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距离选通成像系统中短脉冲 驱动技术研究

王翀,杨嘉皓,朱炳利,韩江浩,党文斌

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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 驱动技术研究[J]. , 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 驱动技术研究[J]. , 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 驱动技术研究

doi:10.37188/CO.2022-0142
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 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 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 ,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 二极管都能够获得性能优良的短脉冲 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 6SRD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 7SRD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 11SRD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 1550 MHz方波激励源Ld=5 cm的脉冲波形

    Figure 15.Pulse waveform of 7 Vppat 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
    10 5 1.186 ns 4.24
    20 5 1.041 ns 3.68
    50 5 824.0 ps 2.46
    10 10 1.869 ns 8.16
    20 10 1.508 ns 7.32
    50 10 1.011 ns 6.04
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    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 MHz 10 cm 1.493 ns 2.86 V
    20 MHz 10 cm 1.498 ns 2.606 V
    50 MHz 10 cm 1.525 ns 2.38 V
    10 MHz 20 cm 2.884 ns 3.00 V
    20 MHz 20 cm 2.923 ns 2.82 V
    50 MHz 20 cm 2.878 ns 2.30 V
    下载: 导出CSV
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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

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