单光子测距系统仿真及精度分析

单光子探测器和时间相关单光子计数技术（TCSPC）被广泛运用于脉冲式激光测距及三维成像系统中。分析影响探测精度的因素有助于提高测距系统的性能。为此,建立了基于TCSPC单光子测距系统的理论模型,讨论分析了影响测距系统测量精度的因素,主要包括激光脉冲强度和回波信号统计波形的脉宽,其中后者由激光脉宽和探测器的时间抖动决定。并且利用蒙特卡洛法对测距系统的探测过程进行仿真,得到了上述因素对测量精度的具体影响情况。最后搭建了单光子测距的实验室实验系统,经过实验在10 m处的测量精度达到4 mm,对相同参数下的仿真结果进行了验证。     

高噪声高精度时间相关单光子测距系统性能研究

为弥补伪随机码调幅测距系统性能研究的不足,采用可编程逻辑器件实现1GHz和2.5GHz速率的伪随机码发生器。实验系统以50m为测试距离,针对两路伪随机码光子到达时间点,采用快速傅里叶变换算法得到互相关波形。在此基础上,建立互相关波形的数学模型,采用参数估计法,运用马尔可夫技术完成参数迭代,重构距离波形,得到距离估计值。实验结果表明,伪随机码为1的比例为1%,探测到的光子计数率为2×106 s-1;低背景噪声下,积分时间和信噪比成正比,与理论相符;高背景噪声下,随着积分时间的增大,采用该方法估计的距离值标准差比峰值距离标准差的增大速度缓慢,整体距离精度高于峰值距离精度。积分时间为0.001s时,2.5GHz码速测距的精度从7.3cm提高到4.62cm。另外,该方法估计得到的1GHz的距离精度仍然低于2.5GHz的距离精度,同等速率下,可降低噪声对距离精度的影响。     

非合作目标脉冲相位式激光测距仪的测程研究

对于非合作目标的中程距离测量, 从测距范围、测量精度、速度和可靠性的折衷方面来讲, 脉冲相位式激光测距法优于常规的脉冲法测距和连续波相位法测距。在脉冲相位式激光测距中提出采用连续发射的正弦调制脉冲信号提高发射激光的峰值功率以提高测程, 但发射激光的平均功率被保持很低保证了发射激光对人眼的安全。同时根据硅雪崩光电二极管(Si-APD)噪声谱密度理论, 设计了具有温度补偿和反馈电阻噪声补偿的激光测距仪前放接收模块, 详细分析了背景光, 反向高压和反馈电阻对于Si-APD接收性能的影响。实验表明：根据该方法设计的前放接收模块使测距仪接收系统获得最大信噪比, APD工作在最佳倍增状态,从而提高测距仪的探测灵敏度和最大测程。     

目标形状对激光测距机测距能力影响的数值模拟研究

根据激光测距方程,引入了等效散射面积的概念,分别建立了对点目标、扩展目标和线形目标测距的理论模型.通过数值计算,研究了目标距离、束散角与探测器接收功率及信噪比的函数关系,讨论了不同目标形状对激光测距性能的影响.结果表明,目标形状在较近距离情况下对测距机的接收功率和信噪比有显著影响,而在较远距离时,其影响可忽略.     

基于多项式模型的TLS激光强度值改正

从激光雷达测距方程出发,根据扫描仪的辐射机制,运用多项式模型拟合激光强度值与接收功率之间的关系。由于系统参数与目标反射率未知,接收功率无法获取,所以通过激光入射角的余弦与激光测距值平方的组合,构造新变量,实现目标反射率与扫描几何因素的分离,根据多项式模型建立激光强度值与新变量之间的模型关系。定义了标准测距值与标准入射角,分析残差特性,对激光强度中的距离和入射角效应进行改正。通过实验进行验证分析。实验结果表明:该方法能有效地去除由距离和入射角引起的强度偏差,精确地对激光强度值进行改正。     

机载激光成像技术新进展

详细介绍了机载微脉冲激光成像技术的最新研究进展,并以机载远程目标探测与识别为应用背景,对机载微脉冲激光成像原理进行了理论研究,对比分析了在高分辨率成像系统中采用多通道计数器的单光子探测阵列的优点,着重分析了单光子探测和/或接收器死时间及其对信号探测、测距精度、距离分辨率的影响等关键技术.研究结果表明:与传统的高信噪比激...     

激光测距仪距离模拟源技术研究与精度分析

在对激光测距仪进行性能测试时,需要输入高精度、稳定且可调的仿真距离测试值.对激光测距仪的地面距离模拟源技术进行了研究,设计了集成激光接收和发射单元的距离模拟源系统,通过使用同步时钟计数的方法实现长度可实时输入的延时,以模拟激光测距仪从激光发射到接收激光回波间的时间间隔,并对影响距离模拟精度的系统误差和随机误差源进行了分析和计算,最后通过高精度时间间隔测量装置对距离模拟源进行了实际模拟精度的测量,验证了距离模拟源提供的距离值的绝对精度和相对精度.     

调频连续波激光引信探测系统设计

调频连续波（FMCW）激光探测技术将调频测距原理与激光的优点相结合,具有探测精度高、抗干扰能力强等优点。为验证FMCW激光探测原理和性能,设计了FMCW激光引信探测系统,包括激光发射子系统、激光接收子系统和信号处理子系统,具有FMCW激光发射、接收、信号处理和探测距离信息输出等功能。对FMCW激光引信探测系统的测距性能进行试验测试,结果表明:FMCW激光引信探测系统的最大探测距离12 m,测距误差在0.3 m以内。所设计的FMCW激光引信探测系统具有较高的探测精度,可应用于FMCW激光引信。     

基于蒙特卡洛仿真的水下四点单目测距研究

水下光通信系统在工作时需要及时获取与接收端的距离信息并进行高速通信。文章提出在水下蓝绿激光通信系统中加入单目测距功能,实现短距离视觉测距和长距离激光测距的水下光通信测距一体化研究。使用蒙特卡洛方法进行仿真,建立激光信号水下信道传输模型,模拟不同目标尺寸、不同距离和不同水质下的水下激光光斑图片,分析以上3种因素对水下单目测距精度的影响。考虑仿真图片光斑弥散和对比度降低对测距精度的影响,文章针对性地提出了一种对水下小尺寸光源目标、结合图像增强和Zernike矩亚像素点边缘检测的单目测距算法以提高单目测距算法的精度。通过实验室水池实验验证,文章所提算法精度达到了使用要求。     

背景辐射功率对星载激光高度计信噪比的影响研究

"嫦娥一号"卫星的有效载荷激光高度计通过测量发射与接收信号之间的时间间隔,获得星-月距离数据.本文分析了背景辐射功率、倍增因子与激光高度计最佳信噪比之间的关系,并利用积分球进行了不同背景辐射功率下的信噪比试验,验证了背景辐射功率以及雪崩二极管倍增因子对接收系统信噪比的影响.结果表明,在不同的背景辐射功率条件下,存在不同的最佳倍增因子,使接收系统获得最大信噪比.     

一种对高速运动目标的单光子测距方法

作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。     

固定目标的运动单站被动测距

分析了角度和角度变化率被动测距系统的基本原理,研究了空间固定目标的单站被动测距方法,并提出光学成像系统中角度及角度变化率测量方法。利用Monte Carlo模拟验证了被动测距的数学模型,角度及角度变化率的测量误差是影响距离测量精度的主要因素,为了克服误差的影响,研究了基于推广卡耳曼滤波(EKF)距离估算方法。实验结果表明,对于含有零均值高斯噪声的角度和角度变化率的测量数据,利用推广卡耳曼滤波可以提高距离估算的稳定性和精度。     

运动条件下光子计数激光测距系统点云数据的处理

研究了运动条件下光子计数激光测距系统的探测机制,分析了该系统在数据处理中涉及到的回波光子信号的统计特性、探测概率等理论问题。针对运动条件下的测距背景,根据该系统的回波信号特点,基于Matlab产生了符合统计分布规律的包含目标回波和噪声回波的仿真信号。在对泊松滤波算法等传统数据处理算法进行研究的基础上,提出了一种改进的基于栅格滤波的算法,并利用该算法对仿真回波数据进行了处理,最终有效滤除了随机分布于整个探测空间的噪声信号,获得了目标的运动轨迹。与传统的数据处理算法相比,该算法对运动条件下的光子计数激光测距数据具有良好的处理效果。     

星载光子计数激光雷达海面点云仿真方法

星载光子计数激光雷达作为一种新的探测体制激光雷达,已开始应用于海面测量。然而受海风等多种因素的影响,海面存在一定的粗糙度和较大的起伏变化,因此光子计数激光雷达返回的信号点云在返回能量和信号光子分布上存在较大的变化,潜在的影响到了海面高程测量精度。本文基于JONSWAP海浪谱和微面元模型理论,结合蒙特卡洛方法建立了光子计数激光雷达海洋目标的仿真模型。以ICESat-2星载光子计数激光雷达的系统参数作为输入,仿真了不同风速条件下海面的信号光子分布,通过与ICESat-2实测结果对比证明了仿真方法的正确性。基于仿真模型,分析了不同风速条件下,光子计数激光雷达的测距误差分布。结果表明,光子计数激光雷达测得的海面高程小于实际参考海面,且测量偏差和标准差随风速增加而增大,当风速为10m/s,累计脉冲次数为100次时,测量偏差约为-2.5 cm,标准差为3.6 cm。所建立的仿真模型和分析结果对优化针对海面观测的星载光子计数激光雷达的系统参数设计和平均海面观测结果修正具有重要的参考意义。     

激光诱导间质热疗中的治疗参数选择

目的：考察激光诱导间质热疗中各治疗参数对治疗效果的影响，对各治疗参数进行选择和优化。方法：基于光子传输理论，分别采用Monte Carlo模拟方法和Pennes生物传热方程求解生物组织中的能量分布和温度分布。结果：计算得到了一般加热系统、具有冷却设备的加热系统以及暂时阻断血液灌注条件下，激光波长、功率大小及激光加入头曝光时间对凝结区域大小的影响。结论：激光诱导间质热疗中，需要综合考虑生物组织特性和激光波长、功率及曝光时间等治疗参数来制定治疗方案。     

网络编码机会协同中继中断概率分析

采用机会,给出了在译码转发方式下基于网络编码的双向多中继系统平均中断概率表达式,通过Monte Carlo仿真,验证了理论分析的正确性。随后分析了功率分配因子与信噪比和中继节点个数在不同情形下的系统中断性能,指出了功率分配因子与系统总功率和中继节点的内在关系。仿真结果表明,在双向多中继系统中采用网络编码和机会中继时,功率分配因子取值在0.6或0.6附近时能够获得最优的系统中断性能。     

基于网络编码的双向多中继系统中断概率分析

网络编码在双向多中继系统中已经得到了广泛地研究,并有效地提高了双向多中继系统的吞吐量。首先本文导出了在译码转发方式时,独立正交信道和多接入信道下基于网络编码的双向多中继系统平均中断概率表达式。Monte Carlo仿真和理论分析非常吻合,验证了理论分析的正确性。之后分析了系统平均中断性能在不同信噪比和不同中继节点个数等多种情形下与功率分配因子的关系,揭示了功率分配因子与系统总功率和中继节点数量之间的内在关系。仿真结果表明,双向多中继系统采用网络编码进行传输时,在独立正交信道下和多接入信道下的功率分配因子取值在区间 内能够获得最优的系统中断概率性能,并且多接入信道下的系统中断性能要好于独立正交信道。      

Resource optimization in distributed cooperative multi-relay system based on STBC-OFDM

On the basis of the amplify-and-forward relaying mode, a two-hop distributed cooperative multi-relay system is proposed combining with the space-time block coding OFDM (STBC-OFDM) technique. Taking the maximum end-to-end data rate as optimization criterion, the signal-to-noise ratio (SNR) of receiving terminal is deduced. On the basis of the water-filling theory, the optimal power allocation (OPA) is achieved for each subcarrier in each antenna and each relay node (RN) of the two-hop, to realize the resource optimization. Monte Carlo method is adopted in simulation. The simulation results show that compared with the uniform resource allocation scheme, the proposed OPA strategy can improve the system capacity. And the energy consumption of each transmission bit will be decreased, indicating the improvement of resource efficiency. In the scenario that the total power is limited, the system performance can be enhanced further by the distributed cooperative multi-relay through the diversity gain.     

一种移动环境下的信噪比估计算法及其在多普勒频移估计中的应用

利用移动信道的功率谱特性,提出了一种基于谱分析的平均信噪比估计算法,其实现可以利用FFT(fastfouriertransform),从而有效节省了运算资源。其次结合噪声环境下多普勒频移的理论偏差,提出了基于信噪比估计的改进方法。计算机仿真表明,在一般通信系统的工作信噪比范围,文章的信噪比估计方法具有较高的估计精度,而且基于信噪比估计的改进多普勒频移估计方法在各种移动速度和信噪比下都表现出较高的估计精度。