高距离精度条纹探测和单光子计数复合激光三维成像研究

论文摘要

近年来激光雷达技术被广泛应用于三维目标重构、地形测绘、水下目标探测等领域。但是在这些领域的实际应用中普遍存在一个问题:由于目标反射特性和大气传输特性差异较大,回波信号强度的动态范围通常达2-3个数量级,传统激光雷达难以兼顾测量强回波信号时过饱和与测量弱回波信号时不响应的问题,导致大动态范围测量过程中激光雷达距离精度降低。针对该问题,本文通过研究激光雷达回波信号响度对激光雷达距离精度的影响,提出实现大动态范围条件下高距离精度要求的复合激光三维成像技术并开展了相关研究。解决大动态范围条件下高距离精度测量的关键是实现大动态范围回波信号的处理,这与激光雷达的探测体制有关,目前研究较多的激光雷达探测体制有波形采样激光雷达和时间相关光子计数（TCSPC,time-correlated single-photon counting）激光雷达,本文研究了回波信号强度对这两种探测体制激光雷达距离精度的影响。其中,波形采样体制采用条纹阵列探测器,该探测器具有等效集成度高的优点,回波信号较强时,能够获得高距离精度的测量结果,但是回波信号强度弱时信噪比不足会造成距离精度降低,甚至无法提取信号;TCSPC探测体制具有灵敏度高的优点,可以使用毫瓦量级激光实现大于10km的作用距离,当探测概率小于0.1时,采用该技术能够达到厘米级的距离精度,但是当回波信号较强时,受脉冲堆积效应影响,TCSPC测量过程导致测量结果产生明显的距离漂移误差。根据两种探测体制激光雷达各自的优点和缺点,本文提出一种基于条纹阵列探测技术和TCSPC技术的复合激光三维成像技术。对于复合激光三维成像技术的条纹阵列探测系统,本文推导出了CCD上单个像素接收到的回波信号强度的表达式。在此基础上,开展了条纹阵列探测激光雷达最大作用距离和回波信号强度响应范围的研究。结果发现:条纹阵列探测激光雷达具有远距离探测的能力,但是当回波信号较弱时,距离精度降低,且条纹阵列探测激光雷达的动态范围较小,使用该体制的激光雷达不能满足大动态范围条件下的测量需求。对于复合激光三维成像技术的TCSPC系统,本文推导出了探测器接收到的回波信号强度的表达式,并开展对TCSPC激光雷达灵敏度的研究。研究发现:TCSPC激光雷达能够获得远距离目标的高距离精度测量结果,但是在测量较强回波信号时,由于脉冲堆积效应的影响,会导致距离漂移误差,所以使用TCSPC激光雷达也不能满足大动态范围条件下的测量需求。然后,为了解决TCSPC激光雷达测量较强回波信号时的距离漂移误差问题,本文分析了TCSPC测量过程中,强回波信号时产生距离漂移误差的原因,并提出了分步修正距离漂移误差的方法,通过测距实验证明该方法的可行性。本文开展了基于条纹阵列探测技术和TCSPC技术的复合激光三维成像技术的实验研究。对一个反射特性差异较大的目标开展了室内三维成像实验,实验结果证明使用复合激光三维成像技术能够获得回波信号大动态范围条件下高距离精度的三维图像。为了进一步提高复合激光三维成像系统的距离精度,本文提出了三光束激光三维成像方案。首先,本文对条纹阵列探测激光雷达的距离精度开展了研究,并通过三维成像实验证明:使用三光束方案能够有效地提高条纹阵列探测激光雷达的距离精度。然后,本文对TCSPC激光雷达的距离精度开展了研究,通过仿真实验证明了使用三光束系统能够提高TCSPC激光雷达的距离精度,并通过仿真实验研究了时隙宽度（time bin size）和激光脉冲宽度对三光束系统距离精度的影响。最后,对于复合激光三维成像系统,由于条纹阵列探测分系统和TCSPC分系统的时隙宽度一般不同,两分系统不能同时满足三光束方案对光主测量光路和辅助光束之间光程差的要求,为了解决该问题,本文对分系统时隙宽度不同时三光束复合激光三维成像系统的距离精度开展了研究,通过仿真计算确定了条纹阵列分系统和TCSPC分系统时隙宽度之差的最佳范围。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 条纹阵列探测波形采样激光雷达的研究进展
•     1.2.1 国外条纹阵列探测激光雷达的研究进展
•     1.2.2 国内条纹阵列探测激光雷达的研究进展
•     1.2.3 条纹阵列探测激光雷达研究进展分析
•   1.3 TCSPC激光雷达的研究进展
•     1.3.1 TCSPC激光雷达系统的研究进展
•     1.3.2 TCSPC激光雷达中距离漂移误差的研究进展
•     1.3.3 TCSPC激光雷达研究进展分析
•   1.4 条纹阵列探测激光雷达和TCSPC激光雷达研究进展总结
•   1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 回波强度对激光雷达距离精度影响的研究
•   2.1 引言
•   2.2 线阵探测激光雷达方程
•     2.2.1 典型的激光雷达方程
•     2.2.2 线阵探测激光雷达方程
•     2.2.3 目标反射特性的研究
•     2.2.4 大气传输特性的影响
•   2.3 光电子数期望值和探测概率的研究
•     2.3.1 光电子数期望值的计算方法研究
•     2.3.2 探测概率的研究
•   2.4 探测概率对距离精度影响的研究
•     2.4.1 探测概率对波形采样技术距离精度的影响
•     2.4.2 探测概率对TCSPC技术距离精度的影响研究
•   2.5 本章小结
• 第3章 不同回波信号强度的探测方法研究
•   3.1 引言
•   3.2 光电子数期望值大于10 的探测方法研究
•     3.2.1 条纹阵列探测激光雷达的工作原理
•     3.2.2 条纹阵列探测激光雷达方程的研究
•     3.2.3 影响条纹阵列探测激光雷达灵敏度的因素
•     3.2.4 条纹阵列探测激光雷达最大作用距离的研究
•     3.2.5 条纹阵列探测激光雷达的响应范围
•   3.3 光电子数期望值小于0.1 的探测方法研究
•     3.3.1 TCSPC激光雷达的工作原理
•     3.3.2 TCSPC激光雷达的灵敏度
•   3.4 光电子数期望值大于等于0.1 小于等于10 的探测方法研究
•     3.4.1 距离漂移误差的原因分析
•     3.4.2 距离漂移误差的修正方法
•     3.4.3 距离漂移误差修正方法的实验验证
•   3.5 本章小结
• 第4章 复合激光三维成像技术的研究
•   4.1 引言
•   4.2 复合激光三维成像技术的理论研究
•     4.2.1 复合激光三维成像系统的结构
•     4.2.2 复合激光三维成像系统的工作过程
•     4.2.3 复合激光三维成像系统的重要参数研究
•   4.3 复合激光三维成像技术的实验研究
•   4.4 本章小结
• 第5章 复合三维激光雷达距离精度的研究
•   5.1 引言
•   5.2 条纹阵列探测激光雷达距离精度的研究
•     5.2.1 双光束条纹阵列探测激光雷达
•     5.2.2 三光束条纹阵列探测激光雷达
•     5.2.3 三光束条纹阵列探测激光雷达的实验研究
•   5.3 TCSPC激光雷达距离精度的研究
•     5.3.1 双光束TCSPC激光雷达的概述
•     5.3.2 三光束TCSPC激光雷达
•     5.3.3 三光束TCSPC激光雷达的仿真
•   5.4 三光束复合激光三维成像技术的研究
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈兆东

导师: 陈德应

关键词: 激光雷达,条纹阵列探测,时间相关单光子计数,灵敏度,距离精度

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TN958.98;TN957.51;TN249

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000043

总页数: 160

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