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多光束光子计数激光测距

冯百成  
【摘要】:单光子探测器为量子调控、激光遥感和超灵敏光谱等重大科学研究提供重要的探测器件,是发展具有战略意义的尖端高新技术的重要基础。然而,在测距的实际应用中,传统的单光子探测器虽然具有高灵敏度,却会因为饱和计数率低而无法探测大强度动态范围的回波信号,因而无法适应大距离动态范围测量。并且基于单光子探测器的激光测距由于现有技术的限制,测量速度慢,不利于实现大范围快速测量。本文提出具有两种工作模式的硅雪崩光电二极管(Si APD)探测器实现大动态范围激光测距。通过改变加载在APD上的偏置电压,完成探测器在线性模式与盖革模式间的转换,从而实现平均光子数超过106大强度动态范围的激光测距。并通过分析和补偿测距中不同增益下APD探测光子的时间抖动、峰值漂移和背景噪声,提高了双模式探测器在室内30米与外场500米的实验环境下的测距精度,证明了这种新方法可以根据探测距离和背景环境进行探测模式切换,光子脉冲探测的强度动态范围超过6个数量级,并且通过调节探测器的增益可以有效抑制背景光的干扰,提高探测的信噪比,从而实现大动态范围激光测距。在此基础上,本文提出多光束光子计数激光测距方法,通过使用达曼光栅将单束激光分束成一维光束阵列,在接收镜头焦平面采用光纤阵列将多光束的回波信号耦合到多通道单光子探测器,最后使用时间相关单光子符合计数方法实现多光束高精度激光测距。本文利用多通道单光子探测器提高探测灵敏度,降低激光能量,加快了测距的速度,实现了室内30米距离的10光束光子计数激光测距,并且对光束间的串扰进行了验证,证明了光纤耦合单光子探测阵列应用于多光束光子计数激光测距的可行性。


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