背景光作用下激光雷达中Si-APD噪声特性研究 - 图文

声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。ｗｆ垆年喀月西日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：伽／≯年哆月箔日硕士论文背景光作用下激光雷达中Ｓｉ—ＡＰＤ噪声特性研究摘要雪崩光电二极管（ＡＰＤ）是一种量子效率高、灵敏度高、频率响应特性好的光电探测器，在激光雷达、微光探测、光纤通信等领域中有着重要应用。大探测视场角脉冲式激光雷达在白天工作时，背景光通常是其ＡＰＤ探测系统的主要噪声来源，因此，有必要探究激光雷达中ＡＰＤ在不同背景光下的噪声特性，以利于ＡＰＤ最佳倍增工作点的设定，提高激光雷达探测信噪比。论文深入调研了国内外关于ＡＰＤ工作原理、噪声成因及理论模型等方面的最新研究成果，以南京理工大学信息与物理工程系研发的激光雷达回波信号接收机为原型，设计了Ｃ３０９５０Ｅ型Ｓｉ．ＡＰＤ噪声测量系统。论文使用Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ公司生产的ＴＤＳ５０５４Ｂ型数字示波器对ＡＰＤ噪声信号进行采样，并根据数字信号处理和数理统计理论，使用Ｍａｔｌａｂ和Ｏｒｉｇｉｎ软件对噪声数据进行分析，深入研究了不同背景光条件下激光雷达系统中Ｓｉ．ＡＰＤ的噪声特性。根据对噪声数据的统计分析，论文给出了在恒定温度环境下，ＡＰＤ噪声电压有效值与入射背景光功率、ＡＰＤ偏置电压之间的关系，探讨了饱和现象对ＡＰＤ工作性能的影响；指出ＡＰＤ工作在线性模式时，在本文选定的背景光入射条件下，ＡＰＤ探测系统的噪声幅度概率分布均为高斯分布；通过对ＡＰＤ噪声功率谱的分析，明确了噪声功率谱特征及ＡＰＤ探测系统带宽。本次论文研究为激光雷达光学接收系统的设计提供了依据，有利于激光雷达最佳工作状态的确定和信噪比的改善，在激光雷达领域有重要应用。关键词：雪崩光电二极管，噪声特性，背景光，信号处理，信噪比Ａｂｓｔｒａｃｔ硕士论文ＡｂｓｔｒａｃｔＡｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ（ＡＰＤ）ｉｓａｎｄａｋｉｎｄｏｆｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｏｒｓｗｉｔｈｈｉｇｈｑｕａｎｔｕｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｇｏｏｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅ．ＡＰＤｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｌａｓｅｒｒａｄａｒ，ｗｅａｋｌｉｇｈｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｆｉｂｒｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ＢａｃｋｇｒｏｕｎｄｌｉｇｈｔｉｓｕｓｕａｌｌｙｔｈｅｍａｉｎｎｏｉｓｅｔｏｔｈｅＡＰＤｄｅｔｅｃｔｏｒｏｆｌａｓｅｒｒａｄａｒｗｉｔｈｌａｒｇｅａｎｇｌｅｏｆｆｉｅｌｄｗｏｒｋｉｎｇｉｎｄａｙｌｉｇｈｔ．Ｓｏｉｔｉｓｍｅａｎｉｎｇｆｕｌｒａｄａｒ．ＲｅｃｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｎｏｉｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡＰＤｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅＳＮＲｏｆｌａｓｅｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＡＰＤｏｎａｎｄｔｈｅｏｒｉｅｓｏｆＡＰＤｎｏｉｓｅｉＳｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＡｎｏｉｓｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｌａｓｅｒｒａｄａｒｒｅｃｅｉｖｅｒｗｈｉｃｈｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＰｈｙｓｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎＮＪＵＳＴｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒＣ３０９５０ＥｗｈｉｃｈｉｓａｋｉｎｄｏｆＳｉ—ＡＰＤ．ＤｉｇｉｔａｌｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅＴＤＳ５０５４ＢｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙＴｅｋｔｒｏｎｉｘｉｓｕｓｅｄｔｏｓａｍｐｌｅｔｈｅｎｏｉｓｅｓｉｇｎａｌ．ＴｈｅｂａｓｅｄＯｎｓａｍｐｌｉｎｇｄａｔａｉｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅＭａｔｌａｂａｎｄＯｒｉｇｉｎｓｏｆｔｗａｒｅｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｔｈｅｏｒｉｅｓ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄＢａｓｅｄｎｏｉｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡＰＤｉｎｌａｓｅｒｒａｄａｒｓｙｓｔｅｍ．ｏｎｔｈｅｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｎｏｉｓｅｄａｔａ，ｔｈｅｐａｐｅｒｇｉｖｅｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔＲＭＳｏｆｔｈｅＡＰＤｖｏｌｔａｇｅｎｏｉｓｅ，ｔｈｅｌｉｇｈｔｐｏｗｅｒａｎｄｔｈｅｂｉａｓｖｏｌｔａｇｅｏｆＡＰＤｉｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅａｆｆｅｃｔｉｏｎｏｆｓａｔｕｒａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｅｇｉｖｅｎｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｏｎｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｎｏｉｓｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｉＳＧａｕｓｓｉａｎｗｈｅｎＡＰＤｗｏｒｋｓＬｉｎｅａｒＭｏｄｅ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｇｅｔｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｎｏｉｓｅｐｏｗｅｒｓｐｅｃｔｒａｌｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｓｙｓｔｅｍｂａｎｄｗｉｄｔｈａｆｔｅｒｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ．ＴｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｕｓｅｆｕｌｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｌａｓｅｒｒａｄａｒｒｅｃｅｉｖｅｒｒａｄａｒｗｏｒｋｉｎｇｗｉｔｈｉｔｓｂｅｓｔｓｔａｔｅａｐｐｌｙｏｎａｎｄｈｅｌｐｆｕｌｔｏｋｅｅｐｌａｓｅｒａｎｄｂｅａｅｒＳＮＲ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｌａｓｅｒｒａｄａｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｉ—ＡＰＤ，Ｎｏｉｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｌｉｇｈｔ，Ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓ，ＳＮＲＩＩ硕士论文背景光作用下激光雷达中Ｓｉ—ＡＰＤ噪声特性研究目摘目录要……．……………………………………………………………………………………．Ｉ录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．ＩＩＩ１．１研究背景……………………………………………………………………………………１１．２国内外研究与现状…………………………………………………………………．１１．３本文的主要研究工作………………………………………………………………………。４Ａｂｓｔｒａｃｔ．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．ＩＩ１绪论………………………………………………………………………………………………１２Ｓｉ．ＡＰＤ物理结构及其工作原理…………………………………………………６２．１２．２Ｓｉ－ＡＰＤ物理结构及探测原理………………………………………………………６ＡＰＤ特征参数………………………………………………………………………．７２．２．１倍增因子Ｍ…………………………………………………………………７２．２．２量子效率”…………………………………………………………………．７２．２．３响应时间ｔ…………………………………………………………………．．８２．２．４灵敏度Ｒ……………………………………………………………………８２．３ＡＰＤ工作模式………………………………………………………………………．９２．４本章小结…………………………………………………………………………。ｌＯ３ＡＰＤ噪声特性与统计分析理论………………………………………………．１１３．１３．２ＡＰＤ探测器噪声来源………………………………………………………………．．１１ＡＰＤ探测器噪声特性分析………………………………………………………………１１３．２．１ＡＰＤ探测器内部噪声……………………………………………………．．１１３．２．２ＡＰＤ探测器外部噪声……………………………………………………．１４３．２．３噪声对ＡＰＤ探测系统的影响……………………………………………１５３．３随机噪声统计分析与估计理论…………………………一……………………………１７３．４本章小结………………………………………………………………………………．１９４激光雷达系统中Ｓｉ．ＡＰＤ背景光噪声测量实验设计……………………２０４．１ＡＰＤ背景光噪声测量实验系统及实验方法……………………………………。２０４．２．１光源………………………………………………………………………………………………２１４．２．２光功率计与光照度计……………………………………………………２ｌ４．２．３４．２．４４．２实验所用器件及测量仪器…………………………………………………………．２１ＡＰＤ探测器………………………………………………………………２２ＡＰＤ探测器信号放大电路………………………………………………２４