Gm-APD脉冲累积激光雷达探测性能提高的研究

摘要

激光雷达具有测距精度高、角分辨率高、方向性好、抗干扰能力强的优点，广泛应用于三维遥感测绘、交会对接、导弹制导、自动驾驶等领域。Gm-APD(Geiger-mode Avalanche Photodiode)作为激光雷达的探测器，具有单光子灵敏度和亚皮秒量级的时间分辨率，在远距离、弱信号的高精度探测中具有重大应用价值。但是，Gm-APD只能探测信号的有和无，是一种数字探测技术，无法直接响应信号的强度信息。
　　通过 Gm-APD累积探测提出了一种精确的强度信息表征方法。建立了Gm-APD的泊松概率探测模型，采用时间分离区间的统计方法，得到了Gm-APD在任意一个子区间产生雪崩击穿效应的概率；通过累积探测的雪崩概率逆推得到平均信号光电子数精确表征目标的强度信息，并且，理论研究了最佳信号强度探测区间；最后，设计并完成了Gm-APD激光雷达累积探测获取高精度强度信息的实验，相对强度测量误差小于3%。
　　当平均信号光电子数大于4时，可以采用衰减片同比衰减信号和噪声，在保证Gm-APD对于信号的雪崩概率饱和输出的同时，进一步衰减噪声，从而提高Gm-APD激光雷达的探测性能。理论分析了Gm-APD激光雷达窄脉冲少次累积探测半阈值法的探测概率、虚警概率和测距精度，研究了衰减片透过率对探测性能的影响，最后利用距离像成像仿真进行验证。实验设计了一个宽脉冲累积探测Gm-APD激光雷达系统，在极强背景噪声条件下，采用50 dB衰减片组将原本完全淹没在噪声中的信号光子计数分布图完美提取。
　　Gm-APD激光雷达在脉冲测距过程中存在距离漂移误差，该漂移误差与信号的强度有关，随着信号的增强而变大，随着脉冲宽度的增大而增大。为了解决该距离漂移误差产生的不良影响，分别提出了Gm-APD激光雷达宽脉冲累积探测的信号复原—双高斯拟合法和信号复原—质心算法去抑制距离漂移误差。利用Gm-APD激光雷达的泊松雪崩概率模型，根据信号光子计数分布图获取信号光电子数分布图。第一种方法采用双高斯拟合的方法找到峰值位置，并将峰值位置作为目标的距离信息。第二种方法采用质心算法去寻找信号波形的质心位置，并将质心位置作为目标的距离信息。两种方法都能获取目标的高精度强度信息和距离信息。第一种方法的测距精度为1.2 cm，强度测量精度小于0.015个光电子；第二种方法的测距精度为0.6 cm，强度测量相对精度小于3%。
　　不同材质的物体对同一偏振光将会表现出不同的退偏特性，偏振探测可以获得普通的强度探测无法获得的额外信息。分析了偏振传输的穆勒矩阵表示，利用薄透明物体前后表面的不同偏振特性，设计了一个双Gm-APD偏振激光雷达系统，获取了薄透明物体前后表面的高精度距离信息。完成了10 cm厚度的水缸测量，测量精度小于1.1 cm。根据一种斯托克斯参量分振幅测量系统设计了一个四Gm-APD偏振激光雷达系统，通过比对四路强度像的差异性，实验完成了光子量级条件下的极微弱信号的不同材质目标的鉴别。同时得到目标的高精度距离像，测距精度小于0.8 cm。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 Gm-APD激光雷达及偏振探测的发展状况

1.3 论文的主要研究内容

第2章 Gm-APD脉冲累积激光雷达强度信息获取方法

2.1 引言

2.2 Gm-APD激光雷达脉冲累积探测过程分析

2.3 Gm-APD激光雷达脉冲累积获取强度信息的理论分析

2.4 强度信息获取的理论仿真和实验

2.5 本章小结

第3章 最佳信号强度提高Gm-APD激光雷达累积探测性能

3.1 引言

3.2 最佳信号强度提高窄脉冲少次累积探测性能

3.3 四Gm-APD激光雷达提高探测性能

3.4 同比衰减提取宽脉冲累积探测的信号光子计数分布图

3.5 本章小结

第4章 Gm-APD激光雷达宽脉冲累积探测的距离漂移误差抑制

4.1 引言

4.2 距离漂移误差存在的理论分析

4.3 信号复原—双高斯拟合法对距离漂移误差的抑制

4.4 信号复原—质心算法对距离漂移误差的抑制

4.5 两种方法的比较

4.6 本章小结

第5章 Gm-APD偏振激光雷达宽脉冲累积探测

5.1 引言

5.2 偏振传输的穆勒矩阵表示方法

5.3 双Gm-APD偏振激光雷达测量薄透明物体厚度

5.4 四Gm-APD偏振激光雷达鉴别不同材质目标

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

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致谢

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