基于时间相关单光子计数技术的激光测距实验研究

论文摘要

时间相关单光子计数技术（TCSPC）是一种探测单光子信号的有效手段,能够给出光子被探测到的时间,并且在信号周期内建立起光子随时间的分布函数。时间相关单光子计数技术被广泛地应用在生物研究、荧光寿命测量、激光成像雷达等领域。本文对TCSPC技术进行了研究,首先对该技术的基本原理以及系统方案进行介绍;再对TCSPC的特性进行研究,并对放大器的性能进行测试分析;最后将TCSPC技术应用在激光测距中。在时间相关单光子计数技术中探测器对信噪比的影响很大,但是国内研究人员并未对此做过详细研究。基于国外文献所述,本文对探测器性能进行分析。经过对光电倍增管的暗计数以及总计数随供电电压变化关系的分析,验证了关系曲线具有平坦区域,经与相应的信噪比比较,证明了平坦区域可以使信噪比达到最佳,并且探测器处于稳定工作状态;根据光电倍增管以及光子统计分布的原理,则光电倍增管输出脉冲的幅值具有一定的分布规律,通过实验证明该观点,并获得了光电倍增管输出信号脉冲的幅值分布规律,进一步研究发现,暗计数主要集中在低幅值区域,而光子计数在高幅值区域具有峰值。由此,证明最佳工作电压在计数-电压关系曲线的平坦区域内选取,最佳鉴别电平为总计数幅值分布曲线的波谷点。鉴于时间相关单光子计数技术具有很高的时间分辨精度和灵敏度,所以将该技术应用在激光测距中。目前商品化的短距离激光测距机测量精度大多为米量级,而且在国内很少见到将该技术应用在激光测距中。本文针对短距离激光测距进行了基础的研究,使用时间-数字转换器（时间测量单元）作为时间间隔测量单元。通过研究,选取莱伊达算法和中值滤波联合使用的方法对数据进行处理,这对减小测量结果的误差,提高测量精度很有帮助。此外,通过探测效率实验对最大测量距离进行分析,获得了测量距离与目标尺寸的关系。对5m和7m的短距离进行实验,获得了很好的实验结果。根据在实验测量结果以及理论分析,得出系统在短距离测距中,最小测量精度可以达到为厘米量级,可以使用脉冲能量为微焦量级的激光器作为光源,为小型化激光测距机奠定基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 国外研究进展
• 1.2.2 国内研究进展
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 光子计数技术
• 2.1 光子计数原理
• 2.2 时间相关单光子计数原理
• 2.3 本章小结
• 第3章 TCSPC 系统关键器件的特性分析
• 3.1 单光子信号
• 3.2 探测器
• 3.2.1 探测器原理
• 3.2.2 光电倍增管特性分析
• 3.3 时间测量单元
• 3.3.1 时间测量方法种类
• 3.3.2 时间测量单元性能分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于TCSPC 技术的激光测距实验
• 4.1 光子计数系统
• 4.2 放大器性能分析
• 4.3 激光测距实验
• 4.3.1 激光测距方案
• 4.3.2 测距实验
• 4.3.3 实验数据处理
• 4.3.4 多目标探测研究
• 4.3.5 最大测量距离研究
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢