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基于Si PM光子计数器的激光主动探测技术研究

赵帅  
【摘要】:高光子探测效率、高量子效率的光子计数器是弱光探测领域研究的热点,近年来,Si PM以其独特的光子计数原理,在现代科学研究中得到广泛的应用,成为全固态光子计数设备主要技术之一,相比传统的光子计数设备(如PMT、MCP等),Si PM具有高增益、大动态范围、低噪声、低偏置电压、高探测概率、低功率消耗、可靠性高等优点,广泛应用于远距离激光测距技术、激光雷达技术、超快光谱学、量子光学、原子物理学等现代科研领域,成为现代科学中弱光信号探测领域的研究热点。 本文采用理论仿真与实验研究相结合的方法,主要以滨松公司研制的Si PM产品—多像素光子计数器(MPPC)作为研究对象,开展相关理论与实验研究工作,主要研究内容包括: (1). Si PM技术及Si PM技术的发展与现状介绍,针对目前内外相关Si PM的应用领域给出详细介绍; (2).研究Si PM的结构、构成,对Si PM的工作原理进行深入的探讨;利用半导体材料方程及基尔霍夫方程,针对构成Si PM的基本单元G-APD的增益特性进行理论建模,并对Si PM的噪声特性及相关关键参数给出相应的解释,对下一步应用Si PM奠定基础; (3).实验结果表明,MPPC可分别探测到1.665与4.201个光子;实测得MPPC的弱光信号的分辨能力达到1.96×10~(-18)J,可分辨光子数达到14,充分说明了MPPC具备完善的光子分辨能力;提出使用MPPC作为激光测距的接收探测器的激光测距方案,并在实验室环境下,进行模拟实验。针对MPPC输出脉冲上升沿抖动相对较大的特性,提出使用多脉冲累积法与自相关算法结合的算法,分析得出实验室内的激光测距精度达到0.2m,探测的灵敏度可达3.0×10~(-18)J。利用该方法,使MPPC具备作为高精度、远距离的激光测距探测器的能力。 (4).仿真模拟得出MPPC的偏置电压随时间的变化关系,得出增加偏置电压,可提升MPPC的响应速度的结论,同时仿真结果表明,单纯的增加偏置电压,并不能减少MPPC的“死时间”,不能提升MPPC的响应频率;同理,得出提升偏置电压,同样可提升输出电流脉冲的幅值,更易探测的结论。 (5).在得出可使用MPPC进行远距离激光测距的基础上,提出使用MPPC作为光电探测器,在复杂的背景环境下,测量空间非合作目标。通过对回波信号、背景光信号、大气光学特性、光学系统特性、激光参数等关键参数的分析,计算出探测信噪比与非合作目标作用距离的关系,分析结果表明, MPPC具备完成对600km以上的低轨非合作卫星进行激光主动探测的能力。


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