红外与激光工程
2024, 53(1): 20230372
1 西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121
2 中国科学院 西安光学精密机械研究所 中国科学院超快诊断技术重点实验室, 陕西 西安 710119
基于单光子探测的距离选通成像系统中，需发射短脉冲激光并进行发射器和接收器之间的同步控制，使探测器工作在光子计数模式并在时间上进行积分，以完成成像操作。为了获得满足系统要求的短脉冲激光，同时减小系统体积、降低系统成本，本文提出将基于射频双极晶体管和基于阶跃恢复二极管SRD(结合短路传输线)两种产生窄脉冲电路应用于单光子距离选通成像系统。介绍了二者的原理与设计方法，进行了仿真验证、实物制作及测试，对脉冲发生器的特点、影响脉宽幅值的因素进行了分析。实物测试结果表明，基于晶体管方式可以产生上升时间为903.5 ps、下降时间为946.1 ps、脉冲宽度为824 ps、幅度为2.46 V的窄脉冲。基于SRD方式可以产生上升时间为456.8 ps、下降时间为458.3 ps、脉冲宽度为1.5 ns、幅度为2.38 V的窄脉冲，二者重复频率皆可达到50 MHz。利用这两种设计方法的任何一种配合外部电流驱动激光二极管都能够获得性能优良的短脉冲激光输出。
距离选通成像 双极性晶体管 阶跃恢复二极管(SRD) 短脉冲激光 range-gated imaging bipolar transistor step recovery diode short pulse laser
1 防灾科技学院 电子科学与控制工程学院，河北 廊坊 065201
2 中国地震局地震研究所，湖北 武汉 430071
3 中国地震局地震大地测量重点实验室，湖北 武汉 430071
4 湖北省地震局，湖北 武汉 430071
现有流动卫星激光测距系统的距离选通模块因硬件架构问题，有稳定性不高、可靠性不强等不足。由于和固定站的设备互不兼容，因此需要研制新的距离选通模块，在兼顾高集成度的同时提升运行稳定性。在基于距离选通与后向散射规避的实现原理基础上，依靠ARM、FPGA嵌入式双核心架构设计全新的距离选通模块。采用人卫激光测距卫星lageos1、ajisai和地球同步卫星compassi3的星历进行距离门参数拟合等测试。经测试，该距离门控模块参数拟合误差小于0.01%，在2 kHz重复频率下单次预期回波时刻计算时间约为34.365 μs，平均后向散射规避点火频率损失率低于1%，在2 kHz重复频率下距离门分辨率优于5 ns，高频率门控信号输出平稳，并且能够满足20 kHz以上的重复频率应用需求，符合预期结果，具有实际应用价值。
距离选通 激光测距 多项式拟合 高重复频率 流动观测 range gating laser ranging polynomial fitting high repetition rate mobile observation 红外与激光工程
2022, 51(12): 20220200
1 中智科仪(北京)科技有限公司
2 西安中智科仪光电设备有限公司
为发展远程拉曼探测技术, 自主研发了门控单光子相机, 结合低能量高重频亚纳秒脉冲激光器, 搭建了远程拉曼测试系统。对距离聚焦透镜0.5米处的氯苯溶液和硝酸钾粉末样品进行了拉曼探测, 在积分时间1s的情况下, 得到的拉曼光谱信噪比高、特征峰位清晰可辨, 展示了门控单光子相机在远程拉曼探测方面的优势和潜力, 该技术具有较强的应用拓展性, 在安检、矿石勘测等方面将有重要应用。
拉曼 远程 单光子相机 距离选通 Raman remote single-photon camera range-gated
1 桂林电子科技大学信息与通信学院, 广西 桂林 541004
2 桂林电子科技大学广西无线宽带通信与信号处理重点实验室, 广西 桂林 541004
激光距离选通的扫描式成像技术具有低成本、能避免多次散射等特点,成像扫描与激光束扫描的同步配合是扫描成像技术的难点。设计了一个基于空间光调制器(SLM)的扫描式距离选通激光雷达系统,保证目标反射光的可靠接收,并在时间上和空间上屏蔽后向散射光。在具有不同衰减长度的光散射环境中对本系统进行了测量,实现二维和三维成像。实验结果表明,本系统能够有效地实现光束扫描与距离选通成像扫描的同步,适用于光散射环境中光学成像的可视距离扩展。
大气光学 扫描激光雷达 距离选通成像 空间光调制器 多次光散射 光学学报
2020, 40(12): 1201001
1 安徽公安职业学院公安科技系, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 空军研究院, 北京 100085
4 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
介绍了基于半导体激光器列阵的距离选通成像系统的总体组成, 针对系统的要求提出三种半导体激光器光束整形设计方案,并利用Zemax软件对三种不同结构的整形方案进行了仿真及实验对比分析。 结果表明叠层阵列宏透镜准直方案结构简单,对整形透镜的装配精度要求不高,成本低廉,但其对Bar条之间平行性和共面性要求较高; 光纤耦合阵列准直方案的光束发散角最小,但耦合损耗较大; 而基于柱状微透镜准直的叠层阵列光束整形方案具有较高的光收集效率和 较小的发散角,且工艺复杂性适中,适于远距离激光主动照明成像的工程应用。
激光技术 距离选通 激光成像 半导体激光器 光束整形 laser techniques range-gating laser imaging diode laser beam shaping
1 中国科学院半导体研究所 光电系统实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院, 北京 100049
相比传统水下摄像机, 水下距离选通成像的作用距离可提高两三倍, 同时基于该技术可实现快速高分辨率三维成像, 在水底详查、避障导航、海洋科学研究、矿藏开发等方面具有广泛应用前景。虽然距离选通成像可通过空间切片的方式抑制水体的后向散射噪声, 实现感兴趣区较高质量的成像, 但是, 在选通图像中仍不可避免地存在空间切片水体的后向散射噪声, 导致图像信噪比和对比度降低, 尤其是对于远距离目标或低反射率目标。介绍了针对水下距离选通二维成像及三维成像去噪方面的技术研究。在二维成像方面, 一是采用双平台自适应增强算法提高图像对比度, 更好地满足人眼视觉要求; 二是采用参考水体去噪算法实现含目标图像的水体去噪, 提高信噪比。在三维成像方面, 针对距离能量相关三维成像, 一是利用参考水体去噪算法实现去噪三维重建, 二是采用双边滤波法对三维图像中数据空洞进行修复, 提高三维图像质量。所述四种方法可独立或联合用于水下距离选通成像的去噪增强, 提高水下距离选通成像技术的性能。
水下成像 距离选通成像 三维成像 距离能量相关 图像增强 去噪 underwater imaging range-gated imaging three-dimensional imaging range-intensity correlation image enhancement deblurring 红外与激光工程
2020, 49(2): 0203002
航天工程大学电子与光学工程系, 北京 101416
基于距离选通的激光成像受激光脉冲能量、距离门门控时间的影响,激光图像对比度偏低,在此基础上进行三维成像的重建效果在整体上存在边缘信息、结构信息严重缺失的问题。因此,提出了一种改善思路,即将引导滤波结合双边滤波的方法应用于二维切片的预处理中,在误差范围内改变二维切片的像素信息分布,以获得高质量的三维重建结果。首先,利用引导滤波增强边缘信息,恢复目标内部的结构信息;然后,结合双边滤波弥补在上一步骤中出现的无效点增多的缺陷,稳定图像的均匀度。研究结果表明:采用引导滤波结合双边滤波的二维图像预处理得到的三维重建结果,在保证距离精度的同时,在边缘信息、结构信息的增强,以及图像的均匀度提升等方面具有优势。
图像处理 距离选通 三维成像 双边滤波 引导滤波 距离能量函数 激光与光电子学进展
2019, 56(15): 151007
为解决距离选通式激光成像中由于图像模糊而导致目标识别率偏低的难题,提出一种保留特征的卷积神经网络(KFCNN)模型,用于激光选通图像中的目标识别。与传统的卷积神经网络不同,KFCNN使用一个特征保留层来提高模糊目标的识别率,提高目标识别的稳健性。为实现特征保留,KFCNN通过增加特征保留约束项及正则化来优化特征保留目标函数并进行训练,通过减小特征保留目标函数值来保证训练样本在模糊之前和之后的特征映射相一致。实验结果表明,KFCNN改善了因模糊造成识别率降低的问题,进而提升了距离选通式激光成像中对指定目标的识别率。
图像处理 距离选通 卷积神经网络 模糊图像 目标识别 特征保留 激光与光电子学进展
2019, 56(2): 021001
针对传统选通成像面临的诸多技术约束与技术瓶颈, 分别从自触发选通与瞬时成像的角度提出了一种波导栅型微孔阵列的自触发瞬时选通成像。文中不但给出了完整的自触发选通成像原理与器件模型, 而且还指出钙钛矿量子点薄膜在瞬时选通成像的优势。最后在真空测试系统中分别对波导栅型微孔阵列的空间调制效果、电子束泵浦成像效果以及钙钛矿量子点薄膜瞬时发光的效果加以标定与建模, 并通过实验证明了该技术方案的可行性。
选通成像 自触发 距离选通 gating imaging self-triggered range gating 红外与激光工程
2019, 48(4): 0402002
