不同鉴别阈值条件下SiPM光子计数激光雷达探测模型及性能分析

TN241; 硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)具有极高的探测灵敏度和响应速度,且在多光子条件下具有较高的动态范围以及线性响应的特性,在光子计数激光雷达应用中有独特的优势.然而,由于SiPM多像元、单时间通道的工作模式,其输出电压信号相较于其他单光子探测器更大概率出现脉冲堆叠现象,不同鉴别阈值条件下的SiPM探测过程更为复杂.针对该问题,本文建立了SiPM光子事件响应模型,以此为基础分析了由脉冲堆叠引发的屏蔽效应和触发效应两种特殊情况的时域分布,最终建立了SiPM半解析的探测概率与虚警概率模型.同时,搭建了基于SiPM探测器的光子计数雷达系统,通过观察实测...

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Published in红外与毫米波学报 Vol. 42; no. 6; pp. 865 - 875
Main Authors 刘欣缘, 肖毅, 马跃, 向雨琰, 郭高峰, 王家炜, 黄炜怡, 谭崇涛, 李松
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 武汉量子技术研究院,湖北 武汉 430010 2023
武汉大学 电子信息学院,湖北 武汉 430072%中国空间技术研究院,北京 100098%武汉大学 电子信息学院,湖北 武汉 430072
Subjects
鉴别阈值
硅光电倍增管
脉冲堆叠
探测概率模型
detection probability model
discrimination threshold
photomultiplier tubes
pulse pile up
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ISSN1001-9014
DOI10.11972/j.issn.1001-9014.2023.06.020

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Summary:TN241; 硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)具有极高的探测灵敏度和响应速度,且在多光子条件下具有较高的动态范围以及线性响应的特性,在光子计数激光雷达应用中有独特的优势.然而,由于SiPM多像元、单时间通道的工作模式,其输出电压信号相较于其他单光子探测器更大概率出现脉冲堆叠现象,不同鉴别阈值条件下的SiPM探测过程更为复杂.针对该问题,本文建立了SiPM光子事件响应模型,以此为基础分析了由脉冲堆叠引发的屏蔽效应和触发效应两种特殊情况的时域分布,最终建立了SiPM半解析的探测概率与虚警概率模型.同时,搭建了基于SiPM探测器的光子计数雷达系统,通过观察实测输出电压波形以及光子点云分布与理论模型相符(R2>0.95).通过查全率与查准率对不同鉴别阈值的SiPM光子点云分布进行定量评价,并给出最优鉴别阈值区间,这对基于SiPM的光子计数激光雷达系统硬件参数的优化设计以及探测性能的定量分析具有重要的指导意义.
ISSN:1001-9014
DOI:10.11972/j.issn.1001-9014.2023.06.020