基于盖革模式APD阵列的单脉冲3D激光雷达原理和技术_李琦
风采三维激光测风雷达工作原理及维护
风采三维激光测风雷达工作原理及维护摘要：风采三维激光测风雷达用于探测机场上空及飞机起降通道低空风场信息，为飞机起降提供短时大气风场信息，以保障飞行安全。
本文详细介绍系统的工作原理、产品组成、主要性能和维护方法，为用户日常管理维护提供经验与借鉴。
关键词：风场，激光测风雷达，性能Style three-dimensional laser wind measurement radar working principle and maintenanceQishan（Xinjiang Air Traffic Control Meteorological Center, Urumqi 830000）Abstract:Fengcai 3D laser wind measurement radar is used to detect the low-altitude wind field information over the airport and the aircraft take-off and landing channel, and provide short-term atmospheric wind field information for aircraft take-off and landing to ensure flight safety. This article details the working principle, product composition, main performance and maintenance methods of the system, and provides experience and reference for users' daily management and maintenance.Keywords: wind field, laser wind radar, performance0引言近年来，我国民航飞机架数和航班量呈爆炸式增长，机场航班密集时段，起降架次时间可达分钟级，且飞机通常进行高速起降，因此对激光测风雷达的实时性要求很高，根据实际需求，激光测风雷达实现了较高的数据刷新率，能够对机场上空的风场变化进行实时监测及预报。
盖革模式APD激光测距误差理论研究
也=后现(-审
⑷
式中，朋为激光脉冲的总光子数，T为激光脉冲宽 度，一般认为-3工〜阮为激光总光强。
Gm-APD在时间tl和t2之间的触发概率为：
P(A：>0；r15r2) = l-exp[-7V(z15r2)],
(5)
式中，□为探测器量子效率，Mt)与Mt)分别为 背景噪声光率函数与目标回波光的率函数，広(t) 一般认为是常数，灿(t)为暗计数的率函数，通常暗 计数非常小，本文忽略，心(t)与回波波形的强度有 关，可认为是高斯形式，以波峰为时间零点的表达 式为阳,
产生雪崩效应，输出信号。 对于一个Poisson过程“凹，在时间 杠和池
16学术研究
测绘技术装备 第21卷2019年第3期
之间产生&个初始电子的概率为：
P(知i，『2)=肓["(£,右)]exp[-N(fi“2)]
*
> (/丿
其中，N为:
”(加2) = J：[耳包0) + 叫(0)+ 叫 W]曲， (3)
正方法；最后进行基于Monte Carlo方法进行距离校正仿真实验，结果表明，矫正方法可将米级的测距误差 降低到分米甚至厘米级的测距误差.下一步将进行实际目标距离矫正°
关键词：Gm-APD测距误差 Poisson模型 距离校正
1引言 Gm-APD作为一种单光子探测器件，不仅具有优
良的探测性能，对接收光能量要求低，而且基于
心法的测距矫正方法进行理论分析；最后，采用距 离校正方法实现对Monte Carlo仿真数据的测距误 差进行矫正。 2理论
国内在Gm-APD器件及应用方面发展较晚，相关技 术发展不成熟，相关理论亟待研究。Gm-APD作为激 光雷达的核心器件，其测距能力是衡量激光雷达优 良的重要指标，测距误差是测距能力的一个重要表
基于面阵单光子探测器的激光三维成像
基于面阵单光子探测器的激光三维成像葛鹏; 郭静菁; 尚震【期刊名称】《《电子技术与软件工程》》【年(卷),期】2019(000)016【总页数】2页(P129-130)【关键词】单光子探测; 激光雷达; 三维成像; APD阵列【作者】葛鹏; 郭静菁; 尚震【作者单位】[1]中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽省合肥市230088【正文语种】中文【中图分类】TN2491 前言图1：激光三维成像实验装置原理图激光雷达为主动光电探测系统，其工作波长短，相对于微波雷达能够实现较高空间分辨率与测距精度。
然而在较远距离应用中，受发射功率、大气传输损耗、接收孔径等因素的限制，激光雷达接收的回波能量十分微弱，常规光电探测器难以有效检测微弱信号，而单光子探测器以极高探测灵敏度，被广泛用于微弱回波信号测量。
基于单光子探测器能够实现远距离的探测与成像，其空间分辨率可通过逐点扫描或探测器阵列来获得。
逐点扫描方式中，激光不断地往返于系统与目标之间，进行大规模成像耗时严重。
基于大规模面阵探测器，发射少数脉冲可获得视场的高分辨率信息，具有较高成像效率，是一种较为理想成像方式。
单光子探测器主要用于脉冲法直接探测，系统发射脉冲激光，并测量返回脉冲的飞行时间来实现三维成像。
单光子探测器具有单光子探测灵敏度，但无法分辨光子数，为此系统中单像元单脉冲探测的光子数往往小于1，像元对回波脉冲进行概率性探测，并通过脉冲累积来提高探测概率。
光子探测过程记录的为离散的光子数据，需要用泊松噪声模型描述。
2 实验装置该实验装置原理图如图1所示，其利用了激光泛光照明方式，激光发射和接收采用了分离的光学孔径。
高功率固体激光器产生波长1064nm、重复频率1kHz、脉宽500ps、能量80uJ的激光脉冲。
针对每个激光脉冲，通过高速光电探测器精确测量其出射时刻，用作脉冲飞行时间测量的初始值。
图2：300米外目标照片（左）、强度成像结果（中）、基于飞行时间距离成像结果（右）激光光束在横截面上的光强分布为非均匀高斯分布，在光束中心光强较高，在光束边缘光强较低。
基于Geiger-mode APD的激光雷达性能分析
ｌ ｃ ｅｐｏｏｉｄ （ Ｐ ａ ａ． ｈ ｅ ｃ ｏ ｒｂｂｌｙ ｆｌ —ｌｍ ｒｂｂｌｙａｄ ｍ ｓ ａａ ｒｂｂｌｙａｅｒ ａ ｈ ｈｔｄ ｅ Ａ Ｄ） ｒ ｙ Ｔ ｅｄｔ ｔ ｎｐｏａ ｉｔ， ｓ ａ ｒ ｐｏ ａｉｔ ｎ ｉ ｌ ｍ ｐｏａｉｔ ｒ ｅ ｎ ｏ ｒ ｅｉ ｉ ａｅ ａ ｉ ｓ ｒ ｉ －
ｌｓ ｈ ｎ２ ０ ｍ ． ｈ ｎ ｔｅｐ ｌｅｅ ｅｇ ｓａ ｏ ｅ２ ０ ｎ ，ｈ ｅｅｔ ｎ ｐｏ ａ ｉｔ ｓｃ ｎ ｔｎ． ｏ ｈ ｈ ｅｈ ｌ ｅ ｅ ｓｔａ ０ Ｊ Ｗ ｅ ｈ ｕｓ ｎ ｒｙ ｉ ｂ ｖ ０ ｄ ｔｅｄ ｔｃｉ ｒｂ ｂｌｙｉ ｏ ｓａ ｔＦ ｒｔｅｔｒｓｏｄｄ ・ ｏ ｉ
第 ４ 卷 第 ｌ １ Ｏ期
２１ 年 １ ０１ Ｏ月
激 光 与 红 外
ＬＡＳ ＥＲ ＆ Ｉ ＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏ ． １４１， Ｎｏ． ０ １ Ｏｃｏ ｅ ２ ｔｂ ｒ， ０１ １
文章编号 ： ０－ ７ （０１ １— ９－ １ １ ０８２ １）０１ ２ ６ ０ ５ ０ ０
关键 词 ： 维成像 ； 光 雷达 ； 三 激 盖革模 式 ； 雪崩 光 电二极 管 ； 测概 率 ； 警概 率 探 虚
中图分类号 ：Ｎ ４ ；Ｎ ５ ．８ Ｔ ２９ Ｔ ９８９ 文献标识码 ： Ａ Ｄ ： ．９９ ｊｉ ｎ １０ － ７ ．０ １１ ． ） ＯＩ１ ３６／． ｓ．０ １５ ８２ １．０Ｉ ＇ ０ ｓ ０ Ｘ／
测绘技术中的激光雷达技术与三维重建技术解析
测绘技术中的激光雷达技术与三维重建技术解析激光雷达技术是现代测绘领域中一项重要的技术手段，它通过激光束的扫描和反射来获取地理空间信息。
近年来，随着激光雷达技术的不断发展和进步，其在三维重建领域中的应用也越来越广泛。
本文旨在对激光雷达技术与三维重建技术进行详细解析。
一、激光雷达技术的原理与工作方式激光雷达技术利用激光束的脉冲时间和反射时间来测算目标物体的距离。
通过激光束的发射和接收，激光雷达可以测量出目标物体的位置和空间坐标。
其工作过程可以分为三个主要的步骤：激光束的发射、激光束的接收和数据处理。
激光雷达技术具有高精度、高分辨率和遥感能力的特点，因此在地形测绘、城市规划、环境监测等领域具有广泛应用。
二、三维重建技术与激光雷达技术的结合三维重建技术是一种通过计算机对目标物体进行三维模型的构建的方法。
而激光雷达技术则提供了高精度、高分辨率的三维数据。
将这两者结合起来，可以实现对真实世界的快速、准确的三维重建。
激光雷达技术在三维重建中的应用主要有以下几个方面：1. 点云数据获取：激光雷达可以通过扫描的方式获取目标物体的点云数据，即将物体表面的点以二维或三维坐标的形式表示出来。
这些点云数据可以提供给三维重建算法进行后续处理。
2. 建筑物三维化：通过激光雷达扫描建筑物，可以获取到精确的建筑物点云数据，进而实现对建筑物的三维化重建。
这对于城市规划、建筑设计以及文物保护等方面具有很大的意义。
3. 地形测绘与地貌分析：激光雷达可以快速获取地形表面的点云数据，用于地形测绘与地貌分析。
通过对地形数据的分析，可以为城市规划、防洪工程等提供重要依据。
4. 森林三维化：激光雷达技术可以通过扫描森林获取树木的点云数据，从而实现对森林的三维化，有助于森林植被的监测与保护。
此外，激光雷达技术还可以测量树木的高度、密度等信息。
三、激光雷达技术与三维重建技术的挑战与发展趋势尽管激光雷达技术与三维重建技术在许多领域都取得了显著的进展，但仍面临一些挑战与问题。
激光推进原理与发展状况[著]王骐、李琦、尚铁梁
![激光推进原理与发展状况[著]王骐、李琦、尚铁梁](https://img.taocdn.com/s3/m/6bfefa1452d380eb62946d9e.png)
2 是沿激光传播方向上的距离。 对于推进剂为固体情况， 高能激光照射固体材 料表面时， 随着入射激光功率密度由低到高， 激光对 材料产生加热、 熔化以致汽化效应， 或者在激光作用 时间内几种效应兼有。如果激光功率密度高于一定 ， 蒸汽会产生显著的原 的阈值 （一般 -"L 9 -": C M A/!） 子激发和离化； 已电离的蒸汽将通过逆韧致辐射强 烈吸收后续激光能量， 进一步电离， 形成高温等离子 体。 < 典型推力测量实验设计 由于推进器必须承受 036 产生的高温和极高能 量激光的熔融， 因此研制可靠的火箭用的激光推进 器， 在技术上具有极大的挑战性。通过激光推进器 理论模拟模型， 更改推进器的关键设计特征指标， 达 到优化设计。推进器的关键设计特征指标包括： 喉
（ （! !） - ! # $） ! ! I J" # !# !" （ （! !!） - ! # !$） !% ! ! I J K K &I # !# !" ! !" ! !! I - ! # !! # !# " !# !" "!" （ （! !$） - ! # $$） !% ! ! I J K I # !# !" !# ! $ ! !$ I - ! # !$ K " # !# " !# #! !" "!" （ （ !’） - ! #$’） ! ()**!’ ! ! ! I J I # !# !" !" +% !" - ! #()**!’ . #01 I" #,- K / # !# +% !# （-）
B 部几 何 形 状 （ !"#$%! &’$(’!#)） ， 激光焦距 （ *%+’# ,$-%* 、 窗口尺寸 （ /0.1$/ +02’） 、 工作气压 （ $3’#%!0.& *’.&!"） 、 等离子体标称位置 （ .$(0.%* *$-%!0$. $, !"’ 3#’++4#’） 等。 3*%+(%） 图 5 给出了 6 7 8*%-9 等人设计的 :;9< 激光推 进器结构简图， 推进器形状成旋转对称性， 激光束从 聚焦于推进器出口底 图底部 =.>’ 窗口进入推进器， 部。气体 推 进 剂 从 推 进 器 的 中 部 附 近 （即 图 5 中 注入， 气体向下流过环形区域， 到 ?)1#$&’. 0.*’! 处） 达推进器底部， 然后， 气流向上流过并环绕等离子 体， 最终从喷嘴顶部排出。气体推进剂在推进剂底 部流过时， 可用于冷却激光入射窗 （即 =.>’ 窗口） 。 实际工作气压在 推进器标称工作气压 @ 7 ; 大气压， ; A B 大气压范围内。 壁热损坏， 为此， 喉部截面的直径和会聚角度必须认 真选择。
盖革模式APD阵列激光雷达的三维成像仿真
３ ｎ ｎ ｓａ ｎｎ ｍａ ｉｇｌｓｒｒｄ ｒｗｉ ｉｅ ｄ ｖ ｌｎ ｈ ｈ ｔ ｉｄ （ Ｄ） ｒａ ｓ Ｔ ｅｅｄ ｔｃｏ ｓ Ｄ ｏ —ｃｎ ｉｇｉ ｇｎ ａｅ ａ ａ ｔ Ｇｅｇ ｒｍｏ ｅａ ａａ ｃ ｅｐ ｏｏ ｄｏ ｅ ＡＰ ａｒｙ ． ｈ ｓ ｅｅｔｒ ｈ
ｍｅ ｓ ｒ ｄ ｔｅ ｔｍｅ ｏ ｒｉ ａ ｆｔ ｅ ｒ ｆｅ ｔｄ ｌｇ ｔｉ ｓｅ ｄ ｏ ａ ｕ ｉ ｇ ｌｇ ｔｉ ｔｎ ｉｙ ｉ ｒ ｄ ｔ ｎ ａ ｒ ． ａｕ ｅ ｈ ｉ ｆａ ｒｖ ｏ ｅ ｃｅ ｉ ｈ ｎ ｔ ａ ｆｍｅ ｓ ｒｎ ｉｈ ｎｅ ｓｔ ｎ ａ ｔａ ｉ ｏ ａ ｃ ｍｅ ａ ｌ ｈ ｌ ｉ ｌ
吴丽娟 ， 李 丽 ， 熙明 任
（ 北京航 空航 天 大学 电子 信 息 工程 学 院 ， 北京 １０９） ０ １１
摘 要 ：基 于盖 革模 式 Ａ Ｄ 阵 列激 光雷 达是 一种 非扫 描 三 维成像激 光 雷达 ， Ｐ 为研 究 系统 的 三维成 像
效果 ， 该 系统 的 三维 图像 进行 仿 真 。 对 首先应 用光 线追 踪 法构 建 三维场 景 ； 并对 Ａ Ｄ像 元 的探 测概 率 Ｐ 和 累积概 率进 行 仿真 ， 此基 础上 给 出对探 测 距 离仿 真的 方 法 ， 到激 光 雷达探 测 的距 离像 ； 在 得 最后 通 过 坐标 变换将距 离像 转化 为 三维 图像 ， 实现 了三 维场景 重建 。仿 真结果 表 明 ， 方法 能较好 地仿 真 出 该
ｐ ｏ ｉ ｅ ｙ ｔ ｅ ｓｍｕ ａ ｏ ， ｅ ｌｓ ｒｒｄ ｒｓ ｓｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｒ ｖ ｄ ｄ ｂ ｉ ｌｔ ｎ ｔ ａｅ ａ ａ ｙ ｔｍ ａ ｅ ｎ ＡＰＤ ｒａ ｓＣ ｅ ｆ ｒｈ ｒｓｕ ｉｄ ｈ ｉ ｈ ａ ｒ ｙ ａ ｂ ｕ ｔｅ ｔ ｄｅ ． ｎ Ｋ ｅ ｏ ｄｓ ａ ｅ ａ ａ ； ａ ａａ ｃ ｅ ｐ ｔ ｉ ｄ ｒａ ｓ ｙ ｗ ｒ ：ｌ ｓｒ ｒ ｄ ｒ ｖ ｌ ｈ ｈｏｏ ｄ ｏ ｅ ａｒ ｙ ； Ｇｅｇ ｒ ｍ ｏ ｅ； ３ ｉ ａ ｉ ｇ ｓｍ ｕ ａｉｎ ｎ ｉｅ ｄ Ｄ ｍ ｇ ｎ ｉ ｌｔｏ
基于APD阵列三维成像激光雷达信噪比分析
２１ ０ ０年 ２月
激 光 与 红 外
Ｌ ＥＲ ＆ Ｉ Ｒ ＡＳ ＮＦ ＡＲＥ Ｄ
Ｖｏ． ０ ， １ ４ Ｎｏ． ２
Ｆ ｂ ｕｒ ２ １ ｅ ｒ ａｙ， ０ ０
文章编号： ０ － ７ （００ ０－１２ ４ １ １ ０８２ １）２ ３－ ０ ５ ０ ０
噪声 主要 有大气 的后 向散 射 和太 阳光辐 射引 入 的噪
信 噪 比 Ｓ Ｒ定 义 为 信 号 的峰 值 功 率 与 噪声 功 Ｎ 率 的均 方根 值 的 比值 。基 于 Ａ Ｄ阵列 的 三 维成 像 Ｐ
激光 雷 达系统 信 噪 比可 由公 式 （ ） ６ 表示 ｊ １：
声 。 内部 噪声 主要是 Ａ Ｄ的暗 电流 噪声 和热 噪声 。 Ｐ
ｔｒ ｓ ｏｄ ｖ ｌ ｇ ｆ Ｄ ａｒ ｙ ｅ ｅ ｄｓ ｕ ｓ ｄ ｉ ｉ ｐ ｐ ｒ Ａｎ ｌ ｅｓｍｕ ａｉｎ ｒ ｓ ｌ ｄｃ ｔ ｈ ｔｓ ｌｃ ｉｇ ａ ｈ ｅ ｈ ｌ ｏ ｔ ｅｏ ａ ＡＰ ｒａ ｓｗ ｒ ｉｃ ｓｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｅ ． ｄ ｔ ｉ ｌ ｔ ｕｔ ｉ ｉａｅ ｔ ａ ｅｅ ｔ ｎ印 一 ｈ ｈ ｏ ｅ ｓｎ ｎ
Ａｂ ｔ ｃ ： Ｄ ｉ ａ ｎ Ａ Ａ ａｅ ｎ Ａ Ｄ ａｒｙ ｃｐｕｅ Ｄ ｉ ａｅ ｗ ｔ ｓ ｇ ａｅ ｐ ｌ ．ｎ ｏｄ ｒｔ ｅ ｕａ ｓｒ ｔ３ ｇ ｇＬ Ｄ Ｒ ｂ ｓｄ ｏ Ｐ ｒ ｓ ａ ｔ ｓ３ ｍ ｇ ｉ ｉ ｌ ｌ ｒ ｕｓ Ｉ ｒ ｅ ｏ ｍ ｌ ｅ ａ ｍｉ ａ ｒ ｈ ｎｅ ｓ ｅ ｔ
ｐｒｐｒａｅ ｇ ｉ ｆＡＰＤ ｒａ ｓ ｔ ＮＲ ｄ Ｐ ａ ｃ ｉｖ ｈｅ ｍａ ｉ ｍ ； ｓ ｔ ｒ ｓ ｌ ｏｔ ｅ ｏ ｅｅ ｔｒ ａｒ ｙ ｎ— ｏ ｉｔ ａ ｎ ｏ ａ ｒ ｙ ，ｈｅ Ｓ ｎ ａ ｄ ｃ ｎ ａ ｈｅ ｅ ｔ ｘ ｍｕ ａ ｈ ｅ ｈｏｄ ｖ ｌ ｇ ａ ｆ ｄ ｔｃｏ ｒａ ｓ ｉ
基于盖革模式APD阵列的单
• 盖革模式的APD具备单光子探测功能，因而可以 通过计算激光发射时间和接收到返回光子的时 间间隔得到被测目标的距离信息。
• 由于雪崩过程的自持性，外界杂散光的影响和 APD本身随机产生的暗计数会对被误判为激光回 波信号，对测距的稳定性和精度造成很大的影 响，采用有源抑制方式的APD阵列则可以很好地 解决这些问题
Pt−M∆t)
2.2 测距分析
光子计数激光雷达通过测量脉冲发射和返回 的 时间间隔来得到目标距离，距离的准确度主 要取决于返回时刻确定的准确度
若将脉冲宽度内划分为一系列的定间隔时间 片
则有：
Sp =
Sτi
i=0
利用质心算法可以得到目标距离的准确值:
C RC = 2
基于盖革模式APD阵列的单脉 冲3D激光雷达原理和技术
李 琦,迟 欣,王 骐 哈尔滨工业大学光电子技术研究所
• 一，盖革模式APD及其测距原理
• 二，基于盖革模式APD阵列激光雷达的 工作原理
• 三，第三代基于盖革模式APD阵列的3D 激光雷达系统构成及测距效果
一，盖革模式APD及其测距原理
盖革模式：反向偏压超过击穿电压 反向加的偏压越大,则电流增长的越快
有源抑制：通过反馈使在一次雪崩电流产生后降 低偏置电压终止雪崩，然后再自动升高偏置电压 等待下一次雪崩的发生，从而达到计数的目的
二，基于盖革模式APD阵列激光雷达 的工作原理
2.1 探测分析
信号平均
Sp
=
Et
λ hc ρ cos θtar
Ar R2
基于Geiger-mode APD的激光雷达性能分析
基于Geiger-mode APD的激光雷达性能分析方照勋;张华;李海廷;路英宾;高剑波;陈德章;卿光弼【摘要】针对基于盖革模式雪崩光电二极管(Gm-APD)阵列的激光雷达,提出一种分析其探测性能的方法.以分析单个Gm-APD像元产生的初始光电子和暗计数噪声为基础,对Gm-APD像元的探测概率、虚警概率和漏警概率进行研究,并进一步提出一种多脉冲阚值探测法,并对其探测概率、虚警概率进行了研究和仿真.结果表明,对2～10 km外的目标,采用128×128像元面阵探测器,单脉冲能量小于200 mJ 时,探测概率随脉冲能量提高而提高；单脉冲能量大干200 mJ时,探测概率保持不变；当采用多脉冲阈值探测、信号较弱时,探测概率总是随脉冲能量提高而提高,虚警概率总是随脉冲能量提高而降低.%This paper introduces a method for analyzing the performance of laser radar based on Geiger-mode avalanche photodiode(APD) array. The detection probability, false-alarm probability and miss alarm probability are researched by analyzing the creation of primary photon electronics and dark count rate noise. Further more,the method of threshold detection with multiple-pulses are proposed, of which the detection probability and false probability are researched and simulated. For a target at a distance of 2 km to 10 km and the 128 x 128 Geiger-mode APD array, the detection probability of the ladar system can be improved as the pulse energy increasing, while the pulse energy should less than 200 mJ. When the pulse energy is above 200 mj,the detection probability is constant. For the threshold detection with multiple-pulses,the detection probability of the ladar system can be improved asthe pulse energy increasing, and the false-alarm probability can be reduced as the pulse energy increasing.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2011(041)010【总页数】6页(P1092-1097)【关键词】三维成像;激光雷达;盖革模式;雪崩光电二极管;探测概率;虚警概率【作者】方照勋;张华;李海廷;路英宾;高剑波;陈德章;卿光弼【作者单位】西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041【正文语种】中文【中图分类】TN249;TN958.981 引言相比于传统的二维强度图像，三维激光成像雷达能提供更多的目标信息，比如距离、位置、姿态等，这在地形匹配、直升机避障、激光制导等方面有广阔的应用前景。
基于盖革模式APD的啁啾调幅激光雷达分析
基于盖革模式APD的啁啾调幅激光雷达分析方照勋;张华;刘鹏鹏;李海廷;路英宾;高剑波;陈德章;卿光弼【摘要】The operating principle and simulation results for the photon counting chirped amplitude modulation(AM) ladar using Geiger Mode avalanche photodiode(Gm-APD) detector are introduced. The key parameters of the system and the recovery of the modulating signal are studied and simulated. The simulation result shows that,for our system to detect a 2 km target,the minimal emitting optical power is 6.4 W. It also shows that the wider the pulse width output-ted by the Gm-APD is,the smaller the IF signal is,which is opposite to the SMI. On the other hand,the photon-counting chirp AM ladar has a good ability to control the modulating distortion and distinguish multi-target.%针对基于Gm-APD的光子计数啁啾调幅雷达,介绍了FM-CW测距原理和光子计数啁啾调幅原理.以分析单个Gm-APD像元产生的初级光电子和暗计数噪声为基础,对回波光信号的探测还原进行了研究和仿真,并对影响系统性能的关键参数进行了仿真评估.仿真结果表明,对于本文设计的系统,探测2 km远目标的最小发射功率为6.4W；中频信号的幅度随Gm-APD整形脉冲的脉宽增加而增加,中频信号的信噪比则随Gm-APD整形脉冲的脉宽增加而减小.另外,系统还具有良好的调制失真抑制能力和多目标分辨能力.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2012(042)006【总页数】6页(P620-625)【关键词】三维成像;激光雷达;盖革模式;光子计数;调频连续波;中频信号【作者】方照勋;张华;刘鹏鹏;李海廷;路英宾;高剑波;陈德章;卿光弼【作者单位】西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041;西南技术物理研究所,四川成都610041【正文语种】中文【中图分类】TN958.98近年来，三维激光成像雷达处于高速发展当中，对探测距离、成像帧率和图像精细度的要求也不断提高，这就要求激光器的输出功率和重复频率随之增长。
基于APD阵列的三维成像激光雷达方案
基于APD阵列的三维成像激光雷达方案
陈辉
【期刊名称】《科技创新与应用》
【年(卷),期】2012(000)021
【摘要】本文从基于APD阵列的三维成像激光雷达原理出发，介绍了该激光雷达系统的总体设计方案，其中包括测距方法的选择、激光器的选择、探测体制的选择以及探测器的选择，并对激光雷达光学系统进行了简单介绍。
【总页数】1页(P34-34)
【作者】陈辉
【作者单位】河南职业技术学院党政办公室,河南郑州 450046
【正文语种】中文
【相关文献】
1.APD阵列单脉冲三维成像激光雷达的发展与现状
2.基于盖革模式APD阵列的非扫描激光三维成像雷达研究综述
3.基于APD阵列三维成像激光雷达信噪比分析
4.基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像
5.基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像
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基于盖革模式APD的光子计数激光雷达探测距离研究
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ， Ｘｉ ａ ｎ ｇ ｔ ａ ｎ ４ １ ｌ ２ ０１ ， Ｈｕ ｎ ａ ｎ Ｐｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｅ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ）
Ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ（ Ｇ Ｍ— ＡＰ Ｄ ） ａ ｒ ｒ ａ ｙ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｄ ． Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｍａ ｘ ｉ ｍｕ ｍ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ｉ ｓ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｌ ａ ｄ ａ ｒ ． Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ，ｔ ｈ ｅ ｍａ ｘ ｉ ｍｕ ｍ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ｏ ｆ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ — ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｌ ａ ｄ ａ ｒ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｕ ｓ ｅ ｓ Ｇｅ ｉ ｇ ｅ ｒ － ｍｏ ｄ ｅ Ａｖ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ
基于APD面阵探测器的非扫描激光主动成像雷达
基于APD面阵探测器的非扫描激光主动成像雷达陈德章;张华;冷杰;高建波;路英宾;陶刚;郭嘉伟;李萧【摘要】为了获得目标区域的高精度3-D距离图像,采用自研带读出电路的雪崩光电二极管(APD)面阵探测器组件,研制了一台非扫描激光主动成像雷达.雷达采用波长1.064μm脉冲激光泛光照射目标区域,APD面阵探测器组件接收目标漫反射激光回波信号,经信息处理获得目标区域3-D距离图像,对典型目标开展了3-D成像实验研究.结果表明,所研制的非扫描激光主动成像雷达可获得较好的目标区域3-D 距离图像,成像距离达1.2km,距离分辨率为0.45m,成像帧频为20 Hz.基于APD面阵探测器组件的非扫描激光主动成像雷达技术取得突破.%In order to obtain high-precision 3-D range images of target regions , a non-scanning active imaging lidar was developed by using avalanche photodiode ( APD) array detector assembly with readout circuit developed by ourselves.Pulse laser at wavelength of 1.064μm was used to irradiate target areas and an APD array detector module was used to receive target diffuse reflection laser echo signal.After information processing , the target area 3-D range images were obtained.The experiment study was carried out on typical targets 3-D imaging.The results show that, the developed non-scanning active imaging lidar can obtain good target area 3-D range images with imaging distance of 1.2km, range resolution of 0.45m and imaging frame rate of 20Hz. The technology of non-scanning active imaging lidar based on APD array detector has made a breakthrough.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2017(041)006【总页数】4页(P775-778)【关键词】成像系统;非扫描激光成像雷达;雪崩光电二极管面阵探测器;3维距离图像【作者】陈德章;张华;冷杰;高建波;路英宾;陶刚;郭嘉伟;李萧【作者单位】西南技术物理研究所,成都610041;西南技术物理研究所,成都610041;西南技术物理研究所,成都610041;西南技术物理研究所,成都610041;西南技术物理研究所,成都610041;西南技术物理研究所,成都610041;西南技术物理研究所,成都610041;西南技术物理研究所,成都610041【正文语种】中文【中图分类】TN958.98由于激光主动成像雷达可获得目标的距离图像，具有极强的目标分类识别能力，甚至可识别被部分遮挡或伪装目标，近年来该技术获得了长足的发展。
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FPA 光耦合效率 。 林肯实验室研发的一次曝光激光雷达的显著标
志 , 是在 APD探测器的应用中采用逐渐增大电压电 平的方法 , 使 APD 探测器工作在盖革模式下 , 从而 使成像装置的灵敏度变得非常高 , 理论上每个像素 只需要单光子就能达到探测要求 。
所谓盖革模式 , 就是雪崩光电二极管上所加的 反向偏压超过击穿电压这种工作状态 。 当反向电压 超过了击穿电压 , 在耗尽区上 , 由于碰撞产生的电子 空穴对速 度非常大 , 一 般呈幂指数的 增长 (如图 2 所示 )。 反向 加的偏 压越 大 , 则电流 增长 的越 快 。 只要加在耗尽区上的电压的变化相对于电子空穴对 变化的速率可以忽略 , 电流就会持续地增长 。 如果 在二极管上存在一个连续的电阻 , 随电流的增长耗 尽区上的分压就会下 降 , 最终 达到一个稳定状 态 。 此时 , 电子空穴对的产生速率和抽运速率平衡 , 这个 连续的电阻为电流的漂移提供一个负反馈 。 如果这 个稳定电流不是很小的话 , 它就会不断地漂移 。 如 果雪崩二极管接收到一个光子的话 , 就会发生雪崩 现象 , 使电流达到 最大值 , 这 个过程一般是 瞬态的 (一般不到 1ps)。
Principle and Technology of 3D Ladar on a Single Pulse U sing G eiger-m ode APD Arrays
L I Q i, CH I X in, WANG Q i
(N a tiona lK ey laborato ry of Tunable L aser T echno logy, Institute of O pto-E lectronic, H arb in Institute of Technology, H arbin 150001, Ch ina)
Ab stract:O n a sing le laser pulse to create an entire 3-D im age, the com pac t lase r radar is an important resea rching goal in the lase r im ag ing fie ld. Th is ladar can ob ta in targe t’ s th ree-dim ensiona l im age like hum an’ s eye s do ing. M IT L inco ln Lab in Am erica con tinues the development of th is lada r w ith v isib le light lase r. Soon afterw ards Ray theon did research on th is lada r in the nea r infrared w ave band. In the paper, ba sed on the gene ra l theory o f this ladar, G en-Ⅲ ladar constructed by M IT L inco ln Lab is m ainly introduced. Then the developm en t o f the key techno logy on this lada r is ana ly zed. K ey w ord s:lada r;3D im age on a sing le la ser pulse;array s of ava lanche photodiode;m ic roch ip laser
分别
为发
射
、接收
光
学组
件
的
透
过率
以
及大
气透射率 ;ftr是发射光束和接收视场的重叠比 ;fH 是
图 3 盖革模式 A PD 模型 [ 3] Fig. 3 G eiger-mode A PD m odel[ 3]
图 3给出盖革模式 APD 统计模型 。 在第 m 次 采样间隔内接收的信号光子平均数是 K s [m N s [ m ]和 N b;期间也产生热电子 , 在每个采样
图 5 第三代雷达光学设计 CAD 模型 [ 1] F ig. 5 CA D m ode l of the G en-Ⅲ lad ar op tical design[ 1]
图 6 集成的 APD 和 CM O S焦平面阵列 [ 1]
Fig. 6 assem b le A PD /CM O S focal p lane array[ 1]
图 2 雪崩击穿电压概念 [ 2] F ig. 2 concept of avalanche b reakdow n vo ltage[ 2]
图 1 3D 成像基本原理图
Fig. 1 basic con cep t for tri-d im en sional ladar
该类激光雷达的返回信号由探测到光电子的数
图 1给出了基于盖革模式 APD阵列的 3D激光 成像雷达原理示意图 [ 1] 。 高重频脉 冲激光发散光 束 , 照明整个欲成像的场景 ;反射回的光照射到 2维 APD阵列上 , APD 阵列测得 返回的光到达时间 , 而 不是回波强度 ;每个像元给出距离值 , 从而对每一激 光脉冲 , 激光雷达获得角 -角 -距离像 , 即三维像 。
图 6给出了带有组件和集成块的 APD和 CMOS 焦平面阵列照片 。 已经制作的 APD 工作区直径为 30μm 和 40μm, 像元与像元间距 100μm , 填充系数 分别为 7%和 13%。 林肯 实验室研 制的盖革 模式 APD /CMOS焦平面特性见表 2。
表 2 盖革模式 A PD /CMO S焦平面特性[ 1] T ab. 2 G eige r-mode APD /CMOS foca l p lane
表 1给出光学系统设计参数 。图 4给出了第三 代光学系统设计示意图 。
表 1 第三代雷达光学系统设计参数 [ 1] Tab. 1 op tica l design param e te rs of the G en-Ⅲ system[ 1]
激光波长
532nm
接收孔径
75mm
有效焦距
30 cm
焦比 焦平面阵列像素数
激 光 与 红 外 N o. 12 2006 李琦 迟欣 王骐 基于盖革模式 APD 阵列的单脉冲 3D 激光雷达原理和技术
1117
林肯实验室已经采用波长 532nm 的被动调 Q 二极管泵浦固体倍频微片激光器 (脉宽窄 :700ps左 右 ;高重频 :10kH z)作为发射光源 ;采用基于盖革模 式的 APD阵列 (在室温工作条件下 , 硅 APD 阵列光 电子探测效率已超过 20%)作为探测器 , 且每个像 元中集成了 COMS 数 字计时电路进 行了室内外实 验 。达到了单脉冲成一幅完整的 3D 图像 , 即一次 曝光成三维像 。
量决定 。光电子的数量 N de t由下式给出 [ 1] :
N det
=Ep
hλcτto
τro τ2atm
1 N pix
ρt
ACA πR2
ηde
t
ftr
fH
其中 , Ep 是激光脉冲能量 ;R 是探测器到目标之间 距离 ;ACA是接收有效孔径面积 ;ηdet是探测效率 ;τto 、
τro
、
τ2 atm
基于盖革模式 APD 阵列的单脉冲 3D激光雷达原理和技术
李 琦 , 迟 欣 , 王 骐
(可调谐激光技术国家级重点实验室 , 哈尔滨工业大学光电子技术研究所 , 黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要 :利用激光单脉冲构成一幅完整三维图像的小型化激光雷达 , 是激光成像雷达的一个重 要研究方向 , 它可以实现像人眼一样实时成三维立体像 。 美国麻省理工学院林肯实验室持续 研究此类可见光波段激光雷达 , 随后 Ray theon研发了近红外波段的激光雷达 。 文章在介绍此 类雷达基本原理的基础上 , 重点介绍了林肯实验室研制的第三代激光雷达 , 最后分析了此类激 光雷达关键技术的发展情况 。 关键词 :激光雷达 ;单脉冲三维图像 ;雪崩光电二极管阵列 ;微片激光器 中图分类号 :TN958. 98 文献标识码 :A
第 36卷 第 12期 激 光 与 红 外 2006年 12月 LA SER ＆ IN FRARED
文章编号 :1001-5078(2006)12-01116-04
V o .l 36, N o. 12 D ecem ber, 2006
f /4 32 ×32
视场 (32 ×32)
10. 3m rad ×10. 3m rad
距离分辨率
15 cm
发射光远场图样
匹配于探测器阵列的 32 ×32点阵
成像速率
5 ～ 10kH z
图 4 第三代雷达光学系统设计示意图 [ 1] Fig. 4 G en-Ⅲ ladar optica l sys tem des ign[ 1]
1 引 言 利用激光单脉冲直接构成一幅完整的三维图像
的小型化激光雷达 , 一直是激光成像雷达研究人员的 一个重要 研究方向 。 它可以实 现人们长久以 来梦 想 ———利用机器实现像人眼一样实时成三维立体像 。
美国麻省理工学院林肯实验室从 20世纪 90年 代一直致力于基于盖革模式 (G eiger-m ode)雪崩光 电二极管 (ava lanche pho todiodes, APD)阵列的 3D激 光成像雷达研究 [ 1 -2] 。他们这种雷达主要突破了两