高重频脉冲激光雷达测距统计特性及其像质评价

摘要

近年来，激光雷达技术飞速发展，在数字化城市、建筑测绘、文物复原、防撞和导航等领域已展现出良好的应用前景，但是现有相关报道主要侧重于技术开发和应用，对潜在基础理论问题的研究涉及较少。本论文从理论和实验上研究了激光雷达的测距统计特性及其距离成像的像质评价问题，取得的主要研究成果有:
　　 结合飞行时间测距原理，推导了恒阈值和峰值探测两种信号鉴别方式下测距数据的概率密度分布，得到的解析解分别为噪声统计分布与脉冲回波一阶导数的乘积和微分噪声统计分布与脉冲回波二阶导数的乘积，建立了测距数据概率密度分布与脉冲回波波形和噪声分布的依赖关系。
　　 建立了激光雷达飞行时间测距过程的数字化仿真模型。该模型能够考虑激光发射脉冲形状、目标特征、噪声统计特性及其系统带宽等因素的影响，为研究激光雷达测距数据统计分布提供了有效手段。在Matlab环境下编写了仿真程序，通过大量数值仿真研究了激光回波和噪声参数等对激光雷达测距数据离散分布的影响，并且与解析解进行了对比和分析，给出了不同条件下激光雷达测距数据的统计规律，为系统优化设计和距离像评价奠定了基础。
　　 建立了高重频二极管激光雷达的实验装置，该装置能灵活改变激光发射功率、发射脉宽等系统参量;同时编制了测距数据统计分析程序。通过定点测距研究了激光回波和噪声参数对激光雷达测距分布的影响，实验结果与解析解以及仿真计算结果吻合较好。在激光雷达测距统计特征研究的基础上，提出了“距离噪声”的概念，并引入“距离均方误差”和“距离峰值信噪比”来评价激光雷达距离成像质量的优劣，通过距离成像的一维仿真分析了激光雷达系统参数对距离成像质量的影响，结果表明:随着脉冲宽度、带宽和阈值电平的增加，激光雷达距离像的像质先变好后变差，对于每个参量均存在最佳值。
　　 此外，论文还提出了信号延时叠加实时改善激光回波探测信噪比的新方法，在最佳延迟14.8ns时提高信噪比19％。
　　 上述研究成果对高重频脉冲激光雷达系统的优化设计和应用有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外激光雷达的最新技术进展

1．2．2 国内激光雷达的最新技术进展

1．2．3 激光雷达距离成像理论的研究现状

1．3 本论文的主要工作

2 激光雷达的光电探测过程与信号模型

2．1 激光雷达测距原理

2．2 激光雷达光电探测的统计过程

2．2．1 光子探测的泊松计数过程

2．2．2 光电探测的高斯过程

2．3 激光雷达脉冲波形的表述

2．4 激光雷达的噪声

2．4．1 激光雷达的噪声模型

2．4．2 噪声的统计分布特征

2．5 激光雷达回波信噪比分析

2．6 探测概率与虚警概率分析

2．7 本章小结

3 激光雷达测距数据的统计分布模型

3．1 恒阈值探测下测距数据的统计分布

3．1．1 恒阈值探测下测距数据的分布模型

3．1．2 激光脉冲回波对测距统计分布的影响

3．1．3 阈值鉴别电平对测距数据分布的影响

3．1．4 噪声分布对测距数据分布的影响

3．2 峰值探测下测距数据的统计分布

3．2．1 峰值探测下测距数据的分布模型

3．2．2 激光脉冲回波对测距统计分布的影响

3．2．3 噪声分布对测距数据分布的影响

3．3 本章小结

4 激光雷达测距过程的数字化仿真

4．1 激光雷达测距过程的数字化仿真模型

4．1．1 激光发射

4．1．2 噪声生成

4．1．3 激光回波

4．1．4 数字滤波

4．1．5 信号鉴别

4．1．6 距离计算

4．2 激光雷达的回波波形分析

4．2．1 平面目标的激光回波信号

4．2．2 锥形目标的激光回波信号

4．2．3 球体目标的激光回波信号

4．2．4 抛物面体目标的激光回波信号

4．3 恒阈值探测下测距特性的仿真实验

4．3．1 激光脉冲回波对测距统计分布的影响

4．3．2 阈值鉴别电平对测距数据分布的影响

4．3．3 噪声分布对测距数据分布的影响

4．4 峰值探测下测距特性的仿真实验

4．4．1 脉冲波形对测距数据分布的影响

4．4．2 脉冲幅度对测距数据分布的影响

4．4．3 脉冲宽度对测距数据分布的影响

4．4．4 噪声分布对测距数据分布的影响

4．5 本章小结

5 激光雷达测距统计特性的实验研究

5．1 二极管激光雷达实验系统

5．1．1 基本原理和系统组成

5．1．2 光学系统

5．1．3 机械结构

5．1．4 微弱信号检测与计时电路

5．2 恒阈值探测下测距统计特性的实验研究

5．2．1 激光脉冲回波对测距统计分布的研究

5．2．2 噪声特性对测距分布的影响

5．2．3 阈值鉴别电平对测距数据分布的影响

5．3 峰值探测下测距统计特性的实验研究

5．3．1 激光脉冲回波对测距统计分布的研究

5．3．2 噪声特性对测距分布的影响

5．4 典型目标激光雷达回波信号的实验研究

5．4．1 实验装置

5．4．2 典型目标激光雷达回波信号

5．5 本章小结

6 激光雷达距离像质量评价与分析

6．1 距离噪声概念

6．2 距离像像质评价方法

6．3 激光雷达距离像仿真方法

6．4 系统参数对距离成像质量的影响

6．4．1 激光发射波形对距离像像质的影响

6．4．2 系统带宽对距离成像的影响

6．4．3 阈值鉴别电平对距离成像的影响

6．5 本章小结

7 改善激光雷达探测信噪比的新方法探索

7．1 信号延时叠加改善信噪比的基本原理

7．2 信号延时叠加改善信噪比的实验研究

7．2．1 实验装置

7．2．2 效果分析

7．3 本章小结

8 总结与展望

8．1 总结

8．2 展望

致谢

参考文献

附录