激光雷达(LiDAR)广泛应用于航天器导航、安防监控、3-D测绘、自动驾驶汽车、**装备及机器人等领域, 具有重要的**和民用价值。雪崩光电二极管(APD)阵列探测技术在LiDAR的发展过程中发挥着至关重要的作用。介绍了LiDAR和APD阵列的应用背景, 综述了APD阵列和LiDAR系统的发展历程和最新进展, 最后总结了APD阵列探测技术的发展前景和研究趋势。

针对900~1 700 nm波长无扫描激光三维成像雷达的需求, 研制了一种规模为64×64的线性模式雪崩焦平面阵列(LM-APD-FPA), 它由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与CMOS专用读出电路(ASIC)组成。该器件采用飞行时间(TOF)测距的方式工作, APD光敏芯片将脉冲激光信号转化成脉冲光电流, 读出电路对其进行放大、阈值比较后实现激光探测并在每个单元获取光脉冲的飞行时间, 将其转化成二进制编码信号后串行输出。测试结果表明, 64×64 LM-APD-FPA有效像元最小可探测光功率值约为400 nW, 时间分辨率为1 ns。用该探测器在激光雷达系统上实现了无扫描单脉冲激光三维成像, 表明了线性模式激光焦平面探测器可用于激光三维成像领域。

为了获得LED扩展光源大角度均匀照明, 采用双自由曲面, 设计了大角度紧凑型透镜。利用角度扩大函数使内自由曲面对光线发散 , 根据矢量Snell定律确定点源透镜的外自由曲面。采用交叠法优化双自由曲面扩展光源透镜模型, 通过BreedPSO算法进一步优化。对于h/d=2.5的紧凑型系统, 均匀度和光效分别为88.12%和84.54%, 照明均匀度明显提高。照明系统横向安装位移误差在［0, 0.3mm］内, 均匀度及光效分别在85%及84%以上, 纵向安装位移误差在［-0.04mm, 0.05mm］, 均匀度及光效均在82%以上。

研究了复杂背景环境下抗遮挡和抗干扰的目标检测跟踪技术。提出了基于轨迹预测关联的红外/可见光混合决策检测跟踪算法, 开发了基于VPX总线架构的FPGA+DSP硬件模块和关键软件模块。结果表明, 该方法综合利用红外与可见光两种图像的优势信息检测跟踪同一目标, 能够有效地解决目标检测跟踪过程中抗遮挡和抗干扰的问题。

为解决目前侧入式导光板网点优化设计中存在经验式手动优化繁琐、且很难达到一个高均匀效果的问题, 提出了一种基于模糊优化理论的网点自动优化设计方法。网点形状采用锥形结构, 为使目标面上各处的光能分布主要由其正下方网点的散射光贡献, 分析了其半顶角与网点位置的关系, 并使得网点半顶角仅由其位置决定。以网点半径为主要优化参数, 通过隶属度函数将网点结构模糊化, 并自定义评价函数来解模糊化实现均匀照明。进而, 采用动态数据交换(DDE)技术将Matlab与TracePro进行联立, 通过Matlab语言与Scheme语言混编控制TracePro自动进行数据交换、光线追迹与模糊优化。导光板网点优化设计实例仿真结果表明, 优化后均匀度达到92.17%, 光能利用率达到70.37%, 全程实现自动优化, 无需任何手动调节。

提出一种基于自然选择的粒子群算法(SelPSO)的扩展光源匀透镜设计方法。该方法通过DDE技术, 将TracePro的光线追迹功能与Matlab的信息处理功能有机结合, 建立以点光源透镜轮廓为对象的优化模型, 进而利用加入平滑度约束的SelPSO算法对模型进行全局优化。以h/d=2.5∶1的紧凑型匀光透镜为例, 结果表明: SelPSO算法与PSO算法在相同参数下进行优化, SelPSO算法具有更强且更快的全局收敛能力, 优化后透镜表面光滑易加工, 且均匀度、光效分别达到87.566%、89.536%; 对透镜安装公差进行分析后, 将横向、纵向位移误差分别控制在[0 mm,2 mm]内, 对照明效果产生的影响较小; 此方法还具有较强普适性, 可针对不同照明范围的照明系统进行优化, 且整体照明效果良好。

重点研究了多级倍增超晶格InGaAs雪崩光电二级管(APD)的增益和过剩噪声, 建立了新的载流子增益-过剩噪声模型。在常规弛豫空间理论基础上分析了其工作原理, 考虑了预加热电场和能带阶跃带来的初始能量效应、电子进入高场倍增区时异质结边界附近的弛豫空间长度修正以及声子散射对碰撞离化系数的影响, 提出了用于指导该类APD的增益-过剩噪声计算的修正弛豫空间理论。结果表明: 在相同条件下, 相比于常规的单层倍增SAGCM结构, 多级倍增超晶格InGaAs APD同时具有更高增益和更低噪声, 且修正的弛豫空间理论可被推广到更多级倍增的超晶格InGaAs APD结构, 在保证低噪声前提下, 通过增加倍增级数可提高增益。

通常反射器照明器件结构对面光源出射光线难以有效控制, 用透镜又存在不可避免的色散问题。采用面光源置于反射器杯口, 出光面背对目标面的结构, 提出一种分点、分区控制光线的自由曲面反射器的设计方法。利用有限元法划分面光源, 将微面光源视为点光源, 根据矩形匀光照明配光条件, 建立面光源与目标面的能量对应关系。根据微分几何理论和Snell定律, 建立反射器的数学模型, 只要给定参数, 无需进行反馈优化, 即可用Matlab软件给出自由曲面反射器的数值解。以台灯照明为例, 用光学设计软件对其性能进行了模拟应用分析, 结果表明, 在有效照明区域内均匀度可达到80%以上, 光能利用率达到90%。

偶氮掺杂液晶具有非常强的三阶光学非线性, 其非线性机理包括光致热效应等多种物理机理。为了测量偶氮掺杂液晶三阶光学非线性, 本文采用非线性干涉法, 定量测量了波长632.8 nm下, 光强变化所引起的折射率改变。为了测量得到热效应对掺杂液晶非线性的贡献, 我们提出了温度等效法, 通过在暗室中加热掺杂液晶样品产生与光照时相同的温度变化, 模拟出等效的热效应, 从而将热效应从多种非线性机理中单独区分出来; 通过测量此时的折射率改变, 以及对应的温度和光强变化, 得到了热效应导致的光学非线性。为了提高非线性干涉方法的灵敏度和消除环境震动带来的误差, 本文采用了双路干涉的方法, 使得测量精确性大为提高。测量结果表明：在波长632.8 nm下, 掺杂液晶三阶非线性系数n2为0.268 cm2/W, 其中热效应的贡献为0.091 cm2/W。