开展了地面漫反射靶和AJISAI测距卫星的激光测距试验。地靶实验中利用事件计时器获得主波、回波时刻,处理数据后后获得测距精度RMS为21.7 Cm,与激光脉冲宽度、漫反射目标形状效应引起的测距误差相吻合。在AJISAI卫星激光测距试验中由于探测器性能限制,回波探测成功率较低,因此采用示波器进行了采集。3.研究了MPPC阵列探测器的门控实现方法和技术。门控电路系统包括脉冲光源、门控式可调直流高压电源、前置放大器。利用该系统对门控工作模式和无门控控制电路下进行了数据采集并对其做了一定的分析。无门控控制电路时信号脉冲幅值为0.9 V,恢复时间为大约20μs。有门控控制电路时,信号脉冲的幅值为1.8 V,恢复时间为大约4μs。为设计多通道MPPC阵列探测器门控电路提供了理论和实验基础。论文研究表明,阵列型探测器相比于单元型探测器具有一定的探测优势,可提高光子探测效率;降低探测器工作温度能有效提高探测器的探测性能;卫星激光测距系统中采用门控模式能有效降低噪声干扰。地靶和卫星激光测距实验表明性能优化后的MPPC探测器的有望应用于卫星激光测距系统中。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(云南天文台)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P228.5

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