在线探测技术研究论文

摘要：随着对激光测距测程要求的提高，以量子探测和概率统计理论为基础的单光子激光测距技术逐渐成为发展的新方向，單光子测距灵敏度高、测程远，探测器常用盖革模式下的雪崩光电二极管。盖革模式下，探测器一旦响应，电流成倍增大，需要加上淬灭电路。目前主动淬灭方式较为常用，但是噪声较大，电路设计复杂。下面是小编整理的《在线探测技术研究论文(精选3篇)》的相关内容，希望能给你带来帮助!

在线探测技术研究论文 篇1：

四象限探测器测试方法

摘要：目前国内缺乏专门针对四象限探测器的测试标准，导致在实际测试中存在参数不统一、测试体系不完善等问题。该文从四象限探测器的工作原理出发，分析四象限探测器关键参数及其定义，研究形成四象限探测器关键参数的测试方法，并选取一款四象限APD探测器组件开展测试验证，对比分析不同工作温度对产品噪声、上升时间、下降时间等关键参数的影响。样品各象限响应度不小于1.40×105V/W，象限间响应一致性超过96%;各象限噪声均为1.09mV，表现出良好的性能。同时样品的噪声与其工作温度成正比;当工作温度为25°C时，组件上升时间与下降时间均最短，响应速度最快。实验结果表明形成的测试方法合理可行，能够为四象限探测器的测试及评价提供借鉴和参考。

关键词：应用光学;四象限探测器;测试方法;激光跟踪

文献标志码：A

0 引言

四象限探测器是指利用微电子工艺，将4个参数相同的光电二极管按照直角坐标系要求，集成在同一半导体基材上的光电探测器。它具有灵敏度高、准确度高、光谱范围宽、动态范围宽、体积小、计算简便等优点，被广泛应用于激光制导、激光雷达、空间光通信等激光跟踪领域[1-4]。

近年来，四象限探测器研究主要侧重于修正定位误差、改进定位算法和提高测量准确度等方面，很少有文献涉及四象限探测器关键参数测试方法的系统研究。张骏等[5]通过分析四象限光电探测器的原理及其定位误差，提出了一种标定并修正其固有误差以及四象限非均匀性的方法。周洪伟[6]搭建了基于虚拟仪器的四象限探测器噪声检测系统，实现了四象限探测器的四通道低频噪声同时检测与处理。程韦等[7]从理论上详细分析了光斑性质对探测结果的影响，并通过数值仿真得出了光斑大小和光斑强度与测量准确度的关系。杨桂栓等[8]详细分析了四象限探测器死区对探测范围内探测灵敏度的影响，发现死区宽度相对光斑半径的比例越大，探测器的灵敏度越高。Tang等[9]提出了一种基于高斯分布的光斑中心定位算法，有效提高了光斑中心位置实时测量的准确度。Wu等[10]则通过分析光斑位置与InGaAs四象限探测器输出信号的关系，结合玻尔兹曼方法，提出了一种新的计算公式，有效提高光斑测量的准确度。

目前国内缺乏专门针对四象限探測器的测试标准，加上国外的技术封锁，导致在产品实际测试中存在参数不统一、测试体系不完善等问题，因此，迫切需要开展四象限探测器测试技术研究。

针对上述问题，本文从四象限探测器的工作原理出发，研究形成四象限探测器关键参数的测试方法，同时开展测试验证。

1 四象限探测器工作原理

当光斑照在四象限探测器的光敏面上时，每个象限都会接收光能，产生光电流。假设4个象限接收到的光能量分别为P1、P2、P3、P4，对应产生的光电流分别为I1、I2、I3、I4。当光斑质心与四象限探测器中心重合时，由于每个象限光照面积相等，所以I1=I2=I3=I4。

四象限探测器工作原理如图1所示，当光斑质心相对探测器中心偏离时，各象限光照面积会有所差异，从而导致每个象限产生的光电流也有所不同。由此可以计算光斑在X方向和Y方向的位移：

通过利用光斑的分布模型，可以由光斑质心的相对位置（xr，yr）解算出其实际位置（x0，y0）。常用的光斑分布模型有均匀光斑和高斯光斑。在实际应用中，激光光束经过光学元件扩束、整形和耦合后成像在四象限探测器上的光斑能量分布通常为高斯分布[11]。

高斯分布光斑能量表达式为

其中P0为光斑总能量，w为高斯光斑的半径。

假设光斑在探测器光敏面外的光能量可以忽略不计，则有：

将式（3）～式（5）代入式（1）、式（2）可得：

其中erf（x）为误差函数。

光斑质心的实际位置坐标可以由下式推导：

其中erf–1（x）为反误差函数，可以通过查找函数库求解。

2 关键参数测试方法

基于上述的四象限探测器工作原理，借鉴和参考现有的标准如GJB8121-2013《半导体光电组件通用规范》、SJ/T2354-2015《PIN、雪崩光电二极管测试方法》等，分析明确四象限探测器的关键参数（如响应度、象限间响应度一致性、噪声、光动态范围、上升时间、下降时间和输出阻抗等）及其定义。针对每一关键参数，通过分析其测试原理，开展测试条件、测试步骤的研究，最终形成四象限探测器关键参数测试方法。

2.1 响应度

响应度指在规定条件下，四象限探测器组件各象限输出电压幅度与入射光功率的比值[6]。测试原理框图如图2所示。

响应度的测试步骤如图3所示，具体为：

1）调整数字源表，设置四象限探测器的工作电压，使其处于正常工作状态，同时设置示波器负载阻抗RL=1MΩ;

2）根据四象限探测器使用要求设置信号源的重复频率f、占空比，选择合适的激光波长λ;

3）将激光器的光输出端与光衰减器入口连接，用光功率计测量光衰减器输出光的平均功率，调整光衰减器的衰减倍数，实现需要的输出光平均功率PINA，则脉冲信号峰值光功率PIN=2PINA;

4）按图2连接，接通电源，遮蔽背景杂散光;

5）保持激光器的驱动条件、光衰减器的衰减倍数不变，设置信号源脉宽tw，使光衰减器输出光通过光纤依次照射到4个象限的光敏面上，调整光纤位置，观察示波器使输出信号脉冲幅度最大，依次读取各象限的输出信号脉冲幅度，记为Vout1、Vout2、Vout3、Vout4;

6）分别计算组件四个象限的响应度RVn，其表达式为：

其中n=1，2，3，4，分别代表4个象限。

2.2 象限间响应度一致性

象限间响应度一致性指在规定条件下，四象限探测器组件各象限响应度接近4个象限响应度平均值的百分比。测试原理框图如图2所示，在测得4个象限的响应度以后，分别计算四个象限间响应度一致性，其表达式为

2.3 噪声

噪声指在规定条件下，四象限探测器组件各象限电压噪声有效值的大小[2]。测试步骤如图4所示，具体为：

1）调整数字源表，设置四象限探测器的工作电压，使其处在正常工作状态，同时设置示波器负载阻抗RL=1MΩ;

2）按图2连接，接通电源，遮蔽背景杂散光;

3）关闭光源;

4）依次从示波器上读取组件4个象限的电压噪声有效值RMSn（n=1，2，3，4）。

2.4 光动态范围

光动态范围指在规定条件下，最大接收光功率与最小接收光功率之比。最大接收光功率定义为信号输出幅度大于等于固定值时的光功率;最小接收光功率定义为信噪比为1∶1时的光功率。测试步骤如图5所示，具体为：

1）分别计算出组件4个象限的最小接收光功率PMINn，其表达式为：

2）调整数字源表，设置四象限探测器的工作电压，使其处在正常工作状态，同时设置示波器负载阻抗RL=1MΩ;

3）根据四象限探测器使用要求设置信号源的重复频率f、占空比，选择合适的激光波长λ;

4）连续减小光衰减器的衰减倍数，直至组件4个象限的输出幅度不再随输入光功率的增加而增大，用光功率计测量出对应的输入平均功率记为PINn，则组件4个象限最大线性接收功率PMAXn=2PINn;

5）分别计算出组件4个象限的光动态范围Dλn，其表达式为：

2.5 上升时间、下降时间

为了评价四象限探测器的响应速度，借鉴SJ/T2354-2015《PIN、雪崩光电二极管测试方法》等标准，引入上升时间、下降时间两个参数。上升时间指在规定条件下，四象限探测器组件各象限输出脉冲前沿从峰值的10%到90%的时间间隔。下降时间指在规定条件下，四象限探测器组件各象限输出脉冲后沿从峰值的90%到10%的时间间隔。测试原理见图2，测试步骤如图6所示，具体为：

1）调整数字源表，设置四象限探测器的工作电压，使其处在正常工作状态，同时设置示波器负载阻抗RL=1MΩ;

2）根據四象限探测器使用要求设置信号源的重复频率f、脉宽tw，选择合适的激光波长λ;

3）将激光器的光输出端与光衰减器入口连接，用光功率计测量光衰减器输出光的平均功率，调整光衰减器的衰减倍数，实现需要的输出光平均功率PINA，则脉冲信号峰值光功率PIN=2PINA;

4）按图2连接，接通电源，遮蔽背景杂散光;5）将光衰减器输出光通过光纤依次照射到4个象限的光敏面上，调整光纤位置，用示波器依次读取组件各个象限输出信号脉冲响应上升时间trn和下降时间tfn（n=1，2，3，4）。

2.6 输出阻抗

输出阻抗指在规定条件下，四象限探测器组件各象限输出信号脉冲幅度最大时对应的输出端阻抗。测试步骤如图7所示：

1）～5）与响应度测试步骤1）～5）完全一致;

6）设置示波器负载阻抗RL=50Ω，依次读取各象限输出信号脉冲幅度VOUTn;

7）可计算出组件的输出阻抗Ron，其表达式为：

其中n=1，2，3，4，分别代表4个象限。

3 测试结果及分析

3.1 关键参数测试

为了验证上述四象限探测器测试方法的有效性，选取某型号四象限APD探测器组件开展关键参数的测试评价。测试样品由制冷型四象限Si基APD探测器、前置放大电路组成，采用晶体管外形封装（TO封装），测试时把样品固定在定制的测试夹具上。测试样品和测试夹具照片分别如图8（a）、图8（b）所示。

测试平台如图9所示，由TDS3034B型数字示波器、GPS-3303C型直流稳压电源、PM20型光功率计（置于激光器背面）、Agilet33250A型信号源、Keithley2410数字源表和1064nm激光器组成。

根据四象限APD探测器组件的使用要求，确定各个关键参数的测试条件如下：

1）组件的正电源UCC设置为（5±0.05）V，负电源UDD设置为（–5±0.05）V，APD工作电压设置为反向击穿电压的80%（或–60V），确保其工作在线性模式。

2）信号源的重复频率f设置为10kHz，脉宽tw设置为200ns，占空比设置为50%;激光波长λ为（1064±10）nm;

3）参数测试在室温环境（25°C）下进行。测试响应度、输出阻抗时脉冲信号峰值光功率PIN设置为（1±0.05）μW;测试上升时间、下降时间测试时，为了更准确读取结果，PIN设置为（5±0.05）μW。

测试结果如表1所示，四象限APD探测器组件各关键参数性能指标均满足规格要求，表现出优良的性能水平：组件4个象限的响应度均达到或超过1.40×105V/W，象限间响应一致性超过96%，展示出较高的探测精度;4个象限的噪声均为1.09mV，光动态范围均为47dB，表现出较高的探测灵敏度和较宽的探测范围;组件4个象限的上升时间均未超过14ns，下降时间均小于12ns，表现出较快的响应速度;4个象限输出阻抗都小于12Ω，表现出较高的驱动负载能力。

3.2 工作温度对关键参数的影响

为了进一步分析不同工作温度对样品探测性能的影响，参考GJB8121-2013《半导体光电组件通用规范》，在现有测试平台基础上，集成MC-810P型温箱，搭建四象限探测器高低温在线测试系统（见图10），重点分析不同工作温度（?45°C、25°C、70°C）对四象限APD探测器组件噪声、上升时间、下降时间等关键参数的影响，对产品的温度可靠性开展评价。

不同工作温度下样品的噪声测试结果如表2所示，可以发现在不同工作温度下，四象限APD探测器组件4个象限的噪声均在1.5mV以下，达到产品规格要求，展現出良好的探测灵敏度。同时，样品的噪声与其工作温度成正相关，随着工作温度的升高，4个象限的噪声都有一定程度的增加。这可能由器件的热噪声随温度升高而增加所导致。

表3和表4给出了不同工作温度下四象限探测器组件上升时间与下降时间的测试结果。可以发现在不同工作温度下，样品4个象限的响应时间均在30ns以内，满足产品规格要求，展现出较快的响应速度。测试结果同时表明，当工作温度为25°C时，四象限APD探测器组件的上升时间与下降时间均最短，响应速度最快。

4 结束语

为满足四象限探测器的检测需求，本文针对其关键参数测试技术开展系统研究，通过理论分析和实验验证，形成了四象限探测器测试方法，能够为四象限探测器的检测及评价提供借鉴和指导。实验结果验证了本文提出测试方法的可行性，后续将针对四象限探测器的可靠性评价方法开展研究。

参考文献

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[5]张骏，钱惟贤，刘泽伟.四象限探测器输输出非均匀性分析与矫正[J].红外技术，2016（7）：565-570.

[6]周洪伟.四象限探测器噪声测试系统设计及其应用研究[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[7]程韦，滕艳华，夏玲燕，等.光斑性质对四象限探测器测量精度的影响[J].科学技术与工程，2015，15（4）：239-242.

[8]杨桂栓，张志峰，翟玉生，等.死区对四象限探测器探测范围和灵敏度影响的研究[J].激光与光电子学进展，2013，50（6）：152-157.

[9]TANGY， GUG， QIANW， etal.Laserspotcenterlocationalgorithmoffour-quadrantdetectorbasedonGaussiandistribution[J].Infrared&LaserEngineering， 2017， 46（2）： 206003.

[10]WUJ， CHENY， GAOS， etal.ImprovedmeasurementaccuracyofspotpositiononanInGaAsquadrantdetector[J].AppliedOptics， 2015， 54（27）： 8049-8054.

[11]张辉，陈云善，耿天文，等.四象限探测器位置检测精度的主要影响因素研究[J].中国激光，2015，12（42）：306-314.

作者：王之哲　陈勇国　陈思　王小强

在线探测技术研究论文 篇2：

单光子激光测距淬灭电路设计优化

摘要：随着对激光测距测程要求的提高，以量子探测和概率统计理论为基础的单光子激光测距技术逐渐成为发展的新方向，單光子测距灵敏度高、测程远，探测器常用盖革模式下的雪崩光电二极管。盖革模式下，探测器一旦响应，电流成倍增大，需要加上淬灭电路。目前主动淬灭方式较为常用，但是噪声较大，电路设计复杂。优化设计了GHz的门控淬灭方式，将高频正弦信号加载在探测器两端，在正弦信号正半周期探测器处于盖革模式，负半周期淬灭探测器，同时门控信号的存在降低了电路的噪声。把主动淬灭电路和门控淬灭电路进行了研究与仿真，结果表明，正弦门控电路死时间短，噪声低，探测效率高，性能较优。设计了正弦门控电路。

关键词：单光子;主动淬灭电路;正弦门控淬灭电路，测距;激光

单光子测距测程远，能对微弱光信号产生很好的响应。盖革模式雪崩光电二极管（Geiger Mode of AvalanchePhotodiodes，GM-APD）的工作电压高于雪崩击穿电压，对入射光子高量子效率转换和极高雪崩内增益放大，响应信号（或噪声）后，为了保证正常工作，必须采用淬灭电路将APD的工作偏压降低到雪崩击穿电压以下，来清除所有的自由载流子，再将APD的工作偏压提高到雪崩击穿电压以上，为探测下一个光子做好准备。

20世纪60年代，Haitz等在GM-APD雪崩击穿工作原理的研究过程中提出了被动淬灭电路[1，2]，并提出了一个GM-APD电学模型。1975年，意大利米兰理工大学Cova采用Haitz提出的结构，针对GM-APD被动式淬灭死时间长的缺点，提出了主动淬灭电路[3]。1981年，Cova证明了GM-APD皮秒级（ps）的分辨率及其应用在光学时间技术相关领域的潜力，提出门控式结合主动式的淬灭电路，缩短了 GM-APD死时间[4]。

2006年，日本大学的Namekata等首次提出了正弦门控滤波探测技术，该方案将正弦波门控信号的频率提高到了800MHz[5]，2009年他们又实现了正弦波门控信号的频率1.5GHz的单光子探测器[6]。现有的门控技术主要应用于量子通信领域[7，8]，GM-APD阵列传感检测已进入实用水平[9]。

目前，单光子激光测距常用主动淬灭电路，但是对于非合作目标主动淬灭电路死时间长且噪声较大，影响了探测效率的提高。本文首先分析了APD器件的等效电路模型，然后分析了主动淬灭模式电路、门控淬灭模式电路的工作原理并仿真，进行GHz门控淬灭模式电路的优化设计，门模式减小了噪声，短死时间提高了对非合作目标的测距能力。

1 基本概念

1.1 雪崩光电二极管（APD）

APD[10]是一种基于光电导效应和雪崩倍增效应的新型光电探测器件，与其他传统的光电传感器相比，具有较高的增益、较快的响应速度、较高的灵敏度、较小的体积、较轻的重量（质量）、方便使用等优点。APD探测器的工作模式与所加反向偏置电压的关系如图1所示。

如果APD所加反向偏压继续增大，当所加偏压超过APD的临界雪崩电压V_br时，反向偏压会在PN结耗尽区（高场区）内形成很强的电场，使得载流子的数量雪崩式倍增，称为“雪崩效应”，最终达到一个动态平衡，这种工作模式就是盖革模式。APD的增益系数M与反向偏置电压V的关系为：式中：V_B为雪崩电压;n与PN结低掺杂区是N型或P型及入射信号光波长有关。当V接近于V_B时，M将趋近于无穷大，有利于提取单光子信号。

线性模式下，APD的增益不足以将单光子信号提取出来，因此，需要工作在盖革模式。盖革模式下，即弱光信号下，GM-APD输出离散的0.1信号，即数字信号。线性模式，即强光信号下，和盖革模式下的输出信号示意图如图2所示。

1.2 探测效率的优化建模

光子探测效率（Photon Detection Efficiency，PDE）为入射光子成功触发一次雪崩并被探测到的平均概率。

根据统计光学理论，在光子计数激光测距中，单光子探测器产生的光电子服从负二项分布。当入射的平均光电子数很小时，负二项分布进一步退化为泊松分布[11]。

在时间间隔探测到K次光电事件（K个光子）的概率P为：

根据复杂环境下单光子测距时刻变化的大气传输特性、目标特性等特点，背景噪声对探测影响很大。把背景噪声对单光子探测的影响融入单光子探测模型中，建立GM-API）的探测模型，在一定的工作温度和过偏压下，噪声包括背景光噪声f_n和探测器暗计数f_d、淬灭电路引入门效率u_p和死时间t_d。n_n表示某一次探测时入射的光子数，探测器在探测到第一个光子信号后，需要死时间t_d来恢复工作状态，图3是探测模型图。

盖革模式雪崩光电二极管的死时间受探测器响应和淬灭电路限制。探测器在探测到第一个光子信号后，需要一段时间来恢复工作状态，第一次探测到的光子信号会对后续信号的探测产生抑制作用，光子信号的探测概率会出现一定程度的衰减。考虑门控u_p单位时间只通过门内的信号，探测概率加上死时间、探测器噪声、门效率的衰减系数修正为[12]：

1.3 淬灭电路

淬灭电路设计的优劣，对于单光子探测器的探测效率和精准度起着关键作用[13]。完成一次淬灭需要三个步骤：（1）感应雪崩信号的同时输出TTL脉冲电平信号;（2）脉冲信号控制APD两端的偏置电压，使其低于雪崩击穿电压，淬灭雪崩;（3）重新恢复偏置电压，为下一个光子的到来做好准备。常见的淬灭方式有三种：被动淬灭、主动淬灭和门控淬灭。

1.3.1 APD等效电路模型

根据Core提出的模型，对APD建立等效电路模型，如图4所示。

APD等效電路模型为一个光控开关与电压源的串联，光控开关模拟有无光子入射，有光子入射开关闭合，电压源为APD雪崩电压值，R_d为APD等效内阻，Ca为APD的结电容，C_p为分布电容，它的值一般为皮法量级。

1.3.2 主动淬灭

主动淬灭的工作原理如图5所示。

探测器感应到光子之前，K₁、K₂都处于关断状态，探测器两端偏压处于雪崩状态。当探测器感应到光子之后，产生光电流，经过I-V转换和放大，整形之后，控制K₁闭合，则加载在探测器两端的偏压降低，实现了雪崩的淬灭，K₁重新打开;经过一段时间的延迟之后，控制K₂闭合，探测器两端电压重新恢复至雪崩偏压，为下一个光子的到来做好准备。主动淬灭利用了反馈的优势，当探测器检测到雪崩信号后立刻反馈到APD的驱动电压上。

1.3.3 门控淬灭

很多时间相关性测量及暗计数率较高的GM-APD需要工作在“门控模式”下，即工作在门控脉冲的控制下，探测器仅在门控脉冲到来时保持活跃。这就要求探测器的工作偏压在门控脉冲有效期间处于雪崩电压阈值以上而门控关闭后工作偏压迅速降低到阈值以下[14，15]。当光子入射门控关闭时，电路没有有效输出。采用门控模式可以有效降低暗计数，而且可以降低探测器功耗、延长探测器寿命，有效抑制后脉冲。

由于APD结电容的存在，门脉冲在通过APD时，会在门脉冲的上升沿产生一个正向的充电脉冲，而在门脉冲的下降沿产生一个负向的放电脉冲，并且这两个充放电脉冲的幅值很大，称为尖峰噪声，这就给雪崩信号的提取带来了很大的困难。常用以下方法：

（1）差分电路法

将电压平分为两路分别加在APD和结电容的两端，产生相同的尖峰噪声，将输出信号做差分运算，消除噪声。

（2）同轴电缆反射法

用两根完全相同的电缆将信号延时后再差分。

（3）双APD平衡法

采用两个相同型号的APD搭建探测电路，在输出做差分运算。改进方法将其中一个APD改成可调电容，称为可调电容平衡法。

（4）负脉冲检测法

通过检测APD输出信号负脉冲的有无知道雪崩是否发生。

（5）正弦波脉冲法

用正弦波作为门电压，将输出信号通过带阻滤波器来抑制尖峰噪声，如图6所示。

使用正弦门控淬灭电路，只有门内的信号可以有效探测，存在门效率的问题，计算正弦门的门效率，计算原理如图7所示，V_bias为正弦波所处的基准电压，V_pp为正弦信号峰峰值。t₁和t₂为正弦信号到达雪崩电压V_b的时间，t₂-t₁即为门有效的时间。

门效率表达式为：

2 设计实例

将主动淬灭电路和正弦门控淬灭电路进行对比。

2.1 主动淬灭

用Capture的Pspice仿真，仿真电路图及仿真波形图如图8和图9所示。

电路原理图将电压加载在APD等效模型上，首先通过放大器将信号放大，再通过比较器对信号进行提取，一路信号通过三极管反馈至GM-APD两端，降低雪崩电压，淬灭信号;一路信号通过三极管反馈至GM-APD两端，提高雪崩电压，使电路恢复。

可以看出，GM-APD两端电压随着入射光脉冲的周期在线性与盖革模式下切换，输出信号是清晰的脉冲，没有叠加的噪声信号，信号好提取。从电压的恢复信号可以看出，淬灭时间大约在20ns左右，表现出很好的性能。

仿真恢复时间在20ns左右，门控效率为1，代入式（3）中，可以得到较高的探测效率，证明这个电路还是表现了很好的性能。

2.2 门控淬灭

Capture的Pspice仿真电路原理图及仿真波形图如图10和图11所示。输入信号参数门信号为正弦信号，幅度为1.2V，频率为0.01GHz。

可以看出，GM-APD两端电压变化随着正弦门控的变化而变化，输出信号叠加了正弦波形，需要在后续通过滤波器进行滤除。

幅度不变，设置正弦信号频率为1GHz，对于输入的带有高频正弦信号的波形进行滤波，得到滤波后的雪崩信号，如所图12所示。

建立的正弦门控淬灭仿真模型可以从高频正弦波中提取频率较低雪崩信号，死时间较短，可以满足达到准连续探测的需要，死时间15ns。表1是门控淬灭与主动淬灭的对比。

3 测试

在实际电路板上测试，在暗室环境下，APD接收到光子，经过正弦门控淬灭后，滤波整形输出，测得电路死时间为17ns。

4 结论

探测器淬灭电路的设计对于提高单光子电路探测能力非常重要。通过对主动淬灭死时间长、噪声大、不利于后续信号的提取问题的分析，对比了目前淬灭电路的发展现状，最终选取了高频正弦门控淬灭电路，减小了死时间和噪声的问题。

但是目前国内对于单光子探测技术的研究还不够深刻，距离国外先进技术有一定的差距，需要对门控淬灭方式进一步研究，优良的门控淬灭电路可以进一步减小死时间，提高探测效率，同时对于探测器件结构、外围控制电路、探测的优化还有广泛的探索空间。

参考文献

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作者：陈雨 羊毅 郝培育 李尊

在线探测技术研究论文 篇3：

输电杆塔鸟类智能感知与驱除研究与应用

【关键词】红外智能探测 多波段超声波驱鸟 智能控制系统

本文研究的超声波驱鸟是一种新型的超低功耗超声波系统，系统发出的超声波能刺激鸟类的神经系统，使鸟类自动远离超声波覆盖的范围，以保护电力设备。具有安装方便、不受时间和环境限制、覆盖面积广泛等优点，可作用于多种种类的鸟。
1研究背景

目前国内外在驱鸟技术方面，常用的技术有声音驱鸟、驱鸟刺驱鸟和风力驱动防鸟器等，具体技术如下。

1.1声音驱鸟。声音驱鸟是在输电线路的安全位置安装风铃、定向声波、超声波等声音驱鸟设备，迫使鸟类远离输电线路的驱鸟方法。风铃、定向声波具有成本低，操作简单的优点;但存在有效范围小，技术含量低，鸟类容易产生适应性等不足。

1.2驱鸟刺驱鸟。驱鸟刺由钢丝、钢丝槽和U 型环底座三部分組成，将钢丝分别插入U型环上方钢槽底部，产品呈刺状散开。驱鸟刺具有弹性，易弯曲，适合不同形状的表面;且有不同的颜色可选择，不会破坏保护物的美观。驱鸟刺用于防止鸟在输电线路停留或筑巢，保护其表面免受鸟粪污染，驱鸟效果好，持久，安装简单，费用低，但覆盖面低。

1.3风力驱动防鸟器。以风力为动力源，在风轮上加装反光镜片，使风轮在做反复运动时利用光学反射原理在驱鸟器区域内形成一个散光区，（但只有在黎明或黄昏的时候，那时光线比较暗，闪光才能起到最大作用），使鸟类惧光不敢靠近筑巢、栖息，具有安装方便，费用低，持久的优势，但受时间限制，且覆盖面积低。

以上技术都存在各种不足。在输电线路的安全位置安装风铃、定向声波等声音驱鸟设备，有效范围小，鸟类容易产生适应性;利用驱鸟刺驱鸟、风力驱动防鸟器等都存在覆盖面低的问题。
2研究目的和意义

2.1研究目的

2.1.1研究鸟类自身释放红外波长的范围，探寻适合高压输电线路环境下的鸟类探测红外传感器，提出一种基于红外探测的鸟类智能检测方案，实现对输电线路区域的鸟类智能探测。

2.1.2研究能够干扰、刺激和破坏鸟类神经系统、生理系统的超声波范围，提出并实现一种多波段超声驱鸟策略。此策略可以克服鸟类具有适应单一超声波波段的情况，确保系统能够长时间具备驱鸟功能。

2.1.3设计驱鸟装置控制系统，该控制系统能够实现对鸟类红外探测传感器信号的采集、分析与控制，当鸟类红外智能探测传感器探测到有鸟类进入高压输电线路区域时，能够自动启动多波段超声驱鸟电路，发射多波段超声波，实现对鸟类的驱赶。

2.2研究意义

本文提出一种输电线路超声波驱鸟技术，该技术利用红外探测技术自动探测输电杆塔周围是否存在鸟类，当有鸟类存在的情况下，通过超声波发生器向架空线路周围发射多波段的超声，从而消除因鸟类在线路周围筑巢、排泄而引起的线路故障。具有很好的经济效益和社会效益。
3理论基础

红外探测技术在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是以红外线为介质的测量系统，一个典型的传感器系统各部分的实体分别是：

（1） 待测目标（2） 大气衰减（3） 光学接收器（4） 辐射调制器（5） 红外探测器（红外系统的核心）（6） 探测器制冷器（7）信号处理系统（8） 显示设备

依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。红外系统的核心是红外探测器，按其工作原理可分为热探测器和光子探测器两大类。

热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。本文所述的红外探测部分可采用热探测器，通过观测、记录在输电杆塔附近鸟类发出的特定波段的红外线，设计专有的红外热探测器，实现对鸟类的勘测。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（ 横波） 及纵向振荡（ 纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，但传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声波驱鸟器。超声波驱鸟正是利用一种超声波脉冲干扰刺激和破坏鸟类神经系统、生理系统，使其生理紊乱以达到驱鸟、灭鸟的目的。超声波驱鸟采用的超声波具有不能穿透障碍物、方向性强、衰减快等的特性，所以通常使用较大功率的驱鸟器。超声波通过无数次的反射方式进行传播，形成超声波防护网覆盖整个驱鸟空间，以达到最佳驱除的效果。采用发射多波段超声波驱鸟可克服以往鸟类可能会对单一波段的超声波产生适应性的不足，达到持续驱鸟的目的。

相关研究结果证明：在一定的空间有一定“供养量”，杀死一只鸟类，就会多生一只鸟类，因此“驱鸟”比“杀鸟”更具有积极意义。
4研究内容与实施方案

4.1研究内容

4.1.1鸟类红外自动探测研究。研究鸟类自身释放红外波长的范围，探寻适合高压输电线路环境下的鸟类探测红外传感器;根据鸟类红外探测传感器的工作原理，设计鸟类红外探测电路，实现对探测信号的获取、滤波和放大，为后续的信号处理和分析提供支撑。

4.1.2多波段超声驱鸟技术研究。研究能够干扰、刺激和破坏鸟类神经系统、生理系统的超声波范围，选择适合高压输电线路环境下的驱鸟超声波发射探头;为克服鸟类具有适应单一超声波波段的情况，提出一种多波段超声驱鸟策略，确保系统能够长时间具备驱鸟功能;根据驱鸟超声波传探头的工作原理，设计驱鸟超声波发射电路，实现对驱鸟超声波发射探头信号的传输和放大。

4.1.3驱鸟装置控制系统研究。要实现鸟类红外自动探测和多波段超声驱鸟，需要设计功能强大的驱鸟装置控制系统。该控制系统能够实现对鸟类红外探测传感器信号的采集、分析与控制，当鸟类红外自动探测传感器探测到有鸟类进入高压输电线路区域时，能够自动启动多波段超声驱鸟电路，发射多波段超声波，实现对鸟类的驱赶。

4.2实施方案

整体实施方案如图1所示。

4.2.1鸟类红外自动探测研究

（a）根据鸟类的生物学特性，研究鸟类自身释放的红外波长范围;

（b）根据鸟类自身释放的红外波长范围，探寻适合高压输电线路环境下的鸟类探测红外传感器;

（c）根据鸟类红外探测传感器的工作原理，设计鸟类红外探测电路;

（d）对获得的探测信号进行滤波和放大。

4.2.2 多波段超声驱鸟技术研究

（a）研究驱鸟超声波的发射范围，选择适合高压输电线路环境下的驱鸟超声波发射探头;

（b）提出并实现一种多波段超声驱鸟方法，确保系统能够长时间具备驱鸟功能;

（c）根据驱鸟超声波传感器的工作原理，设计驱鸟超声波发射电路。

4.2.3 驱鸟装置控制系统研究

（a）设计驱鸟装置控制系统的整体方案，实现鸟类红外自动探测和多波段超声驱鸟;

（b）驱鸟装置控制系统的编程实现。
5经济效益和社会效益

当今社会处于高速发展的时期，工业化程度越来越高，工业用地越来越多而使得鸟类的栖息地越来越少。鸟儿没有足够的栖息地只能改变自己的生活习性，即将鸟巢筑在输电线路的杆塔上，因而使得鸟儿在输电杆塔的附近活动也更加频繁。接踵而来的各种鸟粪类、鸟巢类、鸟体短接类、鸟啄食复合绝缘子类等问题造成的鸟害导致输电杆塔附近出现各种类似导致绝缘子闪络、线路跳闸等问题，尤其超高压远距离大容量输送线路的鸟害事故引起的跳闸，更是严重的影响电网的安全运行。而且越是发达的地区，工业化程度就越高，输电杆塔越密集，鸟类在此筑巢的概率越大，活动范围也越大。由此产生的对电网的危害也越大。

近年来发生的许多大型的停电、跳闸等电力事故，有好多都是由于鸟类在输电杆塔附近频繁活动导致的。由于鸟类在输电杆塔附近活动频繁导致的输电线路的事故不仅影响了人民的正常生活、生产秩序，而且还会给国家和人民造成巨大的经济损失。电力系统对线路上鸟害防护工作的重视程度逐年提高。国家电网公司下发了许多文件都对防鸟害工作提出了明确的要求，明确指出要在鸟害多发地段采取防鸟措施。由此也产生了许多防鸟、驱鸟的方法。为了保护生物的多样性，体现人与自然和谐相处的思想，本文提出这种输电杆塔多波段超声波驱鸟技术，可通过红外探测技术自动探测输电线路周围是否存在鸟类，当有鸟类存在的情况下，通过超声波发生器向架空线路周围发射多波段的超声波，将鸟类驱散而非杀死。从而消除因鸟类在线路周围筑巢、排泄而引起的线路故障。此技术成本低，自动化程度高，可大大降低对输电杆塔的维护成本，具有很好的经济效益和社会效益。
6创新点

6.1提出一种基于红外探测的鸟类智能检测方案，实現对输电线路区域的鸟类智能探测。

6.2提出并实现一种多波段超声驱鸟策略，此策略可以克服鸟类具有适应单一超声波波段的情况，确保系统能够长时间具备驱鸟功能。

6.3采用多波段超声波驱鸟策略不会对鸟类产生伤害，保护了生物的多样性，体现了人与自然和谐相处的思想。

6.4此项目成本低，自动化程度高，可大大降低对输电杆塔的维护成本。
7结束语

本文提出一种采用多波段超声驱鸟的技术，该技术利用红外探测技术自动探测输电线路周围是否存在鸟类，当有鸟类存在的情况下，通过超声波发生器向输电杆塔周围发射多波段的超声，从而驱散鸟类。该技术可以克服当今驱鸟技术的不足，安装方便，不受时间和环境限制，其覆盖面积广泛且不伤害鸟类。由上述分析可知，此技术具有很好的经济效益和社会效益。

作者：王健权