基于Gm-APDs的低频激光成像探测实验

针对空中快速运动目标远距离成像探测的需求,推导了适用于点目标的光子级激光主动成像探测公式,搭建基于64×64像元Gm-APDs的光子级成像探测系统,通过低频成像探测实验,实现对4.3 km处点目标的成像探测。实验结果表明,基于Gm-APDs的低频、光子级回波激光成像探测技术,在无需长时间、多次累积探测的情况下,实现对点目标快速成像探测。为破解对远距离、空中快速运动目标的主动成像探测技术难题奠定基础。

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。

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。

基于双高斯方差优化的Gm-APD三维距离像预处理方法研究

Geiger mode Avalanche Photo Diode(Gm-APD)激光成像雷达三维重构算法的目标检测率、目标还原度等受预处理影响较大,不适当的预处理会导致目标缺失,信噪比降低。预处理通常使用高斯函数或双高斯函数进行卷积,滤波函数中不合适的方差同样会导致目标复原度变低。针对此问题,分析双高斯函数预处理方差组合对探测概率的影响,同时通过Monte Carlo仿真,分析固定激光能量下,固定帧数、不同背景噪声的最佳方差组合变化。拟合得到不同背景噪声水平下的最佳方差模型。最后使用真实实验进行验证,方差模型求得的最佳方差组合可达到实际90%以上最佳目标还原度。该模型对于实际信号处理具有理论指导作用。

最小方差无偏估计方法提高Gm-APD啁啾调制光子雷达的测距精度

啁啾调制光子雷达由于探测器Gm-APD的死时间限制了采样频率和调制带宽的提高,FFT进行信号处理时存在着固有的频域采样间隔,使得测距精度的提高受到很大限制。按照啁啾光子雷达接收机的信号处理过程对回波信号进行了推导,获得了系统回波中频信号的解析表达式,并采用最小方差无偏估计的方法对中频频谱进行处理,最后对该方法进行了仿真,并用仿真结果与质心估计中频后处理方法的仿真结果进行了比较。最大测距误差可由4.3 m降低到0.4 m,表明最小方差无偏估计的中频处理方法可以有效提高Gm-APD啁啾光子雷达的测距精度。

基于FPGA的远距离单光子精细化时间数字转换电路

针对星载GM-APD单光子测距系统难以兼顾宽量程高精度测量问题,文中设计了一种基于等效脉冲粗精两级的精细化时间数字转换电路(Time-to-Digital Converter,TDC)。该TDC首先基于分段式计数原理,设计了粗精两级的计数架构,保证了TDC宽量程测量;其次,针对精计数单元,采用时钟等相差相移π/N,生成等效高频脉冲时钟,将精计数单元的计时精度提升N倍;再次采用多计数器双沿间隔计数方法,将精计数单元计时精度进一步提升至2N倍;最后通过模拟仿真与实验验证对文中设计的TDC进行远距离单光子测距性能测试。仿真与实验结果表明:文中面向远距离单光子测距设计的精细化时间数字转换电路在参考时钟为50 MHz时,计时分辨率为416.67 ps,计时量程达1.31 ms。对室内10 m处目标进行100次测距重复实验,测距误差为5.62 cm,对室外参考距离为2616.5 m处目标进行测距实验,测距的方差为0.0017 m,由此可见,基于文中等效脉冲粗精两级精细化时间数字转换电路的单光子测距系统可以实现远距离目标的高精度、宽量程测量。

白天激光漫反射测距中微弱信号检测的单开门多触发方法

白天激光漫反射测距因存在强背景噪声,导致微弱回波信号的检测十分困难,严重限制了激光漫反射测距的广泛应用。因此,提出了采用单开门多触发方法解决白天激光漫反射测距的微弱信号检测难题。首先,介绍了一种GM-APD(Gcigcr-Modc Avalanche PhotoDiodc,盖革模式雪崩光电二极管)多触发概率分布函数的快速求解方法。接着,取激光漫反射测距系统典型参数,理论分析了多触发情况下的回波信号检测概率,分析结果表明单开门多触发方法可提高激光漫反射测距在白天情况下的回波信号检测概率。同时,通过对触发次数限制的优选,可以增加有效检测比,减少白天观测条件下回波信号的提取代价。最终,通过系统仿真验证了理论分析结果的正确性。因此,单开门多触发方法是解决白天激光漫反射测距微弱信号检测的可行途径之一。

盖革模式APD激光测距误差理论研究

盖革模式雪崩光电二极管(Gm-APD)是一种单光子探测器,相对线性APD响应度更高,将其应用于激光测距产品中,可实现更远距离目标测量。本文首先基于激光雷达方程、Poisson触发模型研究目标距离、噪声强度、目标处于选通门位置对峰值法及质心法的测距误差影响,分析结果表明,峰值法受到Gm-APD时间精度的影响,质心法对远距离测距误差较小;随后介绍基于Poisson模型反推回波波形实现距离误差的校正方法;最后进行基于MonteCarlo方法进行距离校正仿真实验,结果表明,矫正方法可将米级的测距误差降低到分米甚至厘米级的测距误差。下一步将进行实际目标距离矫正。

基于神经网络的少光子探测信号处理

盖革模式雪崩光子二极管(GM-APD)阵列探测器可提高少光子探测信号的信噪比,在激光通信和光子雷达信号处理领域受到广泛关注。针对由于发射功率低和背景噪声强等因素探测器无法探测到回波光子信号的问题,建立基于时域空域卷积神经网络信号处理的数学模型,时域上叠加相邻4帧的回波信号,空间域上先使用矩阵维度拓展算法拓展卷积核维度,再经卷积神经网络提取回波光子信号。仿真结果表明,该方法能够有效从噪声信号中提取回波光子信号,并将信噪比提升4.5倍,在百公里级的少光子探测信号处理领域具有重要参考意义。