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少光子灵敏度精密激光测距方法及验证

刘鸿彬,  李铭,  舒嵘,  胡以华,  黄庚华

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刘鸿彬, 李铭, 舒嵘, 胡以华, 黄庚华. 少光子灵敏度精密激光测距方法及验证[J]. 红外与激光工程, 2019, 48(1): 106001-0106001(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0106001
引用本文: 刘鸿彬, 李铭, 舒嵘, 胡以华, 黄庚华. 少光子灵敏度精密激光测距方法及验证[J]. 红外与激光工程, 2019, 48(1): 106001-0106001(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0106001
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Liu Hongbin, Li Ming, Shu Rong, Hu Yihua, Huang Genghua. Estimation and verification of high-accuracy laser ranging on several photons[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(1): 106001-0106001(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0106001
Citation: Liu Hongbin, Li Ming, Shu Rong, Hu Yihua, Huang Genghua. Estimation and verification of high-accuracy laser ranging on several photons[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(1): 106001-0106001(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0106001
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少光子灵敏度精密激光测距方法及验证

doi: 10.3788/IRLA201948.0106001
  • 1.

    中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术与系统实验室,上海 200083;

  • 2.

    脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽 合肥 230037;

  • 3.

    中国科学院大学,北京 100049

基金项目: 

国家863计划（2015AA123801）

详细信息
    作者简介:

    刘鸿彬(1992-),男,博士生,主要从事光电信息获取与处理方面的研究。Email:liu_hb1992@163.com

  • 中图分类号: TN249

Estimation and verification of high-accuracy laser ranging on several photons

  • 1.

    Laboratory of Space Active Electro-Optical Technology and System,Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083,China;

  • 2.

    State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology,Hefei 230037,China;

  • 3.

    University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

  • 摘要: 针对传统线性探测激光能量需求高、光子计数难以区分信号和噪声的特点，提出了一种基于少光子的高精度激光测距方法。利用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）作为回波探测器，并对脉冲测距系统的回波响应模型、噪声特性以及测距精度进行分析。搭建了实验验证系统，实现了在激光波长为532 nm、能量为10 nJ的条件下，对107.86 m处的面目标进行测距。实验结果表示，系统的噪声为随机分布，且噪声幅度不超过3个像元同时响应量级，鉴别阈值略大于该值时，即可清晰地分辨出信号和噪声；对于包含32个光子的回波信号，探测器中发生雪崩像元的个数约为4个，此时系统测距精度达到3=3 cm。
    Abstract: A new high-accuracy laser ranging technology based on several photons was mentioned and verified, according to traditional linear detection needing high laser energy and photon counting detection hard to distinguish the avalanche events generated by signal or noise. Silicon Photomultiplier was used as echo detector, making analysis of the echo response model, noise characteristics and ranging accuracy. Laser ranging system was set up to measure target of the 107.86 m at laser wavelength of 532 nm and energy of 10 nJ. Experimental verification result indicates that the noise is a random distribution, which maximum magnitude equals to three pixels fired at the same time. When threshold is set above that, noise and signal can be clearly distinguished. For echo signal containing 32 photons, about four pixels are fired. Meanwhile, ranging accuracy of the system is up to 3 cm at 3 sigma.
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    [18] 张国青, 刘丽娜, 朱长军.  采用多像素光子计数器的探测率与虚警率 . 红外与激光工程, 2013, 42(7): 1819-1824.
    [19] 岱钦, 耿岳, 李业秋, 张乐, 郝永平.  利用TDC-GP21的高精度激光脉冲飞行时间测量技术 . 红外与激光工程, 2013, 42(7): 1706-1709.
    [20] 杨芳, 张鑫, 贺岩, 陈卫标.  采用高速伪随机码调制和光子计数技术的光纤激光测距系统 . 红外与激光工程, 2013, 42(12): 3234-3238.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-08-11
  • 修回日期:  2018-09-12
  • 刊出日期:  2019-01-25

少光子灵敏度精密激光测距方法及验证

doi: 10.3788/IRLA201948.0106001
  • 1. 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术与系统实验室,上海 200083;
  • 2. 脉冲功率激光技术国家重点实验室,安徽 合肥 230037;
  • 3. 中国科学院大学,北京 100049
    • 作者简介:

    刘鸿彬(1992-),男,博士生,主要从事光电信息获取与处理方面的研究。Email:liu_hb1992@163.com

  • 收稿日期: 2018-08-11
  • 修回日期: 2018-09-12
  • 刊出日期: 2019-01-25
基金项目:

国家863计划（2015AA123801）

  • 中图分类号: TN249

摘要: 针对传统线性探测激光能量需求高、光子计数难以区分信号和噪声的特点，提出了一种基于少光子的高精度激光测距方法。利用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）作为回波探测器，并对脉冲测距系统的回波响应模型、噪声特性以及测距精度进行分析。搭建了实验验证系统，实现了在激光波长为532 nm、能量为10 nJ的条件下，对107.86 m处的面目标进行测距。实验结果表示，系统的噪声为随机分布，且噪声幅度不超过3个像元同时响应量级，鉴别阈值略大于该值时，即可清晰地分辨出信号和噪声；对于包含32个光子的回波信号，探测器中发生雪崩像元的个数约为4个，此时系统测距精度达到3=3 cm。

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