背景光作用下激光雷达中Si-APD噪声特性研究 - 图文

目录硕士论文４．３本章小结…………………………………………………………………………………．２５５激光雷达系统中Ｓｉ．ＡＰＤ背景光噪声特性研究……………………………２６５．１常温环境下单色光源对ＡＰＤ噪声特性的影响…………………………………．２６５．１．１噪声电压有效值…………………………………………………………．２６５．１．２噪声幅度概率统计………………………………………………………．３２５．１．３噪声功率谱分析…………………………………………………………．３７５．２常温环境下太阳光及人造光源对ＡＰＤ噪声特性的影响………………………４１５。２．１太阳光下目标环境中的背景光对ＡＰＤ噪声特性的影响………………４１５．２．２人造光源对ＡＰＤ噪声特性的影响………………………………………４３５．３本章小结……………………………………………………………………………………４６６总结与展望……………………………．ｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏｏ４７致谢………………．………………………………．…………………．……………………４８参考文献………………………………………………………………………………。４９ＩＶ硕士论文背景光作用下激光雷达中Ｓ卜ＡＰＤ噪声特性研究１绪论１．１研究背景雪崩光电二极管（ＡＰＤ）是一种广泛应用于可见光和近红外波段的光电探测器。ＡＰＤ具有体积小、功耗低、量子效率高、工作频谱范围大等优点【１，２】，在光子计数【３１、微弱光信号检澳ｌＪ［４ｌ、光纤通信【５１、激光雷达【６】等光电探测领域发挥了重要作用。在实际应用中，信号的最佳探测问题一直是激光雷达光电探测系统的研究重点，ＡＰＤ探测系统的信噪比改善关系到激光雷达测距性能的提高。噪声直接影响光电探测系统误差，激光雷达中ＡＰＤ探测器的噪声来源主要有：散粒噪声、热噪声、１／ｆ噪声、产生．复合噪声和背景光噪声等＂Ｊ。其中，背景光噪声主要包括从太阳、地球、星体、大气、云或者一些人造光源辐射到光电探测系统的光信号，还包括大气、雨雾、烟尘等对传输激光的后向散射都可以认为是背景光噪声瞵Ｊ。大探测视场角的激光雷达在白天工作时，背景光噪声远远大于其自身的固有电子噪声，背景光对激光雷达系统的探测信噪比影响最大。强背景光会引起ＡＰＤ的饱和，背景光电流引起的散粒噪声会使ＡＰＤ探测器灵敏度下降。背景光噪声受天气条件和ＡＰＤ光学接收系统参数影响较大，同时由于温度、反偏电压等对ＡＰＤ探测器的增益、响应度、暗电流、噪声等效功率等性能参数都会产生影响，从而引起ＡＰＤ对背景光噪声响应特性的改变１９］。因此，为了实现激光雷达测距机高灵敏度探测，本论文对不同背景光入射条件下激光雷达系统中的ＡＰＤ噪声特性进行了定量测量，分析了在不同背景光条件下、不同ＡＰＤ工作偏压下ＡＰＤ噪声电压信号的有效值、方差、幅度概率分布以及噪声功率谱等特征，在实际应用中，为激光雷达回波信号的最佳探测以及接收机设计提供了理论依据和实验基础。１．２国内外研究与现状早在１９７０年，Ｎｏｒｍａｎｓ．Ｋｏｐｅｉｋａ就已经对光学传输系统的背景光噪声进行了研列１０】。文献中给出的太阳位于天空至高点时光谱辐照度，指出太阳光的主要能量集中在可见光和红外波长区域，此外文章还研究了光学系统参数与光电探测器接收的背景光功率之间的关系。目前，使用较为广泛的ＡＰＤ探测器主要有Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ和ＨｇｃｄＴｅ型ＡＰＤ。其中，Ｓｉ—ＡＰＤ探测器的灵敏光谱范围为４００～１１００ｎｍ，因此大量应用于可见光波段和近红外波段的光电探测，太阳光辐射是这类探测器的主要背景噪声来源。在当前能够查阅到的国内外文献中，关于ＡＰＤ内在噪声特性与温度、反偏电压关１绪论硕士论文系方面有较多理论模型和实验研究［１１，１２，１３Ｊ。１９６４年，Ｌｕｃｏｖｓｋｙ等人提出了ＰＩＮ型光电二极管的数值模型，现在该建模方法仍被广泛应用于光电探测器的建模【ｌ引。莫燕秋等人利用电路模型仿真了Ｓｉ／ＧｅＡＰＤ的频率响应特性【５１，研究了ＡＰＤ光敏面尺寸、吸收层厚度以及其他寄生参量对ＡＰＤ器件带宽的影响，指出随着ＡＰＤ增益提高，带宽减小，在高增益区，影响带宽的主要因素是雪崩建立时间。但是通常由于建立ＡＰＤ等效电路模型［１５，１６］的参数较多且通常较为复杂，且难以考虑ＡＰＤ噪声特性和寄生参量的影响，所以不能精确模拟ＡＰＤ工作特性。现实中由于生产工艺的原因，不同型号、不同生产批次的ＡＰＤ其噪声特性仍会有所差异。西南物理技术研究所指出雪崩倍增噪声并非严格遵守高斯分布，爆破噪声的存在使得ＡＰＤ噪声偏离高斯分布【ｌ７Ｊ；姚萍萍等人在对激光测高仪探测性能的研究中指出：在高背景噪声条件下，使用高斯算法来模拟ＡＰＤ对激光雷达回波信号的响应会引起严重误差【１引，激光雷达接收机虚警率较高时，采用近似算法得出的ＡＰＤ最佳增益能够使得系统获得较高的信噪比。晴朗天空下的背景光噪声主要来自于大气对阳光的散射，在现有文献中，有关太阳光、天空背景辐射、地表不同物体反射特性方面的研究较多，也有激光雷达目标对激光的散射特性方面的研究，但现有文献没有详细讨论ＡＰＤ对这些背景光噪声的响应特性。图１．１是文献中给出的一些常见的地面目标的反射特性【ｌ引。≮《—ｂ群堪零图１．１一些常见的地面目标的反射特性２０１０年，南京理工大学近程高速目标探测技术国防重点学科实验室探究了工作在盖革模式（ＧｅｉｇｅｒＭｏｄｅ）下的ＡＰＤ和第三代ＧａＡｓ光阴极的光谱特性，指出在晴朗的夜空辐射中，近红外辐射急剧增加，远强于可见光光强，并给出了典型目标（混凝土、绿色草木、暗绿图层）的反射特性，以及ＡＰＤ与典型目标的光谱匹配关系【２０Ｊ。国内外有多家公司机构都已经研制出光电探测器参数测试仪。国内西南技术物理研究所早在１９８６年就己研制出国内第一台ＧＣ．１型雪崩光电二极管动态测试仪，此仪器可硕士论文背景光作用下激光雷达中Ｓｉ－ＡＰＤ噪声特性研究以测量ＡＰＤ的倍增因子、电压响应度等常规参数。国内的中国科学院半导体研究所、武汉搏盛科技有限公司、西安超凡光电设备等公司以及国外的ＶＩＭ、ＴＥＫ、ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ、Ｌａｂｓｐｈｅｒｅ、Ａｇｉｌｅｎｔ等公司也研发出相关光电探测器测试设备【２Ⅵ２‘。近年来还有基于Ｌａｂｖｉｅｗ技术的ＡＰＤ噪声等效功率测量系统等新的测试测量系统被研制出来【２３１，此仪器使用锁相放大器对微弱信号进行选频放大，以测量特定频率的噪声电压大小，通过Ｌａｂｖｉｅｗ编程界面可以方便地测试ＡＰＤ系统的噪声等效功率，从而可以据此衡量ＡＰＤ信号检测能力。但这些系统大多只是针对某几种特定型号的探测器进行测试，而且测量的参数有限，限制了其应用范围。国内中航６１３所的羊毅等人在激光雷达背景辐射抑制技术方面进行了研究【２４Ｊ，作者基于ＬＯＷＴＲＡＮ７软件进行了仿真计算，模拟了在不同能见度条件下进行测距时，背景光功率Ｐ与被测目标距离Ｒ的关系，如图１．２所示，并分析了视场法、光谱分辨法和视频宽带法对背景噪声的抑制效果，但未见作者给出实际测量数据。背景噪声抑制在激光雷达距离像、强度像处理方面也十分重要。０９８７６ｌｌＩＩ＾Ｓ心。ｌ－≥ｃ—Ｃ４ｆ、‘：：．～Ｌ３２ｌ００＼、＼’’．：‘≈≈ｄｏ’曙３６９１２１）Ｒ（Ｉ凹．）图１．２不同能见度下空对地测距时的背景光功率Ｐｂ与被测目标距离Ｒ的关系曲线在已查阅的文献中，通常采用以下方法抑制激光雷达的ＡＰＤ探测器噪声：１．抑制温度对ＡＰＤ噪声特性的影响：（１）保持ＡＰＤ工作在恒温环境。（２）精确的偏压补偿。根据ＡＰＤ倍增因子与其偏置电压的相关特性，通过调节ＡＰＤ的偏压来补偿温度漂移产生的光电探测误差。２．抑制背景光对ＡＰＤ噪声特性的影响：（１）视场法：减小ＡＰＤ探测器光学接收系统的视场角从而有效地抑制背景光。（２）光谱分辨法：根据激光发射的光谱范围，在激光雷达接收系统中放置与之相匹配的窄带滤光片，从而抑制背景光噪声。（３）时间分辨法：控制接收系统在发射脉冲离开近距离盲区后才开始工作，抑制