光子计数激光三维成像系统设计和实现

摘要

激光雷达技术相比于微波波段的雷达技术而言具有高角度分辨率、高距离分辨率、小发散角等优点因而在商业和军事上都有着极为重要的应用价值和巨大的发展前景。基于时间相关单光子计数技术的激光雷达相比其他激光雷达而言，具有更高的时间分辨精度和探测灵敏度、对激光脉冲能量的要求更低、功耗更低、体积更小、可以保障发射的激光能量在人眼安全范围内，是下一代激光雷达的主要发展方向之一。
　　 时间相关单光子测量技术是一种采用高灵敏度探测器进行皮秒级别时间分辨率光子探测的技术。在时间分辨荧光测量和量子密钥分配中有广泛的应用。
　　 在时间相关单光子计数技术中，每一次信号光子的探测都是一次对距离的独立测量。经过多次测量后，得到的光子分布数据可以用来计算精确的飞行时间。通过一定的峰值判别算法，其精确度可以超过系统单次测量的时间不确定度。
　　 本论文参考国外文献在分析了时间相关单光子计数技术激光雷达原理及其重要组成元件性能的基础上，设计并实现了激光雷达三维成像系统的试制，并通过实验检测了其各项性能指标。实验表明该激光雷达三维成像系统可以实现在50m范围内的目标进行距离分辨率达毫米级的三维成像。
　　 首先简要叙述该激光雷达系统的设计背景，详细描述各种激光雷达系统的特点及工作原理并在此基础上重点分析了时间相关单光子计数技术在激光雷达中的应用，介绍了该系统中关键元件的性能及其在系统中的作用。然后通过仿真和实验研究了该系统的三维成像性能。最后介绍了数据处理的相关算法，提出了针对时间行走误差进行补偿的相关方法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与选题意义

1．1．1 激光雷达的应用

1．1．2 时间相关单光子计数技术在激光雷达中的应用

1．2 单光子计数技术激光雷达研究动态

1．3 本论文主要研究内容

1．4 本论文组织结构

2 时间相关单光子计数技术激光雷达原理

2．1 激光雷达简介

2．1．1 被动光学测距

2．1．2 主动光学测距

2．2 时间相关单光子计数技术在激光雷达中的应用

2．2．1 时间相关单光子计数技术

2．2．2 时间相关单光子计数技术在时间飞行测距激光雷达中的应用

2．3 总结

3 时间相关单光子计数技术激光雷达关键器件性能分析

3．1 时间相关单光子计数技术激光雷达的组成

3．2 光子探测器在时间飞行测量中的应用

3．3 光学收发扫描系统

3．3．1 发射光学系统

3．3．2 扫描光学机构

3．3．3 接收光学系统

3．4 总结

4 时间相关单光子计数技术激光雷达的设计与实现

4．1 系统硬件设计与调试

4．1．1 脉冲激光光源

4．1．2 收发共路扫描光学系统

4．1．3 光束的偏转

4．1．4 单光子探测器

4．1．5 时间相关单光子计数模块

4．1．6 数据处理和系统控制模块

4．1．7 光路调准

4．1．8 测量调试

4．2 系统软件设计

4．2．1 数据分析

4．2．2 初始化

4．2．3 柱状图分析

4．2．4 实时数据演示

4．3 系统性能分析

4．4 系统理论模型

4．5 总结

5 激光雷达数据处理及相关算法研究

5．1 介绍

5．2 时间相关单光子计数技术激光测距理论模型

5．3 时间行走效应分析及补偿算法研究

5．3．1 针对“时间行走”效应的校正算法

5．3．2 校正实验与结果

5．4 总结

6 总结

致谢

参考文献