盖革APD激光雷达高空间分辨率三维重构方法研究

盖革模式阵列APD激光雷达由于像元数的限制导致重构的三维距离像分辨率低,严重限制了对场景信息的感知识别能力。为此,提出一种基于改进图像引导的盖革模式阵列APD激光雷达超分辨三维图像重构算法。主要研究基于配准后的盖革APD低分辨距离图像、增强电荷耦合器件(ICCD)相机高分辨强度图像和马尔科夫随机场模型,建立具有距离保真项和正则化项约束的全局能量函数,最终对优化模型的最优化求解实现高分辨强度图像对低分辨距离图像的超分辨引导重构。实验结果表明,相较于现有算法,文中算法在提升重构三维图像分辨率的同时,也使图像的边缘更加锐利。该研究对于盖革模式阵列APD激光雷达的目标探测、识别和跟踪具有重要意义。

衰减片提高多脉冲Gm-APD激光雷达的探测性能

从Gm-APD的泊松统计的雪崩探测模型出发，在长死时间情况下，提出了一种提高Gm-APD激光雷达探测性能的方法。利用衰减片控制信号和噪声的强度，实现了多脉冲探测Gm-APD激光雷达的探测概率、虚警概率和测距误差的提高。研究结果表明：随着衰减片透过率的变化，探测概率存在最大值，测距误差存在最小值，将衰减片透过率控制在0.33~0.20之间，探测距离为1.5 km时，探测概率能提高1倍，测距误差可以从m量级提高到cm量级。

基于匹配滤波的Gm-APD激光雷达三维重构算法研究

Geiger mode Avalanche Photo Diode(Gm-APD)激光成像雷达三维重构常用的峰值法对于异常峰会提取到错误的目标位置,阈值选取整数会造成重构三维像信噪比不高及目标缺失等。针对此问题,提出了基于加权一阶类高斯匹配滤波算法,通过对脉冲回波触发频数直方图的拟合归一化得到权重窗口平滑直方图再次选取峰值位置进行重构。应用基于Poisson分布的Gm-APD触发模型理论推导得到该算法的探测率及虚警率表达式并与峰值法对比,理论结果为使用基于加权一阶类高斯匹配滤波算法提取到目标的概率更高,通过Monte Carlo仿真验证了理论推导结果。最后使用两种算法对真实实验数据进行三维重构,主观及客观对比其重构得到的三维距离像,基于加权一阶类高斯匹配滤波算法在复原效果上较峰值法有了明显提升。结果表明,基于加权一阶类高斯匹配滤波算法在处理低信噪比、实时三维重构等方面具有良好的实际应用前景。

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2×2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64×64像素的距离像仿真,仿真结果验证了该方法的正确性。

GM-APD激光雷达距离像邻域KDE重构

对盖革模式APD激光雷达系统的距离像重构算法进行了研究,设计了一种基于像素邻域核密度估计的重构算法。从系统原理出发,结合探测概率模型研究了距离像重构算法的理论基础。根据系统特点提出了一种基于像素邻域核密度估计的改进算法,并对其原理进行了分析。通过仿真数据对直方图算法和邻域核密度估计算法进行了验证,以距离重构准确率曲线进行了定量评价对比,并进一步将算法应用到真实盖革模式APD激光雷达数据中进行了距离像重构实验。实验结果表明,在低帧数时,基于像素邻域统计核密度估计的重构算法可有效提高距离像重构的效果。

基于APD阵列三维成像激光雷达信噪比分析

基于雪崩光电二极管APD阵列的三维成像激光雷达采用激光单脉冲直接获取三维图像。为了仿真评估系统的性能,主要分析了APD阵列增益对系统信噪比和探测概率的影响,APD阵列的阈值电压对系统探测概率的影响。仿真结果表明,当选取合适的APD阵列增益时,系统的信噪比和探测概率可以达到最大值;APD阵列阈值电压的增大会降低系统的探测概率,并且对系统的探测概率影响很大。

盖革模式APD阵列激光雷达的三维成像仿真

基于盖革模式APD阵列激光雷达是一种非扫描三维成像激光雷达,为研究系统的三维成像效果,对该系统的三维图像进行仿真。首先应用光线追踪法构建三维场景;并对APD像元的探测概率和累积概率进行仿真,在此基础上给出对探测距离仿真的方法,得到激光雷达探测的距离像;最后通过坐标变换将距离像转化为三维图像,实现了三维场景重建。仿真结果表明,该方法能较好地仿真出激光雷达获得的场景三维图像,并可以为APD阵列激光雷达的研究提供仿真试验数据。

大气背景下盖革模式APD激光雷达探测性能计算

盖革模式工作的雪崩光电二极管,以其灵敏度高著称,广泛应用于天文观测、粒子物理学、激光雷达以及通信领域.但是由于雪崩光电二极管易受到噪音的影响,特别是在背景光较亮的白天,背景噪音对探测有很大影响.本文针对白天大气背景噪音的情况,建立了盖革模式雪崩光电二极管的探测统计模型,通过设定不同探测器阈值和噪音值进行仿真计算,分析了探测阈值与噪音对虚警率的影响,给出了提高最远探测距离的途经与方法.通过限制滤光片带宽、减小探测器开启时间等方法可以将背景噪音光子数减小到2,在900km处的探测成功率为96.6%.对雷达散射截面为1m2的非合作目标,探测成功率为70%.

基于点阵照明的APD阵列外差激光雷达外差效率的提高(英文)

当前研制的快速成像无扫描激光雷达系统由于激光器功率和信号损耗的限制,遇到了无法增大作用距离的瓶颈。结合光外差体制和APD阵列探测器设计的APD阵列外差探测激光雷达系统可以有效地解决这个问题。鉴于光学系统的外差效率能够直接影响外差激光雷达的性能,因此照明方式的设计是该套激光雷达系统的一个关键。经过分析,传统的直接扩束照明模式下系统的平均外差效率仅为10-5量级,远无法打到使用要求;因此提出了采用改进的点阵照明,并采用在阵列探测器前置微透镜阵列实现匹配接收的方式来解决这一问题。计算结果显示,经过优化后的点阵照明模式下的系统外差效率可达0.82,进而证明了采用点阵照明设计的APD阵列外差激光雷达系统的性能可以达到实用要求,为进一步开展APD阵列外差激光雷达的研究工作奠定了理论基础。

盖革模式APD阵列在激光雷达技术中应用

激光雷达技术是成像前沿技术之一,基于盖革模式APD焦平面阵列的三维成像激光雷达以其高灵敏度、高距离分辨率、高成像效率而成为国内外研究热点。本文介绍了美国麻省理工学院林肯实验室研发的盖革模式APD阵列的结构和性能。该APD阵列具有单光子探测能力,采用桥接集成技术增加了APD阵列的集成度,每个像素都有独立的计时电路距离信息直接读出。同时文中还给出了APD阵列激光雷达在伪装目标识别、广域地形三维成像方面的最新研究成果。旨在为我国激光雷达技术研究与传感器选择方面提供参考。

基于线阵APD探测器的脉冲式一维非扫描激光雷达系统

介绍了非扫描激光雷达的原理,描述了研制的基于线阵APD雪崩光电二极管的一维非扫描激光雷达系统。该系统使用线阵APD作为探测器,红外脉冲式纳秒激光器作为探测光源,利用飞行时间法实现了目标的一维距离图像的非扫描测量。系统使用了APD多通道并行前置放大电路,并利用模拟开关控制高速继电器进行多通道轮询切换,实现了APD阵列的多通道驱动,并有效地降低了通道间的串扰。进行了多组6～18 m的一维距离成像实验,结果表明系统的距离分辨率优于10 cm,各通道的平均测距标准偏差约为8.6 cm。该系统的设计为将来的面阵APD二维非扫描激光雷达的研制奠定了基础。

APD探测器的性能对激光雷达反演CO_2浓度误差影响研究

星载积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达是全天时全球范围内探测CO_2浓度的一种有效的方法,而作为接收系统关键元件的光电探测器对激光雷达系统性能有着较大的影响。雪崩光电二极管(APD)有着较大的动态范围与高的响应度,因此它在星载激光雷达中广泛应用。介绍了IPDA激光雷达和APD探测器的工作原理,并根据实际工作条件,测试了一款APD探测单元的响应度、动态范围、不同光功率下的信噪比等主要性能参数,分析了这些性能参数对星载激光雷达CO_2浓度的反演带来的影响。结果表明,在CO_2浓度为400 ppm(1 ppm=10^(-6)),吸收波段信号的探测器输出电压在280~980 mV范围内时,APD探测器本身的非线性和噪声造成的误差小于0.8 ppm。

基于全波形采样的APD阵列激光雷达系统研究

基于全波形采样技术,构建了一套64路APD阵列激光雷达系统。利用分立元件设计了信号处理电路,并使用数据采集卡对电路的输出信号进行全波形采样。通过基于最小二乘的高斯分解法对采集波形数据进行处理,并通过优化后的参量计算分析目标的距离和特性。搭建共光路实验平台,分别测试了全部通道的电路输出波形和测距精度。结果表明,信号处理电路达到了低噪声、宽带宽、无失真放大的设计要求;系统测距均方根误差最大为16.10mm,最小为8.47mm。最后进行了台阶成像实验,为将来更大APD阵列非扫描激光雷达的研制提供参考依据。

基于APD阵列的三维成像激光雷达方案

本文从基于APD阵列的三维成像激光雷达原理出发,介绍了该激光雷达系统的总体设计方案,其中包括测距方法的选择、激光器的选择、探测体制的选择以及探测器的选择,并对激光雷达光学系统进行了简单介绍。

APD阵列单脉冲三维成像激光雷达的发展与现状

基于APD阵列的激光三维成像雷达发射单个脉冲即能获得目标的三维信息,具有重要的军事和民用价值。首先简要介绍了APD阵列的三维成像激光雷达的特点和原理,并综述了国外盖革APD阵列和线性APD阵列的发展历程和最新进展,然后对国内近年来在此方向的研究成果加以介绍,最后总结了APD阵列激光雷达的优势和发展前景,并归纳了国内外在此方向的研究趋势。

大面阵InGaAs基线性APD单片激光雷达读出电路

基于大面阵InGaAs基线性背照工作模式APD光敏芯片,采用SMIC 0.35μm 3.3 V CMOS工艺实现了一款单片集成面阵激光雷达读出电路。电路芯片与APD光敏芯片的每个像元通过In柱互连,实现电流脉冲的有效传输与接收。仿真和测试表明,基于可调节共源共栅输入级和自偏置共源放大级的像元级前置放大器实现了等效5μA@2.5 ns脉宽的电流检测灵敏度;在片上125 MHz主时钟下,基于计数型和压控延迟型的二段式像元级TDC,通过多相位时钟插值技术实现了1 ns的高精度时间分辨率;采用分时供电的工作模式,32×32面阵读出电路芯片功耗节省了65%。

基于盖革APD阵列的单通道激光雷达信号读出电路设计

随着测量技术的发展,激光雷达技术成为研究的热点,选取工作在盖革模式下的集成APD阵列雪崩二极管作为激光雷达的光电探测器,在探测距离为100~200 m范围内,选择上升沿为5 ns的激光脉冲,则接收带宽在70~88 MHz范围内,在此范围内APD探测器将接收到的回波信号转化为电信号,用TIA跨阻放大器反向放大模式将电流信号转化为电压信号,并将信号有效放大,输入至时刻鉴别电路,时刻鉴别电路用电压比较器来实现,最终可输出COMS逻辑电平信号;用TINA仿真软件进行仿真,仿真结果表明在接收带宽范围内TIA放大器的增益动态范围达到了54 dB,总体电路延迟约为10 ns。

激光雷达用硅APD探测器

技术开发单位中国电子科技集团有限公司四十四所重庆声光电公司技术概述硅雪崩光电二极管(APD)是一种具有信号内部放大功能的光电探测器,硅APD主要有两个功能:光电转换和电信号的放大。其工作原理为:光信号照射到硅APD光敏面上,被APD吸收区吸收转换为光生载流子(光电转换);光生载流子在吸收区漂移电场作用下,漂移到雪崩区;而硅APD雪崩区具有很强的电场。

高灵敏度的光子偏振激光雷达系统

在空间目标探测中,由于远距离、小目标的特点,回波信号十分微弱,传统的激光雷达不能很好地探测如此微弱的信号。而且现在空间目标探测不仅需要距离信息,还希望获得目标的强度、偏振等更加多维的信息。提出了基于Gm-APD单光子灵敏度探测器的四路光子偏振探测系统,以GmAPD探测器的泊松概率响应模型为基础,推导了回波微弱信号的强度解算公式,通过四路的强度解算出回波信号的偏振信息,在实验室搭建了四路Gm-APD光子偏振探测系统的原理样机,并介绍了四路Gm-APD光子斯托克斯参量的探测实验。在平均每个脉冲回波能量为7.78×10-19 J的情况下,获得3.95%的线偏振误差和5.84%的椭圆偏振误差的探测结果。

32×32面阵InGaAs Gm-APD激光主动成像实验

近十年来,由于盖革模式APD焦平面探测器在探测灵敏度、空间分辨率和距离分辨率等方面的优势,使得面阵APD激光主动成像技术成为国际上的研究热点。考虑到大气传输特性,InGaAs材料或者HgCdTe材料的面阵APD探测器成为研制首选。在国内自研InGaAs材料的32×32像元Gm-APD基础上,搭建了一套1570nm激光主动成像实验平台,在成像帧频1kHz、单脉冲能量2mJ条件下,获得了外场3.9km目标的轮廓像,在720m处能获得目标的清晰表面结构距离像。通过该外场实验,证实了国内自研的面阵Gm-APD探测器性能良好,能够演示外场激光主动成像功能。实验结果表明,1570nm面阵APD激光成像雷达成像性能良好,能够实现远距离目标遥感探测,为未来实际应用奠定了良好的研究基础。