吴琛怡 汪琳莉 施皓天 王煜蓉 潘海峰 李召辉 吴光

(华东师范大学, 精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200241)

本文发展了一种基于高精度单光子探测器的激光测距方法, 实现了百微米量级精度的非合作目标激光测距.单光子测距系统引入参考位置, 有效地抑制了系统延时漂移, 使光子飞行时间测量精度达到0.5 ps, 在2 m测距距离处, 单光子测距系统的测距精度达到65 µm@RMS.这项工作达到了当前脉冲飞行时间测距最高精度水平, 为远距离非合作目标高精度测距和成像提供了一种有效的技术.

1 引 言

单光子测距是基于单光子探测的飞行时间激光测距技术[1], 采用单光子探测器与时间相关单光子符合计数(time-correlated single-photon counting,TCSPC)技术[2−5], 可以达到单光子水平的量子极限灵敏度.另一方面, 单光子测距的测距精度取决于单光子探测器时间抖动和稳定度、回波光脉冲宽度和强度、计时器精度, 与传统的线性光电探测激光测距相比, 其受激光脉冲宽度和单光子探测器时间抖动影响较大.基于盖革雪崩光电二极管(avalanche photodiode, APD)的单光子探测器,量子效率高、尺寸小、室温工作, 是单光子测距中最为实用的探测器件[6−13].其中, 南京理工大学团队[14]通过使用两个探测器来抑制测距误差提高测距精度, 最终实现了3.6 mm的测距精度; 西安交通大学团队[15]通过增加距离选通等方法, 将连续测距残差控制到 ± 1.5 mm以内.这些基于APD单光子探测器的单光子测距精度处于毫米级水平[16−18],主要受限于测距系统……