《激光APD译文》word版.doc

研究生英文文献阅读翻译报告姓名： 专业： 导师签字： 激光测距仪中APD光电流的高频扫描响应David Dupuy，Marc Lescure，Hlne Tap- Bteille摘要在这篇论文中，研究了三维激光摄像机中由大面积雪崩光电二极管（APD）产生的光电流的扫描响应。此三维摄像机基于相移激光测距仪用来测量120m的距离。为了使光学探头得到大面积的视场，采用大面积APD作为光电混频器。在高频率的测量下分析光电流响应APD工作区域上光斑位置特性。光电混频器提供了测量光电流扫描响应相位的方法。再者，本文也证明了信号相位与光电流增益的关系。还讨论了三维摄像机的信噪比和距离测量点的误差。关键字：三维摄像机；光学测距；激光测距仪；光电混频器；雪崩光电二极管1.简介为1到20m距离测量设计的一种三维摄像机，其基于相位的变化和飞行时间技术，这种技术已经有了很大的提高并且非常好的适合于距离的测量（如图1）。激光二极管的直流电流有震荡频率为fRF的主振荡器提供的正弦波信号调制。在激光束从粗糙的目标反射回来，一部分激光束由光电二极管通过聚焦镜头会聚。距离测量量D由光电流和调制激光信号之间的相位变化量推出： = (1)当目标是郎伯体并且目标的表面积和被发射机照亮的区域同样大时，APD光电流关系为： (2)式中，。这里，TT发射机接受和发射的效率；TR是光学接收机的传输效率；是目标的朗伯反射系数；是目标上激光束的发散角；DR是接受镜头的直径；M是APD电流增益；是APD灵敏度。接受镜头的孔径必须很大以便得到较高的信噪比，但是，这和得到较大三维视场相爱难相矛盾。实际上，当孔径D远远大于焦距f时，APD工作区直径的最小值取决于角度决定的视场特性（如图1）. (3)式中，NA镜头的数值孔径。例如，光电二极管的最小直径为DAPD=0.34DR，此时，=200，NA=1。由此可知，大面积光电二极管必须同时顾及高信噪比和大视场。使用硅APD来代替PIN型光电二极管可得到较好的信噪比，这是因为硅APD光电流由增益M。大面积ADP存在很大的电容，这对光电流的带宽有很大的影响。为了得到较好的带宽同时优化信噪比，通常给光电二极管加一互阻抗放大器。图1激光相位测距仪方框图微处理镜片用来来改变激光束的方向。光斑在APD区上移动。对于激光测距仪的相移技术，光电流信号在平衡调制器中和本震信号fLD混频，以便实现在中频fIF=时相移的测量。事实上，在较低频率fIF对相移的测量比在高频fRF下有较高的分辨率。灵敏度SD=D/并与1/fRF成比例。因此，灵敏度SD随着fRF的增加而增加。例如，fRF=100MHz时，灵敏度SD=4.17mm/度。当相位计量器的分辨率为0.1度时，我们得到的距离分辨率接近0.4mm。我们已经指出，光电探测器可以通过使用APD作为光电混频器来提高性能，混频输出主要取决于APD偏置电压的光电流增益M。此光电流增益可有本地振荡器电压VLO调制。但是，APD光电流的扫描响应同激光斑点的位置并不统一，这包括低信噪比和激光斑点的一些位置时三维摄像机存在距离测量误差。在这篇论文中，研究了光电混频器的大面积APD在电源高频段调制下的扫描响应，分析了APD光电流的振幅变化和相位变化。2.实验性我们使用如图2所示的试验装置来测量作为光电混频器的大面积APD的固有扫描响应。激光二极管的波长（=780nm）与硅APD的灵敏度很匹配。装置中APD的温度被固定在37C以防止其崩溃电压的变化。激光二极管的电源又以主振荡器LO1以频率fRF调制。APD光电流增益M由本地振荡器LO2以频率fLO调制。偏置电路使用一小的静态电阻来保持偏置电压VAPD使其独立于直流光电流IAPD。结果是，电源电压VHT就是偏置电压VAPD。激光束通过镜头会聚以实现小的光斑（直径25um），APD范围上的光斑位置的笛卡尔坐标由X方向和Y方向的两个位置传感器来测定，振荡电路L2C2工作的中频来提高光电流的信噪比。相位变化量由光电信号和参考信号在中频段fIF下测定。参考信号是由平衡调制器混合fIF和fLO信号而产生的。对于光电混频技术来说，相位计量器工作在低频（fRF=13.3kHZ），这就是相位计量器没有引入由振幅变化产生的误差的原因。图2记录APD光电信号扫描响应的试验装置。当APD作为光电混频器时，乘积因子M由本地振荡器LO2电压调制。震荡电路工作在中频以提高信噪比。3.APD光电流的扫描响应在固定增益下的APD直流光电流由Miller公式得出： (4)式中，Iph=主要直流光电流；BV崩溃电压；n雪崩区的凹陷指数。对于大面积的APD来说，增益的不变形并不是一个确凿的前提。有代表性的APD光电流（振幅和相位变化），工作区上光斑位置特性的试验结果如图3-7所示。“达通”型结构的大面积（7mm2）APD C30872在高增益M下有很好的低噪声性能。3.1光电流振幅变化-光斑位置特性APD光电流IAPD的振幅变化主要由APD崩溃电压BV的微小变化引起。事实上，BV取决于APD倍增层的厚度和掺杂浓度，这可以微小地影响工作区的位置。当偏置电压VAPD接近雪崩区时，由公式（4）可知：BV的微小变化可以引起IAPD的巨大变化（在黑暗条件下同样成立）。当平均入射光强很大时，得到满意的振幅空间响应，这是由于凹陷系数n减小了。振幅随着偏置电压VAPD的增加而变大。如图3所示。图3 APD光电流振幅-光斑在工作区位置特性实验结果。（传统光电探测器工作在低频fRF=13.3kHZ）。从下到上VPAD分别为423V、461V、478V、487V，TC=370C。图4所示，交流光电流振幅变化的相对扫描响应从低频（fRF=1MHz）到1GHz都保持一致。但是，我们估计对于APD C30872,其内部光电流的截止频率大约为400MHz。此结果证明：APD的混合输出与频率fRF几乎无关。图4 光电混频技术当中fRF为1MHz、100MHz、700MHz、1GHz时的规格化的光电流振幅-光斑在工作区位置特性（APD C30872 n02）APD作为光电混频器时，光电信号的扫描响应同APD前区的组合结电容以及分布式串联电阻的时间不变性无关。事实上，可用光电流产生在低频（fIF=13.3kHz），这是由于光电探测器的外差效应。3.2光电流的相移变化3.2.1APD的响应时间APD光电信号的固有响应时间tr可表示为：tr=tt+o (5)式中，tt为渡越时间，tmult为倍增时间。渡越时间取决于吸收层，可表示为：tt= (6)式中，dabs是APD吸收层的厚度，vn和vp分别为电子和空穴的饱和速率。倍增时间为一随机量，可估计为： (7)式中，是APD的电离率，dmult为APD倍增管的厚度。倍增时间tmult小于渡越时间tr，但是，相移变化主要取决于倍增时间。3.2.2相移变化和增益变化的关系图5表示在fRF=500MHz时的扫描响应（振幅和频率）。两条曲线都可以分为三部分：A区的增益很低并且固定，在此区相移也固定。可以证明：扫描响应与前涂层的分布串联无关。B区是过渡区，光电增益递增。A区相移在A区和B区之间阶跃，我们知道，这是由于APD倍增层的状态改变引起的。C区表现出很高的增益。对于B区和C区，相移变化量与增益变化量M之间有一定的函数关系。事实上，当增益很高时倍增时间取决于增益M(式7)。在这种情况下，相移变化量主要由增益变化量决定： (8)相移变化量，同调制信号的频率也成比例。这个猜测可由图6证实。图5在fRF=500MHz时APD光电流-在工作区光斑位置特性（从上往下为相移和相对振幅）APD C30872 n02测距仪中光学探头所选APD的扫描响应如图7所示。可见，在fRF=30MHz下，对于光斑位置的变化，相移变化量低于2.50。根据（1）式。这个变化引起的三维摄像机的测距误差为3.5cm。4结论光电混频技术实现了从低频到高频测定APD光电流振幅和相位变化-光斑位置特性。光电混合的频率响应与光电流直接检波的固有频率响应相同。对于大面积APD，光电流振幅变化-光斑位置特性表示出不确定的响应。此外，当参数（增益）很大时，相移变化主要由光电流增益的变化决定。次相移的变化大体上同调制信号的频率成比例。由于光电混频使得扫描响应与前涂区的分布串联电阻无关，因为可见光信号是低频信号。图6 在fRF为100MHz和300MHz时APD光电流-工作区光斑位置特性。（从上向下为相移和相对振幅）。APD C30872 n02图7在fR