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。     

采用高速伪随机码调制和光子计数技术的光纤激光测距系统

在高速伪随机码调制和光子计数技术的激光测距系统中,将1 550 nm光纤激光器的伪随机码调制速率从622 MHz提高到1 GHz,利用光纤延时方法开展了两种调制速率下的测距实验并进行性能验证和对比。采用10阶M序列伪随机码和探测效率为10%的同一个InGaAs/InP雪崩光电二极管,入射到探测器的信号光能量均为1.9410-17 J时,得到二者的系统信噪比基本一致,但在高调制速率下系统的测距精度提高了1.58倍,基本符合理论计算结果。搭建了实际测距平台并开展基于1 GHz调试速率下的室内测距实验,当测量距离约为4.5 m的高反射目标时,得到2.1 cm的测距精度,该实验结果为室外测距实验提供了参考依据。     

星载光子计数激光测距雷达的实时去噪方法

星载光子计数体制激光测距雷达系统具有高重频、高精度等显著优势,但也面临原始数据量大且噪声数据占比过高的问题。为适应星上数据通道的传输能力,需压缩原始数据量并保障信号光子的查全率,因此必须发展以硬件为主体的实时去噪算法。本文提出一种粗精结合的快速去噪算法,首先基于激光器发射脉宽、系统噪声率、目标特性以及接收光子事件的局部密度信息进行粗去噪,剔除部分噪声光子;再利用直方图统计,对保留的光子事件进行精去噪,确定信号光子区间及最终的信号光子及其时间信息。通过蒙特卡洛仿真和ICESat-2实测数据对算法进行验证,测试结果表明,本算法查全率大于94%、查准率大于93%、调和平均值大于94%,运行效率提高了10%。算法可以实现光子事件的快速实时去噪,为星上硬件实时去噪处理提供了理论基础。     

不同通量条件下光子计数激光雷达信号畸变的规律研究

光子计数激光雷达在高通量条件下的输出信号会出现严重的畸变现象,从而影响目标信息的提取,因此,研究信号畸变的变化规律是一个重要的理论与实践问题。为此本文建立了多触发条件下光子计数激光雷达信号计算的稳态正向递推模型,该模型具有精度高、速度快,且可准确反映物理过程等显著优势。结合正确性验证,通过改变模型的信号幅度N、脉冲宽度P_W、背景噪声N_b和死区时间T_d等参数对激光雷达信号畸变的影响规律进行探究,结果表明：当死脉比R_dp≤2时,信号的畸变与N、P_W、T_d有关,当R_dp>2时,信号畸变仅与N有关;同时在仿真实验结果中发现,当探测损失率α≤5%时,可忽略信号畸变的影响,该发现可作为区分高通量信号畸变(α>5%)与低通量信号保真(α≤5%)的判别界限,根据计算,在某些特定条件下,改变死区时间的大小会将高通量转化为低通量。上述结论相比于传统的基于光子计数率的“5%”准则更加精确地划分了高低通量与信号畸变的界限。     

光子计数激光测深系统

设计了一套基于光子计数探测体制的激光雷达水深探测系统,该系统工作波长为532 nm,单脉冲激光能量为0.5 J,脉冲宽度为400 ps,激光重频为10 kHz,单光子探测器死时间为22 ns,时间间隔分辨率为50 ps。首先介绍了光子计数探测体制激光雷达用于水深探测的基本原理及其相对于传统机载激光测深雷达的优越性;然后分析了水底回波信号产生的平均光电子数与系统单脉冲激光能量的关系,从而理论求取出该系统的极限测深能力为3.7 m左右。最后进行了外场实地试验,对所获激光雷达点云数据进行滤波和解算,成功测得了透明盘深度为1.2 m的浑浊水体深度为2 m以内的水下信息。     

光子计数激光雷达点云的自适应去噪算法

星载多波束光子计数激光雷达能实现高重复频率探测,有效提升了激光雷达在轨测量的空间分辨率,满足测绘和植被测量等应用需求.针对光子计数激光雷达点云的特征,提出了一种用于光子计数激光雷达点云的自适应去噪算法.首先,优化了搜索区域的形状,分析了噪声点邻域密度的分布特征.然后,根据噪声点的邻域密度统计特征自适应确定噪声点识别参数...     

用便携机实现激光测距机数据的处理与评估

针对激光测距机数据的处理与评估方法进行分析讨论，提供了一种行之有效的检测方法和手段，并对其设计进行了粗略的介绍。     

基于SNSPD与SPAD探测器的激光测距系统的比较研究

通过实验比较研究了基于SNSPD与SPAD探测器的激光测距系统.实验中,当接收回波端衰减120 d B时,天空光背景可忽略,基于SPAD的激光测距系统探测概率低于0.2%,而基于SNSPD的激光测距系统探测概率达35%;当激光发射频率低于1 k Hz,基于SNSPD的激光测距系统探测概率比SPAD高60%以上.研究表明:在探测弱信号回波光子时,SNSPD的探测性能远远优于SPAD,其原因是SNSPD具有较低的暗计数和高探测概率.与此同时,在接收端无衰减情况下,天空光背景会带来暗计数,影响测距系统信噪比.通过仿真分析表明,当背景亮度L0高于30 W/(m~2·sr)时,该基于SNSPD的激光测距系统的信噪比低于6,可能影响测距系统稳定探测.     

基于不同伪随机码调制的光纤激光测距系统

在高速伪随机码调制和光子计数技术的激光测距系统中,采用不同的伪随机码,在光纤延时的方法下开展了基于不同伪随机码调制的测距实验并与M序列伪随机码进行对比。结果表明在相同的入射条件下,M序列伪随机码具有更好的信噪比和测距精度。搭建了实际测距平台并开展了室外测距实验,在10阶M序列伪随机码,1GHz调制速率,发射光输出峰值功率12.1W,测量768.5m远的目标时,得到3.2cm的测距精度。     

空间碎片天基光子计数激光探测研究

为了满足空间碎片探测与精确定轨的需求,采用光子计数的高灵敏激光探测方法,讨论了盖革模式下雪崩二极管探测器的光子计数探测基本原理,并建立了引入探测器与空间碎片的相对径向速度的天基光子计数探测模型,进行了空间碎片光子计数激光探测的理论分析和仿真验证。结果表明,在可探测速度范围内,光子计数激光探测技术能有效探测到尺寸为10cm的空间碎片目标,测距平均误差为34.72cm。与传统地基雷达和光电探测手段相比,此技术测距精度能提高3个数量级,可有效降低航天器与空间目标碰撞的概率。     

声光调制器在激光测距模拟系统中的应用

为了不受外界限制,方便对火控系统中激光测距机的主要性能进行定量或定性的检验和测量,需研制一套严格的可靠性试验系统.在激光测距可靠性模拟系统中,关键的延迟器组件已得到了较好的解决.本文将简要介绍其中声光器件的结构、工作原理及其延迟装置在激光测距模拟系统中的应用.     

基于伪随机码调制和单光子计数的光纤激光测距研究

开展了基于伪随机码调制和光子计数的1550 nm光纤激光测距技术研究,研制了一套测试实验系统。为了克服常规InGaAs单光子探测器由于抑制后脉冲而导致的探测速率低的问题,系统采用离散放大光电探测器作为单光子探测器件,单光子探测速率可达100 MHz。在室温,偏置电压53 V,伪随机码序列长度81.91μs时,系统探测灵敏度可达-83.6 dBm。在不同信号功率及伪随机码序列长度情况下,对系统性能进行了测试。在伪随机码序列长度163.83μs,信号平均功率-78.6 dBm时,系统测距精度可达12.7 cm。根据实验结果,推算出一套星载条件下的系统参数。     

激光测量点云的数据处理方法研究

激光测量技术具有高分辨率、快速、非接触和数字化的特点,其应用日益广泛。基于激光测量的散乱点云,研究测量点云的数据处理方法。在分析通常的数据处理流程与方法的基础上,重点研究了如何应用数据的虚拟切割技术和测量点云的虚拟投影技术。点云虚拟切割技术主要包括径向/轴向切割技术、柱面切割技术与指定切割半径处的轴向截面切割技术。点云虚拟投影技术主要包括规则特征投影技术和轴向旋转投影技术。基于点云的虚拟投影,阐述了零件的参数提取策略。通过基于激光测量的零件数字化检测的实践表明所提出的点云数据处理方法与策略是行之有效的。     

激光测距信号内插法研究

为提高激光测距测距的精度,除了改善光路传输环境外,需要对接收信号进行必要处理。从激光测距机信号处理的角度,首先介绍了脉冲激光测距的时间间隔测量技术和时刻鉴别技术,然后探讨了信号处理中用直接计数与模拟内插相结合的方法提高测距精度的技术途径。经过分析计算,认为用直接计数与模拟内插相结合的方法可以提高测距精度。     

深度学习在卫星激光测距数据处理中的应用

卫星激光测距是获取空间目标高精度距离的重要技术。在测量数据应用于科学研究之前,需要对原始数据进行一系列的预处理。常用的信号提取方法主要有Graz自动识别、泊松滤波和人工识别等。近年来,一些学者将深度学习技术应用到天文领域,解决了一些问题并取得了相对理想的结果。提出了一种利用深度学习技术提取目标信号的方法,实测数据的识别结果表明,所提算法具有一定的可靠性、通用性和可行性。研究结果对卫星激光测距系统向智能化方向发展有积极的作用。     

光子计数激光雷达游走误差与时间抖动的研究

光子计数激光雷达具有灵敏度高、体积小等特点,是未来远距离探测激光雷达的发展方向。光子计数激光雷达在探测时会产生游走误差,从而影响系统的测距精度。文章就游走误差与探测器时间抖动之间的关系进行了理论分析与实验验证。首先,基于激光雷达方程、单光子探测器时间抖动与光子计数探测的概率统计特性,建立了激光回波信号与探测器时间抖动的数学模型;然后使用该模型进一步推导了探测器时间抖动与游走误差之间的关系,计算分析与仿真实验都表明:系统的游走误差与探测器时间抖动呈正相关关系。最后,使用拥有不同时间抖动的单光子探测器进行了实验,实验结果表明:当探测器时间抖动标准差分别为15,350和1152ps时,游走误差分别为0.88,2.55和12.56cm。     

机场场监雷达数据处理技术研究

针对场面监视雷达的应用需求,首先对地面民航机的运动场景和状态进行分析与仿真,对于机场目标运动模型多样、受环境影响大的情况,研究基于检测前跟踪算法的场监雷达数据处理算法;并将机场数字地图信息和目标数据库融入场内目标的跟踪过程,以提高雷达对不同运动状态目标的跟踪性能;同时,对异常情况及时告警,确保机场飞行安全;最后给出了仿真数据及某机场实测数据的处理结果,验证算法有效性。     

面向大数据处理的高精度多维计数布鲁姆过滤器

分析了现有多维布鲁姆过滤器查询算法的工作原理和特点,针对大数据处理特点提出了一种基于双射函数的高精度多维计数布鲁姆过滤器(AMD-CBF)查询算法.AMD-CBF中元素表示和查找分两步进行,第1步将元素各属性哈希映射到各自对应的高精度计数布鲁姆过滤器(A-CBF)中;第2步将元素的所有属性通过双射函数转换为一个值来表示元素整体信息,然后将这个值哈希映射到联合计数布鲁姆过滤器中(C-CBF),完成元素整体的表示和查询确认.理论分析和仿真实验结果表明,AMD-CBF能够支持多维集合元素的高效表示和查询及删除,相比同类研究查询假阳性降低明显,查询精度大幅度提高.     

提高PMT光子计数系统探测灵敏度的方法

光电倍增管（PMT）光子计数是光子计数技术的一种,通过选择合适的低噪声光电倍增管,并对光电倍增管的光阴极和前几级倍增极进行致冷。以及合理地设计光电倍增管的高压偏置电路和设定后续甄别器的鉴别闽值,可以使PMT光子计数系统对弱光的探测灵敏度达到甚至优于10^-17W。文中阐述了PMT光子计数的原理及系统组成．并对提高系统探测灵敏度的技术环节进行了分析。     

用于相位法激光测距的电路系统设计

本文论述了相位法激光测距的原理和引起误差的原因,提出了电路系统设计方案,着重对频率电路和精神检相电路进行了较为深入的分析与讨论。针对大小角度、零点漂移和信号幅度等原因引起的测量误差,本文提出了具体的解决措施,提高了数字检相电路的测相精度和稳定性,最后给出了测试方法和测试结果。