快速扫描光子计数激光雷达成像关键技术研究

发布时间：2020-03-26 23:27

【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。
【图文】：

脉冲激光测距,工作原理,脉冲式

辨能力强、速度快等优点。激光测距方法按工作方式不同分主要有脉冲式和相位式。逡逑２．１．１脉冲式激光测距逡逑脉冲式激光测距的原理如图２．１所示，首先脉冲式激光光源向待测物体发射激光脉逡逑冲并记录脉冲发射时间，然后系统接收激光物体反射的回波脉冲并记录接收时间，发射逡逑时间和接收时间的间隔就是光子的飞行时间，得到飞行时间就可以计算出待测物体与探逡逑测器之间的距离。假设待测物体距离为Ｄ，测量得到的飞行时间为ｒ，光速为ｃ。可得待逡逑测距离￡＞为：逡逑￡＞＝—邋（２．１）逡逑Ａ邋２邋Ａ逡逑发射激光脉冲／邋＾逦脉冲周期逦ｆＨ＼逡逑逦ｔ逦时间轴逡逑接收激光脉冲逡逑‘邋－．Ｖ．逦＾逦．．．逦－．．．．．．逦．．．ｇ－逡逑时间轴逡逑图２．１脉冲激光测距工作原理逡逑７逡逑

纳米线,非平衡,热点,光子

＝Ｔ逡逑图２．３超导纳米线单光子探测器工作过程曑逡逑超导纳米线吸收一个光子后会在局部产生一个非平衡热点（ｈｏｔ－ｓｐｏｔ），如图２．３所逡逑示。非平衡热点的存在使得其周围的电流密度大于超导临界电流密度，从而在非平衡热逡逑点周围形成有阻区。有阻区的能量可以通过薄膜材料衬底驰豫掉，同时在超导纳米线的逡逑两端产生一个电压脉冲，最终通过对电压脉冲的检测实现了对单光子级别的响应。逡逑与其他的单光子探测器相比，超导纳米线单光子探测器具有更高的探测概率，，更低逡逑的暗计数，更短的时间抖动，更快的探测速度。现如今，超导纳米线单光子探测器己经逡逑广泛应用于激光测距与成像、量子通信、深空探测和生物荧光光谱等众多领域。但是超逡逑导纳米线单光子探测器存在需要依靠制冷设备和成本高等问题。随着超导技术的发展，逡逑更高的光子分辨响应能力，大规模集成阵列和制冷技术等是超导纳米线单光子探测以后逡逑主要的研宄方向。逡逑２．３激光雷达探测模型逡逑本文使用的时间相关光子计数激光雷达系统如图２．４所示ｔ５４Ｌ系统的激光器首先发逡逑射激光脉冲信号
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN958.98

【参考文献】