【摘 要】
:
单光子探测是一种超灵敏的光信号检测技术,在空间激光通信、激光三维成像及天文观测等领域具有广阔的应用前景,是世界各国争相发展的前沿技术之一。尤其在近红外波段,因其具有人眼安全、夜晚环境适应性强等诸多优点,因而受到了极大关注。InGaAs/In P SPAD(Single Photon Avalanche diode)具有集成度高、响应速度快、无需超低温制冷等优点,因而成为近红外波段最实用的单光子探测
论文部分内容阅读
单光子探测是一种超灵敏的光信号检测技术,在空间激光通信、激光三维成像及天文观测等领域具有广阔的应用前景,是世界各国争相发展的前沿技术之一。尤其在近红外波段,因其具有人眼安全、夜晚环境适应性强等诸多优点,因而受到了极大关注。InGaAs/In P SPAD(Single Photon Avalanche diode)具有集成度高、响应速度快、无需超低温制冷等优点,因而成为近红外波段最实用的单光子探测器件。在实际应用中,SPAD探测器阵列需要CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)外围电路控制和放大信号,才能实现微弱光子的探测。然而,目前CMOS工艺厂商并不提供SPAD电路仿真模型,在SPAD器件与外围电路协同仿真方面存在较大困难,难以实现单光子探测器系统的整体优化。针对上述问题,本文以InGaAs/In P SPAD为研究对象,开展了SPAD器件的理论分析与电路模型方面的研究工作。为了验证SPAD模型在单光子探测中的实际应用,本文还设计了一款用于近景3D成像的单光子探测像素电路,具体研究工作如下:1、基于器件工作原理,深入研究了影响SPAD光子探测效率、初级暗计数率和后脉冲的物理机制。采用商用器件仿真工具Silvaco TCAD提取了器件的电场分布、雪崩触发概率和碰撞电离率等关键参数,利用MATLAB计算了SPAD的光子探测效率、初级暗计数率和后脉冲触发概率,并将计算结果与文献报道的实验结果进行了对比分析。2、在理论分析的基础上,采用Verilog-A硬件描述语言搭建了InGaAs/In P SPAD的电路仿真模型。该模型不仅包括器件的电流-电压特性,而且考虑了光子探测效率、初级暗计数率和后脉冲等统计特性。在Cadence仿真平台上搭建了门控淬灭复位电路,完成了SPAD电路模型的统计行为验证。结果表明,模型仿真结果与实测结果吻合较好,当温度为225K,过偏压为3V时,初级暗计数率的最大相对误差为11.2%。3、为了验证模型的实用性,结合SPAD电路模型、淬灭复位电路和时间数字转换器,设计了一种用于近景3D成像的像素电路。仿真结果表明,所设计像素电路的微分非线性和积分非线性分别±0.41LSB和±0.42LSB,像素可探测的最大距离为0.96m,测量精度为3cm,说明本文所构建的SPAD电路模型可用于单光子探测系统的协同设计与优化。
其他文献
近年来,随着人工神经网络技术在工业界和学术界的迅速发展,其被越来越广泛地应用在生产生活中的各个领域。在实际应用的迭代中,业界要求对更精确、数据量更大的网络进行更低延迟的部署,同时又希望部署的人工神经网络消耗更少的资源和能量。边缘计算技术是应对这个挑战的新兴研究方向之一。本文面向边缘计算技术,研究并设计了一种分布式目标检测模型及用于边缘计算环境的可重构人工神经网络加速器。本文首先对适用于边缘计算环境
天基光学监测系统是态势感知的重要内容,具有不受大气干扰、部署灵活等优势。然而,天基可见光相机制造成本极高,需要开展大量的前期验证工作,因此设计一个能为天基可见光相机的研制工作稳定提供参考图像来源的仿真系统,对开展天基监视具有重要意义。针对目前实际图像数据稀少且获取成本高的问题,本文对天基平台下的空间目标成像和监测仿真方法进行了深入研究。针对现有不同计算机成像技术的特点,本文提出了将Open GL光
随着人工智能和物联网技术的高速发展,柔性压力传感器的应用市场也在不断扩张。其中电容式柔性压力传感器具有响应速度快、重复性好等优点,在电子皮肤和人机交互领域中起到了重要作用。尽管有各种微结构被应用于柔性压力传感器的设计中,然而基于传统介电材料的电容式压力传感器的灵敏度仍然较低且压力检测范围较窄,很难满足日益多元化的应用需求。在本篇论文所涉及的研究中利用离子凝胶作为介电层材料并通过设计特殊的微结构形状
有机酸是一类来源丰富且安全的天然抗血栓因子,广泛存在于水果、蔬菜、谷物等各种植物源食物中,具有抗凝血、抑制血小板聚集、溶栓等抗血栓作用,对防治心脑血管疾病具有潜在的保健品开发价值和临床应用价值。本文综述了有机酸及其衍生物的食物来源和抗血栓机制,对有机酸的抗血栓效果进行了比较,并对有机酸的抗血栓研究进行了总结与展望,以期为有机酸抗血栓机制的深入研究和富含有机酸类食品的开发提供参考。
随着计算机和传感器技术发展,生物特征识别技术日益兴起。步态作为生物特征之一,对其进行分析可获得身份、健康状况等重要隐含信息。神经退行性疾病会导致步态改变,其直接表现就是异常步态,且不同疾病引起的异常表现不同。典型的异常步态对临床诊断具有指导意义,临床上医生通过患者的步态特征进行诊断,然而这种方法严重依赖经验和配合,且主观的判断会导致误诊。因此,开发一种快速、客观、准确的异常步态检测方法尤为重要。本
随着制造业生产过程自动化、生命周期缩短化的发展趋势,采用计算机技术对物体进行三维形貌测量逐渐成为研究热点。而现有的测量系统大多基于PC端,体积大、成本高且显示抽象,无法满足工业生产线的发展需求。本文设计出一套基于XILINX ZYNQ平台(FPGA+双核A9 ARM)的三维形貌测量系统,并根据立体匹配算法获取待测物体的深度信息,该系统具有高性能、低功耗、小型化的特点,对工业制造、医学检测、军事航天
金属氧化物具有成本低、制备简单、结构稳定和环境友好等优点,因此是气敏传感器领域的研究热点。然而,与硫化物等室温气敏传感器材料不同,半导体金属氧化物的工作温度通常大于200°C,功耗较大,且不利于检测易燃易爆气体。因此如何制备出灵敏度高且工作温度低的气敏传感器一直是研究的热点和难点。ZnSnO3是一种具有钙钛矿结构的n型宽禁带半导体,可以看作是Zn O和Sn O2的复合物,在光电性能上兼具二者的优点
随着半导体产业的全球化发展,集成电路的设计与制造过程逐步分离,由此引发了一系列硬件安全问题。集成电路制造阶段,攻击者可以利用原始电路版图中的空白区域植入硬件木马,从而达到破坏电路功能、泄露关键信息等目的。针对上述问题,论文开展了版图级硬件木马安全防护技术研究,通过在空白区域填充具有感知功能的A2-RO电路,进而实现对集成电路的安全防护。本文首先设计了具有监测节点切换概率及表征功耗信息功能的A2-R
随着集成电路设计和生产制造环节相分离,硬件木马引发的安全可信问题日益突出,硬件木马检测成为研究热点。硬件木马的隐藏性是制约其检测效率和精度的关键因素之一,开展硬件木马的激活和显化研究具有十分重要的意义。论文通过对测试向量的高效生成和优化选取来提升硬件木马激活效率和硬件木马电路相对活动性,从而有效激活和显化硬件木马。针对硬件木马激活效率低的问题,论文研究了电路输入信号与低活性节点逻辑状态间的关联性,
计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)技术利用非侵入的手段实现了对人体内部组织的断层成像,对疾病的诊断与预防起着重要的作用。能谱CT通过对X射线能量的区分,能够提供准确的物质鉴别与定量化信息,提高了诊断的可靠性,是近年来医学成像领域的研究热点。对X射线能量的探测和高精度解析是该领域的研究难点之一。本文根据X射线在半导体探测器中沉积能量的分布规律,研究并提出了一种基于不完全吸