基于InGaAs单光子探测器的线阵扫描激光雷达及其光子信号处理技术研究

随着探测体系的发展,基于单光子探测技术的光子计数激光雷达受到了广泛关注,有效降低了系统对激光功率的需求,广泛应用在远距离测距及成像领域。针对激光雷达在人眼安全波段的工作需求,基于自由运转模式InGaAs/InP SPAD单光子探测器设计了一套多元收发的远程线阵光子计数激光雷达扫描成像原型系统,对探测器在日光背景下的探测概率影响因素展开了分析,配合主动淬灭电路设计及工作温度、偏压调整获得了系统的最佳工作点,并针对扫描视场中孤立目标特征采用了点云滤波及后脉冲预处理算法,将单个接收通道的原始数据率由200 kbps量级降低至小于1 kbps。与记录单次回波相比,单个测距周期记录四次回波可将有效数据量提升约5%。同时也对探测器的噪声及后脉冲等特性进行了分析。该系统工作波段为1 550 nm,探测器线阵规模可达到128元,激光重频为20 kHz,可在2 s内实现水平200°范围内的激光三维成像,作用距离>3 km。经过成像算法处理,该系统在日光条件下成功实现多距离目标三维成像,成像目标清晰。     

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。     

三维成像激光雷达线阵探测模式分析

以三维成像激光雷达对地面车辆目标探测为应用背景,采用线阵光电探测器并行接收的新体制来提高对目标成像的速度和实时性。按照对目标照射的激光辐射形式,总结出两种线阵探测模式：一种是激光多束发射模式,另一种是激光泛光发射模式。对这两种模式的机理、实现方式及优缺点进行了分析,并分别建立了两种模式下的激光雷达探测方程。采用信噪比和测距精度来分析两种模式的探测和测距性能。分别推导出了两种模式下信噪比与距离,发射功率与距离的关系表达式并进行了仿真。仿真结果表明,在相同距离和发射功率下,激光多束发射模式的回波信噪比更高;在相同距离和测距精度下,激光泛光发射模式需采用更高的发射功率。     

星载微脉冲光子计数激光雷达的探测性能仿真分析

星载微脉冲光子计数激光雷达能够实现对地面目标的高重频、多波束探测,有效提高了激光雷达在轨测量的采样密度和覆盖宽度,满足全球高效高精度测绘的需求。依据微脉冲光子计数激光雷达的工作原理,建立了基于多像元光电倍增管（PMT）的星载微脉冲光子计数激光雷达的探测仿真分析模型,并对典型探测过程进行了仿真分析。结果表明,多像元PMT像元数的增加能够明显降低激光雷达的首光子效应,提高测距精度;激光雷达的测距标准差随地形坡度增大而明显增大;对于复杂地形,增加像元数和回波光子数,光子计数点云能够更准确描述地形轮廓的分布特征。同时,机载飞行试验验证了在复杂地形条件下,多像元PMT能够显著增加有效回波光子计数点,准确有效地反映了被测地形的轮廓特征,实现复杂地形下的高精度光子计数测距,验证了仿真分析结果的正确性。     

基于单像素单光子探测的目标识别与跟踪方法

为了实现弱回波信号下非合作目标识别跟踪,文章基于单像素光子计数激光雷达系统设计了目标识别跟踪策略,并且提出了一种目标识别跟踪方法。该方法首先将单像素光子计数激光雷达系统采集得到的三维点云经过插值处理得到直观的距离像,然后采用最大稳定极值区域算法分割目标和背景,根据目标轮廓特征识别并选择需要跟踪的目标。最后提取识别目标的质心,与激光雷达扫描中心的偏差作为误差信号,控制伺服系统在扫描的基础之上执行目标跟踪。实验结果表明,当激光发射能量为625 pJ、回波光子数为25时,该系统能对距离为5 m、角速度约为2 mrad/s的目标进行稳定的识别跟踪;验证了基于单像素光子计数激光雷达的策略及方法能够稳定的分割目标和背景,以及正确提取需要识别跟踪测距的目标质心,为弱回波信号下目标识别跟踪测距提供一种有效直观的探测方法,同时,弱信号探测作为远距离探测的必要条件,为远距离下的目标探测及识别跟踪提供了一个新的技术方向。     

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。     

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。     

高重频光子计数激光雷达样机设计及测距试验

为了验证星载激光三维成像雷达技术,设计研制了一种基于高重频光子计数体制的分视场、无扫描的多通道激光雷达地面原理样机。系统采用两路高重频、微脉冲激光器输出,结合大光斑多元细分阵列光子探测方式实现多通道探测,并采取基于FPGA的时间相关符合计数信号处理技术,对单光子响应时刻进行时间间隔测量和时间相关统计,根据目标响应发生时机一致性和噪声响应的随机性提取目标距离信息。在外场试验中对水平距离大于10 km的楼宇目标进行了有效地测量,单通道的距离测量精度优于0.3 m,探测概率超过99%,并对比不同大气能见度下对测距的影响。该系统验证了星载激光雷达大光斑多元细分、光纤拼接焦面接收方案的可能性,并验证光子计数体制激光雷达测距精度及适应性。     

单光子模式激光测高探测概率模型与精度分析

单光子模式激光测高仪具有灵敏度高、重复频率高、重量轻、体积小等诸多优势,其代表着新一代天基激光雷达的未来发展趋势。对常见的高斯回波波形,基于激光雷达方程、单光子探测器统计特性,建立了单光子回波探测概率模型,基于该模型进一步推导了测距误差的量化关系式,并利用蒙特卡罗方法对所建模型进行了仿真验证。理论分析和仿真计算表明:回波脉宽越窄,测距的系统误差和随机误差越小;回波强度越大,测距的随机误差减小,但系统误差增大。以均方根脉宽为1.5ns的高斯回波为例,忽略噪声影响,当平均信号光子数为1时,单次测距系统误差约6cm,随机误差约22cm。     

目标散射特性对激光雷达回波特性的影响分析

研究目标散射特性对其激光雷达回波特性的影响是进行目标激光雷达主动成像、跟踪以及目标识别的基础。首先推导了考虑探测激光时空分布的目标激光雷达回波公式,通过3DS MAX软件建立了三种典型目标的三维模型,采用单站激光雷达BRDF模型仿真得到了理想漫反射、近似镜面反射以及粗糙表面三种情况下不同目标多角度回波峰值序列,基于此分析了目标散射特性对其激光雷达回波特性的影响,可为目标激光雷达主动探测及成像提供理论参考。     

基于MPPC阵列的三维单光子成像技术研究

三维成像技术在自动驾驶、航空任务、军事领域等都有着广泛的应用,不同技术体制的成像系统有不同的优点,其中基于多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter, MPPC)的三维成像技术由于其成像速度快、对极弱光敏感等优势具有广阔的发展潜力。然而,由于MPPC阵列发展不成熟,基于MPPC阵列的弱光三维成像探测水平受到限制。利用日本滨松公司研发的具有32×32规模的MPPC阵列S15013系列二维光子计数图像传感器,开发了一套三维成像系统,传感器的每个像素由12个单光子雪崩二极管并联而成,其总探测像素达到1 K以上。基于该系统,分析了阈值电压、镜头光阑等参数条件对三维成像探测结果的影响,对系统探测灵敏度和精度进行了测试,并针对37 m远模拟目标开展了三维成像探测试验。试验结果表明:在回波光子数约1.98 (光子/像素)的暗弱条件下,目标区域测距精度达到0.268 m,三维结构特征明显,达到了接近单光子成像的探测水平。     

单光子量子雷达的恒虚警检测条件

量子雷达是将量子效应引入经典雷达探测领域,解决经典雷达在探测、测量和成像等方面的技术瓶颈,提升雷达综合性能的技术。文中简述了量子雷达的基本原理及光子计数体制雷达在这一领域所处的地位,基于普朗克公式和奈奎斯特公式分析了光子计数体制雷达的量子物理基础,基于纽曼·皮尔逊准则推导了光子计数体制中最优的信号检测准则,提出了光子计数体制量子雷达的恒虚警检测条件,基于真实环境进行了光子计数雷达的信号检测仿真,并对比了文中提出的方法相对于经典雷达信号检测方法在光子计数体制下的优势。     

光子累计方法在成像激光雷达中的应用研究

介绍了一套自行研制的采用光子计数探测的1064nm激光雷达系统。理论分析了光子计数探测技术和信噪比的改善．实验研究了改善信噪比的脉冲累计方法。给出了光子累计脉冲与信噪比之间的平方根关系,以及不同距离下的探测结果。另外,讨论了光子累计在两种成像方式下,相同参数的数值模拟和比较。结果表明：采用大发射光束和光子累积方法进行探测的信噪比,比单光束、大光强和逐行扫描方式的探测在理论上要好些。即探测概率高。     

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。     

轻小型全天时远程光子计数激光雷达系统技术

对提升激光雷达作用距离的方法进行了分析,针对2 km以上的远程探测应用,提出了一种轻小型能够全天时工作的光子计数激光三维成像雷达解决方案,可用于轻小型飞行器制导,无人机、直升机、船舶导航与避障,铁路轨道障碍物探查等有远程探测需求的应用场合。该系统采取光子计数高探测灵敏度方案,光学应用收发共光路设计,收发望远镜巧妙采用了共轭光学设计,二维扫描机构放置于望远镜的后方,不但扩大了望远镜口径,提升了作用距离,同时也缩减了扫描镜尺寸,有利于扫描速度的提高,激光收发采取窄发散角和瞬时视场共视场扫描设计,再结合超窄带滤波器的应用,使得系统能够实现强烈背景噪声条件下的工作。最后讨论了高重频微脉冲激光器、发射杂散光干扰、偏振激光雷达适应性以及光子计数背景滤波去噪处理技术等技术难点。     

激光雷达应用技术研究进展

随着激光成像雷达技术的快速发展,激光雷达三维点云数据在多个领域展现出良好的应用前景。本文首先概述了激光雷达的基本原理和性能优势,进而重点阐述了激光雷达在调查监测、建模测绘、探测测量、医疗、军事等各方面的实际应用。     

线阵扫描三维成像激光雷达系统

针对小型智能机动平台对三维成像激光雷达小型化、低功耗、高精度、快速成像的特定应用要求,基于集成激光器阵列和APD探测阵列设计并实现了12元线阵扫描三维成像激光雷达系统;基于高速数字处理芯片和高精度时间间隔测量芯片实现了并行高精度激光脉冲飞行时间测量和实时数据处理和传输。详细描述了系统原理、组成部分以及实验结果。实验验证该系统激光脉冲重复频率大于10 kHz,垂直方向激光单元角度间隔小于2.5 mrad,近距离距离分辨率优于2.4 cm,测量数据统计标准差小于1,各通道一致性良好。在高速水平扫描转动平台驱动下实现了室内三维场景重构以及高塔大视场远距离目标探测成像实验。     

基于日盲紫外成像探测器的光子计数算法研究

为了完成对日盲紫外电晕信号的定量分析,本文设计了基于时间域的弥散圆斑光子计数算法来对成像系统所采集的图像进行量化分析.首先阐述了单光子探测的原理以及光子计数原理;然后设计了基于日盲紫外ICMOS的成像探测系统,为了满足荧光屏的余晖响应,优化了CMOS驱动,使得帧频可达390 fps;然后通过分析传统的连通域光子计数算法...