留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

距离选通成像系统中短脉冲激光驱动技术研究

王翀 杨嘉皓 朱炳利 韩江浩 党文斌

王翀, 杨嘉皓, 朱炳利, 韩江浩, 党文斌. 距离选通成像系统中短脉冲激光驱动技术研究[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(3): 567-577. doi: 10.37188/CO.2022-0142
引用本文: 王翀, 杨嘉皓, 朱炳利, 韩江浩, 党文斌. 距离选通成像系统中短脉冲激光驱动技术研究[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(3): 567-577. doi: 10.37188/CO.2022-0142
WANG Chong, YANG Jia-hao, ZHU Bing-li, HAN Jiang-hao, DANG Wen-bin. Short pulse laser drive technology in a distance-selective imaging system[J]. Chinese Optics, 2023, 16(3): 567-577. doi: 10.37188/CO.2022-0142
Citation: WANG Chong, YANG Jia-hao, ZHU Bing-li, HAN Jiang-hao, DANG Wen-bin. Short pulse laser drive technology in a distance-selective imaging system[J]. Chinese Optics, 2023, 16(3): 567-577. doi: 10.37188/CO.2022-0142

距离选通成像系统中短脉冲激光驱动技术研究

基金项目: 国家自然科学基金(No. 51709228);陕西省自然科学基金(No. 2020JM-578)
详细信息
    作者简介:

    王 翀(1972—),男,陕西咸阳人,副教授,2005年于西南交通大学获得硕士学位,主要从事光电子技术、光通信及器件等方面的研究。E-mail:cw72@xupt.edu.cn

    杨嘉皓(1998—),男,陕西西安人,硕士研究生,就读于西安邮电大学电子信息专业,主要从事激光成像、图像处理等研究。E-mail:Y1998jh@163.com

  • 中图分类号: TN249

Short pulse laser drive technology in a distance-selective imaging system

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51709228); Natural Science Foundation of Shaanxi Province (No. 2020JM-578)
More Information
  • 摘要:

    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。

     

  • 图 1  晶体管窄脉冲产生电路原理图

    Figure 1.  Schematic diagram of narrow pulse generation circuit based on a transistor

    图 2  电路中各个点响应仿真结果

    Figure 2.  Response simulation results of various points in the circuit

    图 3  窄脉冲产生流程图

    Figure 3.  Flow chart of narrow pulse generation

    图 4  晶体管窄脉冲产生电路实物图

    Figure 4.  Real picture of a transistor-based narrow pulse generation circuit

    图 5  不同条件下脉冲波形的实测结果

    Figure 5.  Measured results of pulse wareforms under different conditions

    图 6  SRD正反偏时的内部结构和等效电路图

    Figure 6.  Forward/reverse bias block diagram and equivalent circuit of the SRD

    图 7  SRD结合延时线产生窄脉冲电路原理图

    Figure 7.  Schematic diagram of SRD combined with a delay line to generate narrow pulse circuit

    图 8  窄脉冲形成机理示意图

    Figure 8.  Schematic diagram of the narrow pulse formation process

    图 9  窄脉冲输出信号仿真结果

    Figure 9.  Simulation results of a narrow pulse’s output signal

    图 10  窄脉冲产生原理框图

    Figure 10.  Block diagram of narrow pulse generation

    图 11  SRD脉冲产生电路实物图

    Figure 11.  Physical diagram of SRD pulse generation circuit

    图 12  不同长度传输线

    Figure 12.  Transmission lines with different lengths

    图 13  不同频率不同传输线长度时实测结果

    Figure 13.  Measured results at different frequencies and different transmission line lengths

    图 14  传输线长度对于脉冲宽度和幅度的影响

    Figure 14.  Effect of transmission line length on pulse width and amplitude

    图 15  50 MHz方波激励源Ld=5 cm的脉冲波形

    Figure 15.  Pulse waveform of 7 Vpp at 50 MHz (Ld=5 cm)

    图 16  光脉冲测量

    Figure 16.  Optical pulse measurement

    表  1  其他情况下基于晶体管电路的测试数据

    Table  1.   Test data of transistor-based circuits in other cases

    激励源频率/MHz外加电源/V脉冲宽度脉冲幅度/V
    1051.186 ns4.24
    2051.041 ns3.68
    505824.0 ps2.46
    10101.869 ns8.16
    20101.508 ns7.32
    50101.011 ns6.04
    下载: 导出CSV

    表  2  其他情况下基于阶跃恢复二极管电路的测试数据

    Table  2.   Test data of step recovery diode-based circuits in other cases

    激励源频率传输线长度脉冲脉宽脉冲幅度
    10 MHz10 cm1.493 ns2.86 V
    20 MHz10 cm1.498 ns2.606 V
    50 MHz10 cm1.525 ns2.38 V
    10 MHz20 cm2.884 ns3.00 V
    20 MHz20 cm2.923 ns2.82 V
    50 MHz20 cm2.878 ns2.30 V
    下载: 导出CSV
  • [1] STEINVALL O K, OLSSON H, BOLANDER G, et al. Gated viewing for target detection and target recognition[J]. Proceedings of SPIE, 1999, 3707: 432-448. doi: 10.1117/12.351364
    [2] INTEVAC. LIVAR Model 4000 Preliminary Specifications[M]. Santa Clara: INTEVAC, 2006.
    [3] OBZERV. 距离选通夜视技术[EB/OL]. http://www.obzerv.com/products/land-systems/argc-2400/

    OBZERV. Distance selective pass night vision technology [EB/OL]. http://www.obzerv.com/products/land-systems/argc-2400/ (in Chinese).
    [4] 朱建春, 李欣, 朱威. 流动卫星激光测距系统的距离选通实现方法[J]. 红外与激光工程,2022,51(12):145-155.

    ZHU J CH, LI X, ZHU W. Implementation method of range-gating for mobile satellite laser ranging system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(12): 145-155. (in Chinese)
    [5] 雷帆朴. 基于位敏阳极的单光子成像关键技术研究[D]. 西安: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所), 2019.

    LEI F P. Research on the key technology of single photon imaging based on position sensitive anode[D]. Xi'an: Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, 2019. (in Chinese)
    [6] HOLZMAN J F, VERMEULEN F E, ELEZZABI A Y. Recombination-independent photogeneration of ultrashort electrical pulses[J]. Applied Physics Letters, 2000, 76(2): 134-136. doi: 10.1063/1.125679
    [7] OH S, WENTZLOFF D D. A step recovery diode based UWB transmitter for low-cost impulse generation[C]. Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Ultra-Wideband, IEEE, 2011.
    [8] 陈彦超, 赵柏秦, 李伟. 用于纳秒级窄脉冲工作的大功率半导体激光器模块[J]. 光学 精密工程,2009,17(4):695-700.

    CHEN Y CH, ZHAO B Q, LI W. High peak power semiconductor laser module for producing nanosecond pulse[J]. Optics and Precision Engineering, 2009, 17(4): 695-700. (in Chinese)
    [9] 王佳敏, 季艳慧, 梁志勇, 等. 532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤特性研究[J]. 中国光学,2022,15(2):242-250. doi: 10.37188/CO.2021-0160

    WANG J M, JI Y H, LIANG ZH Y, et al. Damage characteristics of a 532 nm picosecond pulse laser on monocrystalline silicon[J]. Chinese Optics, 2022, 15(2): 242-250. (in Chinese) doi: 10.37188/CO.2021-0160
    [10] UHRING W, ZINT C V, BARTRINGER J. A low-cost high-repetition-rate picosecond laser diode pulse generator[C]. Proceedings of the SPIE, 2004, 5452: 583-590.
    [11] 刘军. 极窄脉冲合成与超快沿产生电路设计[D]. 成都: 电子科技大学, 2019.

    LIU J. The circuit design of the ultral-narrow pulse synthesis and ultra-fast edge generation[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology, 2019. (in Chinese)
    [12] ZHU A F, SHENG F, ZHANG A X. An implementation of step recovery diode-based UWB pulse generator[C]. Proceedings of 2010 IEEE International Conference on Ultra-Wideband, IEEE, 2010: 1-4.
    [13] BINH P H, TRONG V D, RENUCCI P, et al. 100 ps Optical pulse generator using laser diodes for visible light communication applications[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2014, 56(1): 184-187. doi: 10.1002/mop.28074
    [14] LEE J S, NGUYEN C. Novel low-cost ultra-wideband, ultra-short-pulse transmitter with MESFET impulse-shaping circuitry for reduced distortion and improved pulse repetition rate[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2001, 11(5): 208-210. doi: 10.1109/7260.923030
    [15] LEE J S, NGUYEN C. Uniplanar picosecond pulse generator using step-recovery diode[J]. Electronics Letters, 2001, 37(8): 504-506. doi: 10.1049/el:20010350
    [16] HAN J, NGUYEN C. A new ultra-wideband, ultra-short monocycle pulse generator with reduced ringing[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2002, 12(6): 206-208. doi: 10.1109/LMWC.2002.1009996
    [17] PROTIVA P, MRKVICA J, MACHÁČ J. A compact step recovery diode subnanosecond pulse generator[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2010, 52(2): 438-440. doi: 10.1002/mop.24945
    [18] 李曦. 超宽带脉冲发生器的设计[D]. 成都: 成都理工大学, 2018.

    LI X. Design of the UWB narrow pulse generator[D]. Chengdu: Chengdu University of Technology, 2018. (in Chinese)
    [19] 陈彦超, 冯永革, 张献兵. 用于半导体激光器的大电流纳秒级窄脉冲驱动电路[J]. 光学 精密工程,2014,22(11):3145-3151. doi: 10.3788/OPE.20142211.3145

    CHEN Y CH, FENG Y G, ZHANG X B. Large current nanosecond pulse generating circuit for driving semiconductor laser[J]. Optics and Precision Engineering, 2014, 22(11): 3145-3151. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20142211.3145
    [20] 李萌, 黄忠华, 沈磊. 阶跃恢复二极管参数对窄脉冲波形的影响研究[J]. 兵工学报,2017,38(8):1490-1497. doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2017.08.005

    LI M, HUANG ZH H, SHEN L. Effects of step recovery diode parameters on narrow pulse waveform[J]. Acta Armamentarii, 2017, 38(8): 1490-1497. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2017.08.005
    [21] 吴福培, 谢晓扬, 李昇平. 一种散热型发光二极管阵列结构光源设计方法[J]. 中国光学,2021,14(3):670-684. doi: 10.37188/CO.2020-0211

    WU F P, XIE X Y, LI SH P. A thermal dissipation design method for LED array structure illumination[J]. Chinese Journal of Optics, 2021, 14(3): 670-684. (in Chinese) doi: 10.37188/CO.2020-0211
  • 加载中
图(16) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  457
  • HTML全文浏览量:  183
  • PDF下载量:  307
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-23
  • 修回日期:  2022-07-14
  • 网络出版日期:  2022-09-28

目录

    /

    返回文章
    返回