快速扫描光子计数激光雷达成像关键技术研究

摘要

光子计数激光雷达传统的成像方法以固定的长积分时间对目标场景逐点扫描采样，通过获得105～106个光子的飞行时间信息累积生成光子计数统计直方图，再通过分析直方图获得目标场景的深度和强度信息。传统的成像方法需要较长的成像时间限制了光子计数激光雷达在快速主动成像场合下的应用。另一方面，光子计数激光雷达使用工作在盖革模式的雪崩光电二极管作为单光子探测器。由于盖革模式的雪崩光电二极管具有超高的灵敏度，对激光回波信号和背景噪声都是无差别的响应输出数字信号，再加上传统的成像方法对信号和噪声采取相同的处理策略，光子计数激光雷达在背景噪声比较强的环境下容易出现虚警率过高的问题。 为了能够快速准确地获得目标场景的三维图像，本文深入地研究了时间相关光子计数激光测距和三维成像激光雷达的基本原理，分析了单光子探测器的原理和响应模型。在上述理论基础上，针对光子计数激光雷达传统成像方法采用固定积分时间带来的成像时间过长问题，提出了能够根据目标场景不同区域反射的激光回波的不同特性改变积分时间的自适应成像算法。同时，为了解决光子计数激光雷达传统成像方法在强背景噪声环境下受背景噪声影响严重的问题，基于激光回波信号光子之间的时域相关性，提出了深度成像快速去噪算法，通过在强背景噪声的环境下分辨信号和噪声，实现了快速、准确地估计目标场景的三维图像。基于时间相关光子计数激光测距的基本原理，提出了一种光子计数激光测距的实现方案，搭建了光子计数激光测距样机，实现了在白天日光下8.4公里远的测距。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1．1激光测距与三维成像激光雷达

1．1．2时间相关单光子计数技术(TCSPC)

1．2国内外时间相关光子计数激光雷达研究动态

1．3本论文主要研究内容

1．4论文结构安排

2 时间相关光子计数激光雷达信号分析与数学建模

2．1激光测距原理

2．1．1脉冲式激光测距

2．1．2相位式激光测距

2．2单光子探测器

2．2．1单光子雪崩光电二极管(SAPD)

2．2．2超导纳米线单光子探测器(SNSPD)

2．3激光雷达探测模型

2．4单光子探测器泊松概率模型

2．5以光子到达时间为研究对象的理论模型

2．6本章小结

3基于单光子探测器的自适应积分时间三维成像方法

3．1问题分析

3．2算法理论模型分析

3．2．1算法过程

3．2．2自适应成像方法概率分析

3．3实验结果

3．3本章小结

4深度成像快速去噪方法

4．1问题分析

4．2成像模型分析

4．2．1概率模型分析

4．2．2算法流程分析

4．3实验结果

4．4本章小结

5远距离1064nm激光测距系统搭建

5．1理论分析

5．2测距系统部件介绍

5．2．1激光光源

5．2．2光学系统

5．2．3红外相机

5．2．4单光子探测器

5．2．5光子计数模块(TCSPC)

5．3激光测距系统实现与调试

5．4激光测距系统实验

5．5本章小结

6总结

致谢

参考文献

附录