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Si-SPAD抗辐照技术的研究进展

激光技术 2024年

作者：蓝禹王鸥王江袁利柯尊贵邓世杰袁菲周小燕西南技术物理研究所中国航天科技集团有限公司第五研究院第五〇二研究所

硅单光子雪崩光电二极管以低暗计数率、高单光子探测效率等性能优势，以及小型化、无需极低制冷温度等技术特点，成为了空间应用领域中最具前景的单光子探测器之一。降低太空辐射环境对探测器造成的损伤，减少暗计数率，并延长探测器的... 详细信息

硅单光子雪崩光电二极管以低暗计数率、高单光子探测效率等性能优势，以及小型化、无需极低制冷温度等技术特点，成为了空间应用领域中最具前景的单光子探测器之一。降低太空辐射环境对探测器造成的损伤，减少暗计数率，并延长探测器的使用寿命，是尤为关键的技术。介绍了硅单光子雪崩光电二极管在抗辐照技术方面的研究现状和趋势，阐述了单光子探测器的工作机制及空间辐照效应对探测器性能的影响，对硅单光子雪崩光电二极管的未来发展前景进行了展望，指出通过增强制冷、高温退火、激光退火以及结构优化4种抗辐照手段的应用，有望进一步提高探测器的性能和可靠性，为空间探测和星地通信等领域的发展提供有效的技术支撑。

关键词：探测器抗辐照空间辐射暗计数制冷退火结构

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32×32 Si盖革模式激光焦平面探测器

激光技术 2023年

作者：王江王鸥刘向东袁利柯尊贵郝昕覃文治杨赟秀中国航天科技集团有限公司第五研究院第五0二研究所西南技术物理研究所

为了满足350 nm～1100 nm波长范围内远距离及微弱激光3维成像探测的需求，提出了一种规模为32×32的盖革模式硅激光焦平面阵列探测器，它主要由硅雪崩光电二极管阵列、读出电路芯片、微透镜阵列、半导体制冷器、引脚网格阵列壳体等元件... 详细信息

为了满足350 nm～1100 nm波长范围内远距离及微弱激光3维成像探测的需求，提出了一种规模为32×32的盖革模式硅激光焦平面阵列探测器，它主要由硅雪崩光电二极管阵列、读出电路芯片、微透镜阵列、半导体制冷器、引脚网格阵列壳体等元件组成。硅雪崩光电二极管焦平面阵列采用拉通型n+-п1-p--п2-p+结构，工作在盖格模式下，并通过Si片背面抛磨减薄及盲孔刻蚀技术，实现了纤薄光敏区的加工。读出电路采用主动模式淬灭设计，使电路单元的死时间控制在50 ns以内，并利用一种带相移技术的时间数字转换电路优化方案，在实现≤2 ns时间分辨率的同时，降低了读出电路芯片的功耗。结果表明，在反向过偏电压14 V、工作温度-40 ℃的条件下，该探测器在850 nm的目标波长可实现20.7%的平均光子探测效率与0.59 kHz的平均暗计数率，时间分辨率为1 ns，有效像元率优于97%。该研究为纤薄型背进光Si基激光焦平面探测器的研制提供了参考。

关键词：传感器技术雪崩焦平面探测器盖革模式硅激光3维成像

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电磁波与光生等离子体相互作用及其应用研究

电磁波与光生等离子体相互作用及其应用研究

作者：柯尊贵电子科技大学

学位级别：硕士

等离子体由带等量电荷的自由电子、正离子和中性原子组成。当电磁波在等离子体中传播时,其电场将对自由电子和正离子产生作用力,从而影响电磁波在等离子体中的传播特性。光生等离子体,就是用激光照射的方法,在半导体基片上形成等离子体... 详细信息

等离子体由带等量电荷的自由电子、正离子和中性原子组成。当电磁波在等离子体中传播时,其电场将对自由电子和正离子产生作用力,从而影响电磁波在等离子体中的传播特性。光生等离子体,就是用激光照射的方法,在半导体基片上形成等离子体层。光生等离子体的产生使半导体材料光学参数和电学参数发生变化,进而改变材料中光波和电磁波的传输特性。光生等离子体效应具有响应速度快、可重复构建等优势,基于该效应的各种光控微波器件成了各国研究的热点。国内外有报道基于该效应的高速光电导开关、微波移相器、微波衰减器、毫米波扫描天线等。本文首先对光生等离子体的形成原理进行了系统介绍,建立了光生载流子的纵向和横向稳态传输模型,并推导了光生载流子的纵向和横向稳态分布表达式。讨论了材料参数、照射激光参数对光生载流子分布的影响。其次,从电磁波作用下光生等离子体的复介电常数模型出发,系统分析了电磁波在光生等离子体中的传输特性,包括反射、透射、衰减、相移等特性与光生载流子浓度的关系。同时还分析了一定光生载流子浓度下,光生等离子体中电磁波传输特性与其自身频率的关系。最后介绍光生等离子体效应在电磁波控制领域的一些应用,特别是THz波控制和光控Fresnel波带片扫描天线。分析了光控Fresnel波带片扫描天线增益的影响因素,计算了控制光强对94GHz毫米波透射率的影响,推导了94GHz的毫米波光控Fresnel扫描天线激光照射花样的设计公式。同时对光生等离子体Fresnel波带片天线和金属环带天线的增益进行了实验测量,等离子天线增益的实验测量为4dB,而理论计算为6.5dB,金属环带天线的增益为18dB,理论计算为21.1dB。分析了实验测量值与理论不同的原因,以及等离子体天线增益不够理想的原因,并提出了改善意见。

关键词：光生等离子体光控扫描天线 THz 复介电常数

边缘区域约束的导向滤波深度像超分辨率重建算法

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红外与激光工程 2021年第1期50卷 314-324页

作者：武军安郭锐刘荣忠柯尊贵赵旭南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室江苏南京210094 西南技术物理研究所四川成都610041 北京信息科技大学高动态导航技术北京市重点实验室北京100101

为了解决TOF(Time of Flight)相机获取的深度像分辨率较低的问题,基于导向滤波器提出了一种边缘区域约束的超分辨率重建算法。首先对低分辨深度像进行初始上采样,利用多尺度边缘检测提取深度像的边缘区域;然后根据同场景中灰度图像与深... 详细信息

为了解决TOF(Time of Flight)相机获取的深度像分辨率较低的问题,基于导向滤波器提出了一种边缘区域约束的超分辨率重建算法。首先对低分辨深度像进行初始上采样,利用多尺度边缘检测提取深度像的边缘区域;然后根据同场景中灰度图像与深度像的边缘相似性,提取公共边缘区域;最后,根据灰度图像的边缘像素在公共边缘区域中的位置约束导向滤波器的系数生成,重新对导向滤波器的系数进行加权,从而构建出高分辨率的深度图。通过标准数据库Middlebury数据集进行验证,与3种近年来基于滤波的超分辨重建算法相比较,文中方法既能有效地保护重建深度像的边缘结构,同时具有较高的计算效率。研究结果可以为低分辨激光成像雷达的目标识别、场景重建等对实时性要求较高的工程应用提供理论依据。

关键词：超分辨重建导向滤波深度像边缘区域约束

用于弹载线阵红外与激光扫描成像引信的轻量化卷积神经网络目标识别方法

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弹道学报 2021年第3期33卷 89-96页

作者：武军安郭锐刘荣忠柯尊贵南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室江苏南京210094 西南技术物理研究所四川成都610041

为了进一步提高末敏弹在复杂战场环境下对地面装甲目标的识别概率,提出了一种基于轻量化卷积神经网络的红外图像与距离像复合探测识别方法。网络设计考虑了弹载环境对实时性的要求,将网络划分为特征提取、特征融合2个阶段。在特征提取阶... 详细信息

为了进一步提高末敏弹在复杂战场环境下对地面装甲目标的识别概率,提出了一种基于轻量化卷积神经网络的红外图像与距离像复合探测识别方法。网络设计考虑了弹载环境对实时性的要求,将网络划分为特征提取、特征融合2个阶段。在特征提取阶段,对不同源的图像进行了分布式卷积,提高了网络的并行性,降低了网络参数量与计算量;为了弥补分布式卷积带来的特征损失,将距离像与红外图像的融合图像也一并作为网络输入;在特征融合阶段利用深度可分离卷积实现了进一步的轻量化设计。通过仿真缩比实验环境获得的数据集进行实验验证,实验结果表明,网络具有较小计算复杂度的同时能够对复杂背景环境下的装甲目标进行有效识别。

关键词：末敏弹线阵扫描红外探测器激光雷达卷积神经网络

低暗计数率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管

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红外与激光工程 2017年第12期46卷 272-278页

作者：石柱代千宋海智谢和平覃文治邓杰柯尊贵孔繁林西南技术物理研究所四川成都610041

通过对InGaAsP/InP单光子雪崩二极管(SPAD)的探测效率、暗计数率等基本特性与该器件的禁带宽度、电场分布、雪崩长度、工作温度等参数之间关系的分析,采用比通常的InxGa As(x=0.53)材料具有更宽带隙的InxGa1-xAsyP1-y(x=0.78,y=0.47)材... 详细信息

通过对InGaAsP/InP单光子雪崩二极管(SPAD)的探测效率、暗计数率等基本特性与该器件的禁带宽度、电场分布、雪崩长度、工作温度等参数之间关系的分析,采用比通常的InxGa As(x=0.53)材料具有更宽带隙的InxGa1-xAsyP1-y(x=0.78,y=0.47)材料作为光吸收层,并且精确控制InP倍增层的雪崩长度,有效地降低了SPAD的暗计数率。其中InGaAsP材料与In P材料晶格匹配良好,可在In P衬底上外延生长高质量的InGaAsP/InP异质结,InGaAsP材料的带隙为Eg=1.03 e V,截止波长为1.2μm,可满足1.06μm单光子探测需要。同时,通过设计并研制出1.06μm InGaAsP/InP SPAD,对其特性参数进行测试,结果表明,当工作温度为270 K时,探测效率20%下的暗计数率约20 k Hz。因此基于时间相关单光子计数技术的该器件可在主动淬灭模式下用于随机到达的光子探测。

关键词：单光子雪崩二极管 InGaAsP/InP 1.06μm 自由模式暗计数率

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相干激光雷达平衡式相干探测技术研究

激光技术 2015年第1期39卷 46-49页

作者：刘兵陶炜柯尊贵冯力天袁菲李晓峰中国人民解放军驻二〇九所军事代表室成都610041 西南技术物理研究所成都610041

为了分析影响平衡式相干探测信噪比的因素,采用数学模型推导了平衡式相干探测原理和信噪比公式,分析了影响平衡式相干探测信噪比的因素,研制了用于相干激光雷达信号接收的平衡式激光探测器,并通过相干雷达样机,完成了气溶胶粒子发生米... 详细信息

为了分析影响平衡式相干探测信噪比的因素,采用数学模型推导了平衡式相干探测原理和信噪比公式,分析了影响平衡式相干探测信噪比的因素,研制了用于相干激光雷达信号接收的平衡式激光探测器,并通过相干雷达样机,完成了气溶胶粒子发生米氏散射回波信号的探测。结果表明,研制的平衡式激光探测器具有非常低的噪声和高探测灵敏度特性,能较好地探测出大气中气溶胶粒子发生米氏散射的激光回波信号。

关键词：激光技术探测器平衡式相干探测相干激光雷达多普勒频移

用于弹载线阵激光雷达的卷积神经网络目标识别

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光子学报 2019年第7期48卷 210-220页

作者：武军安郭锐刘荣忠柯尊贵南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室南京210094 西南技术物理研究所成都610041

为了提高末敏弹在复杂背景条件下对装甲目标的识别能力,将线阵激光雷达作为探测器,结合卷积神经网络对线阵激光雷达距离像进行目标分类与识别.利用末敏弹边旋转边下降的运动特点,实现对扫描区域的距离成像,并通过采样率控制及插值等算... 详细信息

为了提高末敏弹在复杂背景条件下对装甲目标的识别能力,将线阵激光雷达作为探测器,结合卷积神经网络对线阵激光雷达距离像进行目标分类与识别.利用末敏弹边旋转边下降的运动特点,实现对扫描区域的距离成像,并通过采样率控制及插值等算法将原始距离像构造成适用于卷积神经网络的灰度像.针对弹载高实时性、小体积和低功耗的要求,建立了由两层卷积层和一层全链接层构成的浅层卷积网络,选用Xilinx ZYNQSoC芯片作为硬件平台,通过基于HLS技术和SDSoC开发环境将卷积操作放在端进行硬件并行加速.缩比模拟试验结果验证了该方法具有较高的目标识别精度,对复杂背景下的装甲目标也能有效识别.ZYNQSoC的PL硬件相较于普通CPU方案,加速性能提升了5倍,能够满足弹载的要求.

关键词：线阵激光雷达目标识别卷积神经网络末敏弹硬件加速

末敏弹线阵激光雷达对地面装甲目标的提取方法

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红外与激光工程 2019年第3期48卷 132-139页

作者：武军安郭锐刘荣忠刘磊柯尊贵南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室江苏南京210094 埃因霍温理工大学机械工程系西南技术物理研究所四川成都610041

为了提高末敏弹在复杂战场环境下对地面装甲目标的识别概率,提出了一种用于弹载线阵激光成像雷达的目标提取方法,结合末敏弹边旋转边下降的稳态运动特点,实现了线阵列激光雷达对扫描区域的三维点云成像。首先通过对点云中高度数据分析,... 详细信息

为了提高末敏弹在复杂战场环境下对地面装甲目标的识别概率,提出了一种用于弹载线阵激光成像雷达的目标提取方法,结合末敏弹边旋转边下降的稳态运动特点,实现了线阵列激光雷达对扫描区域的三维点云成像。首先通过对点云中高度数据分析,提出了基于高度与梯度的组合阈值分割算法,实现了地面背景的快速分割;然后利用坐标变换,对有坡度的地面进行调整,并通过典型装甲目标的几何尺寸自动获取种子点进行区域增长分割;最后利用最小外接矩形特征获取目标的几何信息,由目标的几何特征实现装甲目标的提取。仿真结果表明:此方法可以实现线阵列激光雷达在50～120 m高度下对地面装甲目标的准确提取,从而为新型末敏弹目标探测提供技术支撑。

关键词：线阵激光雷达末敏弹三维点云目标提取