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。     

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。     

光子计数三维成像激光雷达的分析与实验

对于直接探测三维成像激光雷达,采用光子计数探测器可以响应单光子水平的目标回波,从而大大提高探测效率。研究的光子计数三维成像激光雷达采用盖革模式雪崩光电二极管（APD）作为探测器。首先分析了回波光子探测模型,并根据此模型讨论了激光雷达探测概率和测距模式。在理论分析的基础上,设计了一套光子计数三维成像激光雷达系统,对一些选定目标进行了测距和三维成像实验,并对实验结果进行了分析。     

用于条纹像距离提取的迭代加权质心方法

条纹阵列探测激光雷达具有测距精度高、作用距离远、探测景深宽和数据更新率高等显著优点,已被广泛应用于地形测绘、海岸带监测、城市三维重构、森林生态研究等领域中。传统的信号鉴别方法在回波信号距离提取过程中存在一定的局限性,影响了条纹阵列探测激光雷达的距离分辨能力和目标识别能力。针对这一问题在处理条纹图像时引入了一种迭代加权质心算法,讨论了该算法在质心定位中的独特优越性,结合条纹阵列探测激光雷达的信号分布特征确定了该算法中关键参数的选取。利用该算法在1.4 km的作用距离下获得了具有清晰边界特征的目标距离像,有效抑制了距离提取过程中产生的边界模糊效应,显著提升了系统的细节分辨能力,相比于传统的质心算法,测距精度提高了17%。     

基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距系统

基于高速脉冲调制和回波采样技术,构建了一套激光测距系统。该系统利用高灵敏度多像素光子计数器的多回波光子信号累加输出的特性实现光电信号转换,借助高速信号采集技术对回波信号进行全波形采集,通过回波波形的累加计算得到了回波信号的精确到达时刻,最终获得了高精度的距离信息。理论分析和实验验证的结果表明,该测距系统在实现远距离目标探测的同时,能够兼顾近距离目标的高精度测距,系统的测距动态范围可达10~7,测距精度为0.6 mm。     

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。     

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。     

微脉冲激光人卫测距技术

微脉冲激光测距技术是新一代激光人卫测距系统所采用的距离测量技术。它与常规激光测距机的最大区别是激光信号探测方式的不同。它采用光子计数的探测方式,利用大量数据的统计特性来提取距离信息,比直接利用信号本身特性来判断信号的有无具有更高的灵敏度。微脉冲激光测距机主要应用优点是作用距离远,使用安全性好、系统可靠性高,最适于人卫测距、远程测距、大气激光雷达等应用领域。     

光子计数激光雷达的自适应时空关联深度估计

光子计数激光雷达具有高灵敏度、高时间分辨率等优势，为了实现在大量回波数据及强噪声环境下目标信息的高效提取，提出一种自适应时空关联深度估计算法。首先，根据回波数据中信号光子和噪声光子与发射激光脉宽的关系，利用回波光子在时域上的统计差异，自适应重构具有不同时间分辨率的直方图，并结合邻域像素数据之间的空间关联性，自适应调整时间窗口的大小，寻找信号光子所在的时间区间并提取相应的数据，显著降低后续处理的数据量；其次，基于所提取的回波光子数据，设置滑动窗口初步估计各像素的时间值；最后，通过自适应均值滤波得到各像素的飞行时间，解算相应的距离信息。相较于峰值法和Chen算法，在起伏地形探测的仿真实验中，当信号光子数约为14、噪声强度小于6 MHz时，重建的均方误差至少降低了20%；在室内静态目标成像实验中，当噪声强度在5.08 MHz范围内，所提算法进行目标重建的最大均方误差为0.017。仿真及实验结果表明，所提算法对强噪声下起伏地形和室内静态目标探测的回波数据均具有较好的滤波效果。     

基于4元APD阵列的激光测距技术研究

提出了一种基于盖革模式(Geiger mode)下雪崩二极管(APD)阵列作为接收器件的激光测距新技术.盖革模式下的APD阵列具有单光子探测能力,能够对微弱的激光回波信号实现探测,并能够实现高精度的起始点判别,从而准确地确定激光飞行时间,最终计算出目标距离.实验结果证明相比传统的测距技术,新的测距技术可以实现低激光发射功率下的高精度,远距离测距,为激光测距技术的发展提供了一条新思路.     

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。     

基于单光子线性APD的信息提取算法研究

针对新型单光子线性APD器件获得信息维度多、灵敏度高的特点,提出了一种基于单光子线性APD的微弱回波信号距离信息提取算法。首先利用微弱信号的泊松分布特性对回波信号进行建模,随后对每纳秒内的回波光子数进行统计,利用与脉宽等宽的距离窗进行滑窗求和,将最大值位置作为信号脉冲接收时刻,进而反算距离信息。设计了跟踪前的目标搜索策略和稳定跟踪后的距离门匹配算法,有效降低了背景光干扰和计算资源消耗,在回波光子数分别为200、10、5个时分别获得了100、9993、9658的计算正确率。对单光子量级信号设计了脉冲积累算法,单个光子信号回波的计算正确率为995。同时对静止目标通过算法迭代实现了信噪比为0dB甚至负dB的信息提取,对003个光子信号回波探测的计算正确率为961。仿真结果表明该算法可以综合应用单光子线性APD的强度信息以及单光子灵敏度,实现了在极限灵敏域下的距离信息提取。     

浑浊水体激光后向散射特性仿真与实验研究

由于水体的吸收和散射作用,光束能量在传播的过程中会产生衰减,激光脉冲会被展宽,制约着水下激光雷达的探测范围和探测精度。文中以浑浊水体环境下水下弱小目标探测为应用背景,建立了水下光子传播的蒙特卡洛仿真模型,模拟了不同衰减系数和散射率的水体后向散射回波信号,并对相应的水体后向散射回波信号变化趋势进行了分析。仿真结果表明：随水体衰减系数的增加,近场水体激光回波信号接收光子数逐渐增多;随水体散射率的增加,回波信号光子消亡速度逐渐降低。开展了不同浊度下的激光雷达回波信号的测试实验,实验结果表明：随水体衰减系数的增加,水体激光后向散射回波幅度逐渐增高,脉冲宽度逐渐展宽。在进行浑浊水体水下弱小目标探测时,随水体衰减系数的增加,应通过逐渐减小激光器能量或接收系统增益来增强水体回波与目标回波之间的差异,以此提高浑浊水体水下弱小目标探测的信噪比。实验验证了理论与仿真结果,为浑浊水体环境下水下弱小目标激光探测系统在不同水质下的激光能量选取、接收系统增益设计等提供理论支撑。     

量子增强星载光子计数激光雷达阈值检测性能

星载光子计数激光雷达在遥感探测、导航测距等领域发挥着重要作用。依据光子数可分辨激光雷达的工作原理,建立了基于光量子统计理论的星载光子数可分辨激光雷达接收端的量子阈值检测模型。方案利用先进的光子数可分辨探测器件滤除未能达到最小检测信噪比的光子,并根据光量子统计规律重构信噪比检测公式,接收端的最小可检测信噪比相对经典光强检测方案进一步降低。同时分析了新型量子阈值检测方案的检测概率与虚警概率,数值仿真的结果表明,基于光子数可分辨探测的量子阈值检测方案的信噪比在少光子到达的条件下优于经典光强检测方案,且利用量子压缩态发射源可进一步增强量子阈值的检测性能。最后,进行了星载光子数可分辨激光雷达测高的仿真实验,结果表明在少量返回光子信号情形下的量子阈值检测方案的性能获得了显著增益。     

四Gm-APD探测器提高激光雷达探测性能的研究

提出了一种四Gm-APD单次探测的激光雷达系统,该系统采用22的光纤阵列同时接收回波脉冲,利用四通道实时比对得到目标的距离信息。计算了该系统探测概率、虚警概率和测距精度,并与传统单Gm-APD四次累积探测激光雷达系统进行相互比较。结果表明,四Gm-APD激光雷达系统不仅能够使探测速度提高到4倍,其探测性能也都明显优于单Gm-APD四次累积探测的激光雷达。探测概率从60.6%提高到了91.6%,虚警概率从1.9%下降到了0.2%,测距精度从1.771 m提高到了0.440 m。最后,分别对两个系统进行了6464像素的距离像仿真,仿真结果验证了该方法的正确性。     

结合改进DBSCAN和统计滤波的单光子去噪算法

为了解决光子计数激光雷达探测数据中噪声点云过多的问题,采用结合基于密度的噪声空间聚类应用算法(DBSCAN)和统计滤波算法的单光子点云去噪方法,以美国国家航空航天局提供的多波束试验激光雷达实际飞行数据为实验数据,通过k维树求取点云密度进行粗去噪,然后运用改进DBSCAN算法和统计滤波算法进行精去噪,进行了理论分析和实验...     

线性增益调制激光雷达系统参数对测距精度的影响

增益调制非扫描激光雷达是一种新体制的激光雷达,其测距精度的研究具有重要价值。从增益调制激光雷达距离表达式出发,研究了增益调制激光雷达各系统参数对于距离精度的影响关系,综合考虑了回波强度较低时的光子噪声和距离精度较高时微通道板的增益饱和带来的影像,给出了测距精度与回波功率的关系曲线,得到了增益调制无扫描激光雷达系统存在一个回波强度区间,通过调整系统参数控制回波强度在该区间内,可以保证系统获得最高的测距精度。     

全天时单光子激光雷达技术进展与系统评价

单光子激光雷达(又称光子计数激光雷达)具有单光子量级的探测灵敏度,相比于传统的线性探测激光雷达,能够获得更远的探测距离,已经成为激光雷达探测技术的前沿和发展趋势。然而,极高的探测灵敏度也使单光子激光雷达在探测中极易受到背景噪声光子的干扰,这在很大程度上降低了其在白天工作的性能,也极大地限制了其适用范围。文中从单光子激光雷达的探测原理出发,简要回顾了其技术发展,分析了全天时工作对单光子激光雷达探测系统的需求,在此基础上,采用一种新型的光谱滤波技术,极大地提升了单光子激光雷达在白天的探测性能。同时,还提出了一种普适性的评价模型,能够极为直观地对各种激光雷达系统的探测性能进行评价。