1 长春理工大学 电子信息工程学院，吉林 长春 130022
2 西安工业大学 西安市主动光电成像探测技术重点实验室，陕西 西安 710021
针对星载GM-APD单光子测距系统难以兼顾宽量程高精度测量问题，文中设计了一种基于等效脉冲粗精两级的精细化时间数字转换电路（Time-to-Digital Converter, TDC）。该TDC首先基于分段式计数原理，设计了粗精两级的计数架构，保证了TDC宽量程测量；其次，针对精计数单元，采用时钟等相差相移π/N，生成等效高频脉冲时钟，将精计数单元的计时精度提升N倍；再次采用多计数器双沿间隔计数方法，将精计数单元计时精度进一步提升至2N倍；最后通过模拟仿真与实验验证对文中设计的TDC进行远距离单光子测距性能测试。仿真与实验结果表明：文中面向远距离单光子测距设计的精细化时间数字转换电路在参考时钟为50 MHz时，计时分辨率为416.67 ps，计时量程达1.31 ms。对室内10 m处目标进行100次测距重复实验，测距误差为5.62 cm，对室外参考距离为2 616.5 m处目标进行测距实验，测距的方差为0.001 7 m，由此可见，基于文中等效脉冲粗精两级精细化时间数字转换电路的单光子测距系统可以实现远距离目标的高精度、宽量程测量。
单光子 激光测距 时间数字转换 等效脉冲 GM-APD single photon laser ranging time digital conversion equivalent pulse GM-APD 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230094
1 上海航天控制技术研究所，上海 201109
2 中国航天科技集团有限公司 红外探测技术研发中心，上海 201109
系统梳理了基于单元盖格雪崩光电二极管的多类距离重构方法的原理与特点，分析了适用于面阵盖格雪崩光电二极管的距离重构方法。采用激光细光束二维扫描发射覆盖探测视场和面阵盖格雪崩光电二极管焦平面阵列器件探测接收目标回波的方式，搭建了激光三维成像实验装置。采用不同距离重构方法对激光回波点云原始数据进行目标距离信息提取，以信号与背景计数的比值定量评估目标距离重构结果的差异。实验比对结果表明，空间相关处理后的信号与背景计数比值由0.5提升至6.67，提升效果明显。激光三维成像实验结果对比发现，在100 Hz成像帧频下仅有空间相关方法能重构出目标三维轮廓，验证了空间相关重构方法的优势和有效性，支撑了基于盖格雪崩光电二极管焦平面阵列高帧频远距激光三维成像技术工程应用。
激光雷达 光子计数 三维成像 盖格雪崩光电二极管 焦平面阵列 LiDAR Photon counting 3D imaging Gm-APD Focal plane array 光子学报
2022, 51(12): 1214005
1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所 可调谐激光技术国家级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
2 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室，北京 100074
Geiger mode Avalanche Photo Diode(Gm-APD)激光成像雷达三维重构算法的目标检测率、目标还原度等受预处理影响较大，不适当的预处理会导致目标缺失，信噪比降低。预处理通常使用高斯函数或双高斯函数进行卷积，滤波函数中不合适的方差同样会导致目标复原度变低。针对此问题，分析双高斯函数预处理方差组合对探测概率的影响，同时通过Monte Carlo仿真，分析固定激光能量下，固定帧数、不同背景噪声的最佳方差组合变化。拟合得到不同背景噪声水平下的最佳方差模型。最后使用真实实验进行验证，方差模型求得的最佳方差组合可达到实际90%以上最佳目标还原度。该模型对于实际信号处理具有理论指导作用。
激光成像雷达 双高斯预处理 Gm-APD Gm-APD lidar double Gaussian function preprocessing 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200388
红外与激光工程
2020, 49(3): 0305007
1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所 可调谐激光技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室, 北京 100074
3 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
Geiger mode Avalanche Photo Diode(Gm-APD)激光成像雷达三维重构常用的峰值法对于异常峰会提取到错误的目标位置, 阈值选取整数会造成重构三维像信噪比不高及目标缺失等。针对此问题, 提出了基于加权一阶类高斯匹配滤波算法, 通过对脉冲回波触发频数直方图的拟合归一化得到权重窗口平滑直方图再次选取峰值位置进行重构。应用基于Poisson分布的Gm-APD触发模型理论推导得到该算法的探测率及虚警率表达式并与峰值法对比, 理论结果为使用基于加权一阶类高斯匹配滤波算法提取到目标的概率更高, 通过Monte Carlo仿真验证了理论推导结果。最后使用两种算法对真实实验数据进行三维重构, 主观及客观对比其重构得到的三维距离像, 基于加权一阶类高斯匹配滤波算法在复原效果上较峰值法有了明显提升。结果表明, 基于加权一阶类高斯匹配滤波算法在处理低信噪比、实时三维重构等方面具有良好的实际应用前景。
激光成像雷达 三维重构 Gm-APD Gm-APD Lidar 3D reconstruction 红外与激光工程
2020, 49(2): 0205006
1 哈尔滨工业大学 可调谐(气体)激光技术重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 复杂系统控制与智能协同技术重点实验室, 北京 100074
3 中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009
对盖革模式APD激光雷达系统的距离像重构算法进行了研究, 设计了一种基于像素邻域核密度估计的重构算法。从系统原理出发, 结合探测概率模型研究了距离像重构算法的理论基础。根据系统特点提出了一种基于像素邻域核密度估计的改进算法, 并对其原理进行了分析。通过仿真数据对直方图算法和邻域核密度估计算法进行了验证, 以距离重构准确率曲线进行了定量评价对比, 并进一步将算法应用到真实盖革模式APD激光雷达数据中进行了距离像重构实验。实验结果表明, 在低帧数时, 基于像素邻域统计核密度估计的重构算法可有效提高距离像重构的效果。
距离像重构 激光雷达 像素邻域 核密度估计 range image reconstruction lidar GM-APD GM-APD pixel neighborhood kernel density estimation 红外与激光工程
2019, 48(6): 0630001
1 天津市成像与感知微电子技术重点实验室(天津大学), 天津 300072
2 桂林理工大学 广西空间信息与测绘重点实验室, 广西 桂林 541004
提出并设计了一种适用于激光3D成像的盖革模式雪崩光电二极管(Geiger-mode avalanche photodiode, GM-APD)阵列像素读出电路。基于飞行时间(time-of-flight, TOF)原理, 像素读出电路主要由两部分组成: 有源淬火电路(active quenching circuit, AQC)和时间数字转换器(time-to-digital converter, TDC)。所采用的TDC是粗细结合的两段式计数方式, 成功实现了时钟频率和时间分辨率间的折中。基于内插技术, 由粗计数的线性反馈移位寄存器和细计数的延时线型TDC共同实现了高达18-bit的动态范围。同时两者的时钟频率分别降低至250 MHz和500 MHz, 分别是常规设计频率的1/20和1/10, 大大降低了设计和应用难度。电路采用SMIC 0.18 μm工艺设计, 后仿结果显示达到了200 ps的高精度时间分辨率, 对应的距离分辨率为3 cm, 完全能够满足3 km激光3D成像中的测距要求。像素电路版图面积小于50×95 μm2, 总功耗为0.89 mW, 具有小面积和低功耗的优势。
读出电路 盖革模式雪崩光电二极管 延时线型TDC 激光3D成像 readout circuit Geiger-mode avalanche photodiode (GM-APD) delay-line type time-to-digital converter (TDC) laser 3D imaging 红外与激光工程
2017, 46(1): 0106007
1 哈尔滨工业大学 光电子技术研究所 可调谐(气体)激光技术国防科技重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 北京机电工程研究所, 北京 100074
3 中国电子科技集团公司第四十四研究所, 重庆 400060
近十年来, 由于盖革模式APD焦平面探测器在探测灵敏度、空间分辨率和距离分辨率等方面的优势, 使得面阵APD激光主动成像技术成为国际上的研究热点。考虑到大气传输特性, InGaAs材料或者HgCdTe材料的面阵APD探测器成为研制首选。在国内自研InGaAs材料的32×32像元Gm-APD基础上, 搭建了一套1 570 nm激光主动成像实验平台, 在成像帧频1 kHz、单脉冲能量2 mJ条件下, 获得了外场3.9 km目标的轮廓像, 在720 m处能获得目标的清晰表面结构距离像。通过该外场实验, 证实了国内自研的面阵Gm-APD探测器性能良好, 能够演示外场激光主动成像功能。实验结果表明, 1 570 nm面阵APD激光成像雷达成像性能良好, 能够实现远距离目标遥感探测, 为未来实际应用奠定了良好的研究基础。
激光成像雷达 面阵Gm-APD laser imaging radar Gm-APD arrays InGaAs InGaAs 红外与激光工程
2016, 45(12): 1206006
哈尔滨工业大学 物理系, 黑龙江 哈尔滨 150001
从Gm-APD的泊松统计的雪崩探测模型出发, 在长死时间情况下, 提出了一种提高Gm-APD激光雷达探测性能的方法。利用衰减片控制信号和噪声的强度, 实现了多脉冲探测Gm-APD激光雷达的探测概率、虚警概率和测距误差的提高。研究结果表明: 随着衰减片透过率的变化, 探测概率存在最大值, 测距误差存在最小值, 将衰减片透过率控制在0.33~0.20之间, 探测距离为1.5 km时, 探测概率能提高1倍, 测距误差可以从m量级提高到cm量级。
Gm-APD激光雷达 多脉冲探测 衰减片 探测性能 Gm-APD lidar multiple pulses detection attenuator detection performance 红外与激光工程
2016, 45(9): 0906003
